新街矿区深部开采邻空巷道受载特征及冲击失稳规律分析

随着我国煤炭资源开采战略西移,西部部分矿井已进入深部开采阶段,邻空巷道冲击失稳频繁发生,严重威胁煤矿安全生产。以新街矿区红庆河煤矿为工程背景,综合运用现场调研、理论分析和数值模拟等方法对新街矿区深部开采邻空巷道受载特征及冲击失稳机制进行研究。建立了初次来压、充分采动阶段工作面前方邻空巷道动静载叠加力学模型;通过精细描述不同阶段静载及扰动动载,提出了基于采空区侧向静载、超前静载及扰动动载的邻空巷道"三载荷"动静叠加原理,并给出了发生冲击失稳的应力判据;揭示了邻空巷道围岩受"三载荷"叠加诱冲机制,即高应力、能量经巷道"顶—帮—底"传递,巷道围岩形成应力集中,能量积聚,达到煤岩体冲击失稳临界值时,诱发邻空巷道冲击失稳。针对工作面上覆厚硬岩层的邻空巷道冲击地压灾害,提出了"切断动载源、降低集中静载应力和恒阻大变形吸能锚杆锚固"的防治措施。研究结果表明:邻空工作面初次来压阶段相邻双工作面采空区顶板形成非对称"T"型结构,亚关键层Ⅰ破断,亚关键层Ⅱ未破断,工作面来压较缓和,邻空巷道围岩所受静载较大,扰动动载较小;周期来压(充分采动)阶段相邻双工作面采空区顶板形成对称"T"型结构,两组亚关键层均破断...     

综放大煤柱临空侧巷道密集区冲击地压机制研究

冲击地压矿井临空侧采动巷道大多存在冲击危险,针对综放大煤柱临空侧巷道屡次冲击的工程难题,结合"两带"高度,建立考虑开采沉陷参数的临空侧向覆岩结构模型,理论估算侧向支承压力大小,明确临空巷静载力源及控制矿压的亚关键层;根据采动矿压监测的顶板破断动载特征,利用理论和数值模拟揭示破断动载叠加多因素静载后临空侧巷道应力和能量的激增机制,得出结论:侧向覆岩结构传递的增压载荷导致侧向煤柱区域应力、能量基础值大幅提升,多因素累积叠加后易诱发冲击;坚硬顶板破断动载与多因素静载叠加后,超前距20～40 m内回风巷帮部垂直应力峰值陡升至56～63 MPa,相比纯静载提高约23％,弹性能密度峰值激增至3.0～3.5 MJ/m3,相比纯静载提高约40％,动载对能量的增益作用大于应力;动静载叠加后超前距0～40 m范围内回风巷帮部冲击驱动区发生了卸荷释能,证明帮部煤岩体发生冲击破坏,与实际现场相符.基于冲击机制,提出并论证了针对动静载荷的优化防治措施,为相似工程防冲难题提供借鉴.     

综放大煤柱临空侧巷道密集区冲击地压机制研究

冲击地压矿井临空侧采动巷道大多存在冲击危险,针对综放大煤柱临空侧巷道屡次冲击的工程难题,结合"两带"高度,建立考虑开采沉陷参数的临空侧向覆岩结构模型,理论估算侧向支承压力大小,明确临空巷静载力源及控制矿压的亚关键层;根据采动矿压监测的顶板破断动载特征,利用理论和数值模拟揭示破断动载叠加多因素静载后临空侧巷道应力和能量的激增机制,得出结论:侧向覆岩结构传递的增压载荷导致侧向煤柱区域应力、能量基础值大幅提升,多因素累积叠加后易诱发冲击;坚硬顶板破断动载与多因素静载叠加后,超前距20～40 m内回风巷帮部垂直应力峰值陡升至56～63 MPa,相比纯静载提高约23％,弹性能密度峰值激增至3.0～3.5 MJ/m3,相比纯静载提高约40％,动载对能量的增益作用大于应力;动静载叠加后超前距0～40 m范围内回风巷帮部冲击驱动区发生了卸荷释能,证明帮部煤岩体发生冲击破坏,与实际现场相符.基于冲击机制,提出并论证了针对动静载荷的优化防治措施,为相似工程防冲难题提供借鉴.     

浅埋沿空留巷切缝顶板断裂条件及移动规律研究

根据浅埋煤层顶板断裂后岩块间水平挤压力较小难以形成砌体梁的特点,分析了切顶卸压沿空成巷下的巷道顶板断裂结构,建立了下位切缝上位弯曲裂缝的双边悬臂梁的断裂力学模型,推导了沿空巷道侧向基本顶沿切缝结构面裂缝扩展断裂时的切顶工作阻力;建立了侧向基本顶两种不同顶板断裂位态下围岩结构数值模型,得出了两种断裂位态下的结构移动变形规律。当切顶阻力Q?ql时,巷道顶板沿煤壁内一定深度内断裂,空区侧弧形三角板直接顶的倒台阶悬臂结构可向沿空巷道围岩传递较大破断动载和覆岩移动压力;而当切顶阻力Q≥ql并与切缝联合切顶同时作用时,则可使得垮落带内直接顶和低位基本顶沿切缝结构面断裂滑落失稳,实现顶板断裂位态主动控制,减小弧形三角板侧向悬臂传递覆岩荷载的结构长度,优化顶板承载结构和围岩应力,降低巷旁支护体承受的附加荷载。同时切落后碎胀的矸石及时充填空区将上覆岩触矸点前移,减缓了上覆岩下沉和旋转变形作用力。哈拉沟矿浅埋薄基岩大断面复合顶板切顶成巷试验结果表明:沿空巷道超前切缝可减小侧向顶板区域支架工作阻力和直接顶垮落步距,降低岩板破断引起的冲击动载,实际切顶阻力与理论计算分析结果较为吻合。     

采场厚硬顶板破断失稳与能量聚散演化研究

针对采场厚硬顶板强矿压问题,在采场厚硬顶板采动失稳影响特征分析基础上,运用力学理论构建采场厚硬顶板采动承载力学模型,分析采场厚硬顶板采动承载状态及能量积聚演化发布规律,从能量转化角度分析采场厚硬顶板破断致积聚能量释放与强动压显现关系,推导出工作面液压支架动载响应估算方程,揭示厚硬顶板破断失稳强矿压显现影响特征。研究结果表明,1)厚硬顶板在破断失稳前处于覆岩承载状态和自身弹性势能积聚,在破断瞬间显现略高于重力作用的加速运动失稳,加之悬伸跨度较大,导致厚硬顶板条件工作面动压显现尤为强烈;2)悬伸跨度、上覆岩层荷载是厚硬顶板采动承载和能量聚散演化的关键影响因素,上覆岩层荷载、自身厚度和强度是厚硬顶板极限悬伸跨度的关键影响因素;3)在工作面液压支架动态阻力响应的力源构成中,厚硬顶板破断积聚能量释放所形成的动态阻力占比最高,上覆岩层荷载做功转化所形成的动态阻力占比次之;4)在工作面液压支架动态阻力响应的影响因素中,厚硬顶板的悬伸跨度、上覆岩层荷载起直接加剧影响,岩层厚度增加厚硬顶板极限悬伸跨度,进而间接加剧动态阻力响应,直接顶厚度可对动态阻力响应起缓冲降低作用,支架控顶距的加剧影响程度不明显。     

厚硬顶板覆岩冲击矿震影响的远近场效应研究

针对厚硬顶板覆岩破断释放冲击能量影响采场安全性等问题,基于材料力学及冲击动力学,建立了冲击震源层破断力学模型,研究了覆岩冲击震源层初次破断和周期破断产生的冲击能量大小以及冲击震动波在传播过程中的能量耗散机理,分析了厚硬顶板覆岩冲击震源层位能级对下伏采掘空间冲击矿震影响的远近场效应.研究发现:冲击震源层破裂释放能量与采高...     

厚硬顶板冲击地压发生机理及防治实践

基于鄂尔多斯地区冲击地压矿井厚硬顶板加坚硬煤层的特征，对宽煤柱开采条件下冲击地压发生过程进行分析，揭示了该区域冲击地压是由厚硬顶板破断引起煤体高应力区动力系统失稳产生震动、激发应力波，应力波与塑性区煤体相互作用而产生的；以巴彦高勒煤矿为例，采用深孔爆破对巷道顶板进行卸压。结果表明：在未断顶区域，顶板发生极限破断引发大能量微震事件，能量释放集中在沿空巷侧，现场存在动压显现现象；在正常断顶区域，微震活动比较平稳，能量集中区未对巷道形成直接影响；工作面来压周期平均2.4 d，来压步距14.5 m，未出现持续性高强度来压；顶板观测孔裂隙发育良好，有效半径可达4 m。     

采动巷道矿压显现特征及力构协同防控技术研究

以西北地区典型冲击地压矿井为工程背景,研究采动巷道冲击地压力构协同防控技术的有效性,通过对典型厚硬顶板条件下重复采动巷道冲击地压显现特征及主控因素的分析,采用"点-面-区"相结合的方式对深部厚硬顶板采动巷道应力分布进行了探测,确定了回风巷冲击地压严重的主要原因为区段煤柱侧向覆岩结构破断和采动应力的叠加作用。提出冲击地压防治要从采动巷道围岩结构和应力环境双方面入手,通过调整采动巷道围岩应力环境,人为干预高低位岩层破断位态,增加高低位厚硬顶板破断所释放弹性能量的传递损耗,优化巷道围岩支护参数,提高工作面超前应力峰值附近巷道刚性支护系统瞬时吸能让压能力,并根据采场煤层赋存条件、围岩结构特征和应力环境不断改变的特点,动态调整各种措施的时空组合方式进而实现采动巷道的围岩稳定性控制。通过典型冲击地压工作面现场防冲实际,验证了采动巷道冲击地压力构协同防控技术的有效性,为西北地区深部厚硬顶板条件下采动巷道冲击地压防治提供理论指导。     

厚硬砂岩直覆顶板卸压技术研究

直覆厚硬顶板进行预裂切顶成功与否是工作面安全开采的关键，以顾北矿13121上工作面为研究背景，结合理论分析直覆厚硬顶板初次破断及周期破断步距，提出顶板预裂切顶方案，利用FLAC3D软件对厚硬顶板切顶效果进行验证，对比切顶前后厚硬顶板位移规律及工作面超前支承应力的变化特征。结果显示：预裂切顶可以有效改善硬厚顶板直覆工作面工作环境，切顶后，工作面超前支承应力峰值降低28.39%，超前影响范围缩减了37%，顶板垮落压实步距缩短了43.53%，超前支承应力峰值位置向深部转移，预裂切顶对厚硬顶板直覆工作面矿压控制起到了积极作用，对工作面超前支护设计具有借鉴意义。     

深部煤巷复合顶板冲击失稳机制及联控原理

针对深部高静载及厚硬覆岩破断强动载作用下煤巷复合顶板冲击失稳问题,通过理论分析表明:复合顶板冲击失稳启动条件是岩梁承载、形变及储能能力大幅超限。顶板冲击失稳过程与"一横五纵"模式协同扩展的6条宏观主控裂隙密切相关,致使顶板进入"层间离层-岩梁开裂-动力震裂"的恶性循环甚至瞬间崩落。通过提前使用"顶部高强桁架锚索-顶角斜锚杆-跨中长锚索"进行结构性联控补强,可以抑制顶板冲击失稳。     

峻德煤矿倾斜煤层开采沿空侧巷道诱冲机理研究

针对峻德煤矿倾斜煤层开采期间沿空侧巷道冲击地压频发的问题,采用现场调研、微震监测、物理相似模拟和数值模拟相结合的方法开展了研究,结果表明：倾斜煤层工作面开采期间靠近沿空侧巷道的覆岩关键层更容易破断产生剧烈动载扰动;随着煤层倾角减小,沿空侧巷道煤柱帮应力集中程度减小,实体煤帮应力集中程度增大,应力集中由煤柱帮内向实体煤帮内转移;在动静载叠加作用下导致巷道两帮煤体失稳破坏诱发冲击地压,且不同倾角煤层冲击启动区域不同。研究结果对倾斜煤层工作面后续回采阶段卸压防冲工作具有一定的指导作用。     

厚煤层邻空巷道动力冲击机理及控制技术

针对大同矿区厚煤层坚硬顶板条件下,综放工作面邻空巷道超前支护段矿压显现强烈,并间歇性出现动力冲击现象问题,以同忻煤矿8202工作面5202巷道为研究对象,采用理论分析与现场实测相结合的方法,对邻空巷道动力冲击发生机理进行研究。研究结果表明:厚煤层坚硬顶板条件下,8203工作面采空区边界上覆各岩层形成倒台阶组合悬臂梁结构,在双向叠加支承压力作用下,高位悬臂梁的破断失稳是造成邻空巷道5202巷动力冲击现象的根本原因,基于此利用定向高压水力致裂技术,对区段煤柱上覆的1号、2号亚关键层提前预裂,使高应力沿8202工作面推进方向发生转移。微震监测结果表明,水力致裂后5202巷道超前支护段动力冲击现象显著减弱,取得了良好的效果。     

采动巷道侧向高低位厚硬顶板破断模式试验研究

陕蒙地区冲击地压显现大多发生在二次采掘扰动影响下,煤层上方厚硬岩层结构破断诱发工作面采场附近动压显现已成为煤矿生产中重大安全隐患。为阐明采动巷道上覆高低位厚硬岩层破断对区段煤柱受力以及巷道围岩稳定性的影响,建立高低位厚硬岩层破断结构的力学模型,得到破断扰动影响下区段煤柱结构变形特征及应力分布特征,以巴彦高勒煤矿11盘区煤样试样为研究对象,利用自行设计的高位岩层模拟加载装置,借助非接触式全场应变测量系统的数字散斑相关分析方法,对高低位厚硬岩层在区段煤柱上方不同破断位置组合下区段煤柱及低位岩层的应力变形特征进行了试验研究。分析了上覆高低位厚硬岩层侧向不同断裂位置组合下区段煤柱受力特征及应力传递机制,建立了巷道上部厚硬顶板不同断裂位置与结构整体失稳荷载的力学模型。结果表明:高低位厚硬顶板岩层破断将会引起煤柱采空区应力集中,高低位厚硬岩层不同的破断位置组合,对下部岩层的运动变形和区段煤柱应力分布和巷道围岩稳定影响显著。区段煤柱整体结构稳定性与破断点位置密切相关,煤体在回转作用下破坏所需的应力大小与高位岩层顶板破断点对采空区顶煤的力矩负相关。随着破断点远离区段煤柱,区段煤柱受力由压剪逐渐转化为采空区煤顶传递的压弯作用。高低位厚硬岩层顶板破断的相对位置影响低位顶板的破断情况,当低位破断点处于高位破断点以内,低位顶板随高位顶板破断1次,反之则低位岩层顶板将会随着高位岩层破断回转发生2次破断。随着高位顶板的破断,采动巷道及煤柱上覆岩层应力减小,区段煤柱稳定性下降,冲击地压风险增大。试验研究为陕蒙地区深部厚硬顶板条件下采动巷道动力灾害防治和区段煤柱设计优化提供了参考。     

急倾斜特厚煤层水平分段综放开采冲击矿压机理

我国急倾斜特厚煤层开采冲击矿压越发凸显,且灾害显现特殊。为了揭示急倾斜特厚煤层水平分段开采冲击矿压机理,建立覆岩力学模型,分析了覆岩运动、能量释放、煤层应力分布等规律;采用工作面液压支架工作阻力监测数据,分析了工作面支架工作阻力与动载系数分布规律;利用微震监测得到的矿震空间分布,分析了岩层运动和能量释放规律。研究结果表明:急倾斜特厚煤层水平分段开采,顶板倾向破断步距与煤层倾角呈非线性正相关关系,当煤层倾角大于60°时,破断步距出现陡增;覆岩下位坚硬岩层破断后在倾向上可暂时形成平衡结构,随着下位分段开采和放煤,平衡结构可发生破断旋转、断块跌落、结构挤压俯冲等3种类型的失稳冲击过程,对工作面形成动态冲击;在顶底板夹持作用下,工作面煤体靠近顶底板侧将形成非对称倾向支承压力分布,靠近顶板侧为封闭夹持状态,应力集中程度高,靠近底板侧为开放夹持状态,煤体易破坏卸压而处于塑性状态,在非对称支承压力作用下,工作面中部至顶板侧底煤受强烈剪切应力作用,且处于底板弹塑性交界区,易于失稳冲击;急倾斜特厚煤层水平分段综放开采,覆岩破断步距大,顶板破断和失稳冲击的瞬间释放能量强,扰动底煤高应力区诱发冲击矿压显现,...     

特厚煤层综放开采大空间采场覆岩结构及作用机制

针对大同矿区石炭系3-5号特厚煤层坚硬顶板综放开采时工作面易出现压架、临空巷道超前区域变形、破坏严重等强矿压显现问题,采用理论分析、物理模拟及现场实测等方法,建立了特厚煤层开采大空间采场岩层结构演化模型。结果表明：特厚煤层综放开采覆岩远、近场关键层运动都可能会对采场矿压产生影响,近场关键层为“竖O-X”破断的“悬臂梁+砌体梁”结构,远场关键层为“横O-X”破断的“砌体梁”结构模型。近场关键层结构主要影响工作面支架压力及其稳定性,近场关键层结构中,以“悬臂梁”结构破断运动的关键层层数越多,对支架安全越不利;远场关键层结构则主要对工作面临空侧巷道变形产生影响,其破断块体的回转运动对临空侧巷道围岩产生径向挤压作用,是造成巷道超前底臌的主要原因。据此开发了基于地面钻孔压裂与井下顶板预裂相结合的远、近场协同弱化的坚硬顶板预控技术,将有效降低岩层破断的能量释放和关键层结构失稳的压力传递,减轻特厚煤层综放开采采场矿压的显现强度。     

采场覆岩空间破裂与采动应力场分布关联性研究

针对上覆多层坚硬砂岩组破断时释放的动载荷耦合集中静载荷区弹性应变能易诱发冲击地压显现的问题,采用现场监测、统计分析的方法,探索了覆岩空间破裂与采动应力场关联性对冲击地压显现的影响,对覆岩空间破裂分布特征及采动应力场分布特征进行了监测分析,依据研究结果对临空巷道超前支护方式进行了优化与实践验证。研究表明:纳林河二号矿井31102工作面覆岩破裂剧烈区位于3-1煤层顶板上方30.3 m,厚度为14.85 m的细粒砂岩层内,并超前工作面30～40 m;超前支承压力影响距离至工作面前方254～280 m,峰值点距工作面小于66 m。覆岩破裂剧烈区与采动应力场峰值区(两区)相距较近,易诱发冲击地压灾害,在超前工作面0～40 m两区下方的临空巷道采用垛式液压支架超前支护顶板,可有效防治冲击地压。     

深部厚硬岩层压裂控制冲击弱化机理及可压裂性评价

为了探究深部厚硬岩层对冲击地压的影响以及分析岩层的可压裂性,提出了采用地面水平井压裂技术对采场上覆厚硬岩层进行压裂控制,通过改变厚硬岩层的破断特征,达到降低厚硬岩层的破断步距和能量释放强度,并通过试验分析,得到上覆厚硬岩层的脆性系数、脆性矿物含量、黏土矿物含量、成岩作用等参数,综合定量评价厚硬岩层的可压裂性大小.研究结...     

沿空巷道动力显现影响机制与防治技术研究

围绕鄂尔多斯深部矿井沿空巷道动力显现特点,结合现场实测数据分析沿空巷道覆岩空间破裂与采动应力场关联性及其对动力显现的影响,明确诱冲主因,制定针对性防治措施并进行实践验证.研究结果表明:回风巷近距离沿空侧覆岩破裂产生的动载为沿空巷道动力显现诱冲主因;沿空巷道顶板以上2～6.9 m厚度为4.9 m的粉砂岩层,顶板以上7.7～12.1 m厚度为4.4 m的砂质泥岩层,顶板以上29.2～34.5 m的粉砂岩、细砂岩组,顶板以上45.4 m厚度为8.8 m的细砂岩层为沿空巷道动力显现影响层位.通过基于沿空侧覆岩爆破区域微震分布特征的顶板预裂爆破效果分析,揭示顶板预裂爆破减冲作用机制.顶板预裂爆破实践应用效果证明了致灾因素分析及针对性防治措施的有效性.     

大断面综放沿空巷道基本顶破断结构与围岩稳定性分析

综放沿空巷道围岩稳定性与上覆基本顶破断运动及其形成的结构密切相关。以王家岭矿为工程背景,建立综放沿空巷道覆岩结构力学模型,推导基本顶破断位置表达式并确定沿空巷道上覆岩层破断结构形式;采用UDEC数值软件分析不同破断结构形式下综放沿空巷道围岩塑性区、应力和位移演化规律。研究表明:1)侧向基本顶的破断位置与基本顶厚度和力学性质、地基系数、破断块体间的相互作用力等因素有关,结合试验工作面地质生产条件确定基本顶于距煤壁约6.2m处破断。2)随着煤柱宽度由大到小,煤柱承载性能及对顶板支撑作用降低;加之巷道与基本顶破断线间距逐渐减小,巷道受基本顶回转运动影响愈发剧烈,致使沿空巷道顶板中心线两侧应力不均匀分布,进而诱发顶板和两帮不对称变形破坏现象,而且煤柱宽度越小,不对称矿压显现越强烈。3)窄煤柱沿空巷道围岩控制的关键在于对煤柱侧顶板和煤柱帮等变形破坏起始部位进行有效支护,限制变形破坏扩展。工程实践表明,35 d后巷道变形趋于稳定,顶板下沉量47 mm,煤柱帮变形量35 mm,实体煤帮变形量19 mm,巷道控制效果明显。     

直覆厚硬顶板沿空留巷巷旁支护方式研究

巷旁支护体成功切顶是直覆厚硬顶板沿空留巷成功的关键。通过建立沿空留巷上覆岩层结构力学模型,分析了不同巷旁支护方式下顶板破断结构,得到了强力切顶支柱能够减小顶板悬露长度;在上述研究的基础上,以某矿10106工作面沿空留巷为背景,采用数值模拟方法分析了2.4 m和3.0 m充填体、强力切顶支柱巷旁支护时支护体的应力状态及巷道围岩变形特征,得到了强力切顶支柱是具有高初撑力、高阻让压和恒定支护阻力的支护体,能够及时切顶,保证留巷稳定。现场监测表明,强力切顶支柱能够保证较好的留巷效果,满足安全生产的需要。