沿空留巷采场围岩力学特征数值模拟研究

为揭示沿空留巷采场上覆围岩的力学特征,以谢桥煤矿12418工作面地质和开采技术条件为背景,采用数值模拟进行了计算和分析。研究表明:工作面上覆围岩存在应力壳(高应力束组成)和老顶岩层承载结构,共同承担、传递和转移上覆岩体的荷载,工作面位于两者保护的低应力区内。工作面围岩破坏场发育在高应力集中区下的卸压区内,而破坏造成的离层区域位移量最大。沿空留巷的刚性充填体导致其自身和覆岩处于高应力状态,形成完整未破坏区域,降低了采空区上方破坏区的高度和范围,使本工作面采空区上方破坏区不能与临近破坏区贯通,瓦斯得不到有效释放和卸压。在倾向方向,工作面中部垂直位移大于上部和下部,对充填体产生向巷道内的水平推力,充填体水平位移较大,不利于巷道围岩稳定性控制。因此,合理控制充填体的强度和刚度是沿空留巷开采取得最佳效果的关键。     

基于厚硬岩层运动状态的采场应力转移模型及其应用

针对采场应力转移和厚硬岩层运动之间关系的问题,通过理论分析、数值模拟和微震监测等手段,首先,提出考虑水平应力影响的半封闭厚硬岩层采场空间模型及其平衡条件;其次,研究连续开采条件下覆岩状态及其载荷转移规律;最后,探讨采场竖直方向上水平应力转移机制。主要研究内容和结论:受水平应力影响的半封闭采场空间模型内,工作面开采同时伴随着覆岩破裂运动和应力转移2个过程,厚硬岩层不同运动状态是形成复杂覆岩结构和应力演化的主要原因;依据工作面两侧不同采动环境,划分工作面为首采、单侧沿空、两侧非充分采动、一侧非充分采动一侧充分采动和两侧充分采动等5种类型,分别得到了相应的工作面静态垂直应力大小;考虑水平应力集中影响的采场上覆厚硬岩层结构,得到了采场厚硬岩层水平应力集中估算方法及其拉伸破坏力学表达式。模型应用于5301工作面的开采实践,现场微震监测结果佐证了研究的合理性,并指导了工作面冲击危险性预测和安全开采,成果对相似条件矿井灾害防控具有指导意义。     

浅埋复采工作面厚硬岩层–煤柱结构模型及其稳定性研究

厚硬岩层和煤柱是浅埋复采工作面开采诱发动力灾害的主要因素。以山东高庄煤矿浅埋水采复采工作面为工程背景,为了揭示厚硬岩层运动和煤柱应力演化之间的关系及其组成系统失稳规律,提出采场"厚硬岩层–煤柱"结构模型,分析结构模型的不同岩层重力形式、范围大小和变形特征,推导出厚硬岩层岩梁在固支端集中力和周期破断步距表达式,并以此为基础,综合煤体煤柱"动–静"载应力与其综合支承强度之间关系,探讨了厚硬岩层–煤柱失稳的力学判据、煤柱应力变化特征及其灾害防控方法。研究结果表明:(1)厚硬岩层条件下,水采复采工作面能够形成连续的"┤"型空间结构,包括水平方向的"传递体"和高度方向的"支撑体",传递体周期性运动是形成支撑体煤柱煤体支承应力集中和转移的主要原因;(2)煤柱煤体的静态支承应力p主要由支撑体受到的自身岩层重力(G和FL)与传递体转移岩层重力F2共同形成,传递体结构的厚硬岩梁破断运动是产生动载应力pd的主要原因,阐释了厚硬岩层–煤柱结构模型的I,II–1,II–2和II–3失稳类型。成果成功运用于3上301工作面开采实践,微震和应力监测等结果佐证了预测模型的合理性,并通过实施冲击防控措施,最终实现了工作面安全回采。     

上保护层煤柱引发被保护层冲击机理研究

长城一矿和峻德煤矿所发生的由保护层煤柱引发冲击的案例表明,保护层煤柱影响范围内仍属高应力区,且工作面上方都存在坚硬的顶板。通过分析两起事故中被保护层煤体的赋存条件,探究发生此类冲击的影响因素。研究表明,典型的保护层煤柱诱发冲击主要有以下两种情况:(1)大采深小层间距下,以"高静应力为主,低动应力诱发"型冲击;(2)中等采深大层间距下,以"高动应力为主、低静应力诱发"型冲击。静力系由煤柱传递的应力和层间岩体的自重应力以及保护层采空区的残余支承压力组成,动力系主要是本煤层已开采工作面形成的侧向支承压力。建立了判断发生冲击地压的评估方法,为此类矿井的开采提供理论依据。并提出了工作面位置设计、合理布置巷道、预前卸压、加强监测的防治措施。     

综放工作面区段煤柱采动应力全周期时空演化分析

三向采动应力的大小、方向演化过程是揭示煤柱损伤破坏机制的关键。将综放工作面区段煤柱分为上部与下部2个区域，采用3DEC数值模拟方法，分析巷道开挖–右侧工作面回采–左侧工作面回采–回采稳定4个阶段煤柱三向采动应力全周期时空演化规律，揭示煤柱上覆岩层断裂结构–采动应力–位移的映射关系。基于模拟分析结果，采用莫尔–库仑强度准则分析煤柱莫尔应力圆的变换形式及莫尔圆与强度包络线的关系，确定煤柱的破坏深度约为8 m。研究结果表明：工作面煤层开采导致煤柱的三向主应力方向发生了大幅旋转，煤柱三向主应力数据呈现明显的两簇或三簇的规律，数据簇的分割点为右侧工作面推进至测线位置及右侧工作面回采完毕。工作面推进顺序不同导致煤柱上覆岩层的断裂结构呈现明显的非对称性，上覆岩层的断裂线向后开采的工作面进行偏移，导致煤柱左侧测点的水平位移量明显大于煤柱右侧测点。煤柱采动应力全周期时空演化规律及覆岩断裂结构–采动应力–位移的映射关系为揭示煤柱损伤破坏机制奠定了基础。     

近距离煤层卸压开采围岩力学特征试验研究

为获得近距离煤层卸压开采卸压层与被卸压层煤岩体变形、破坏特征和围岩支承压力分布规律,根据潘二煤矿7煤和6煤开采地质及工程条件,建立了7煤下行卸压开采和6煤上行卸压开采的相似材料试验模型。通过试验观测与数据分析,获得了单一煤层下行卸压开采(7煤)、上行卸压开采(6煤)覆岩运移、支承压力分布等围岩力学特征及多煤层(7煤和6煤)开采围岩力学特征的叠加演化效应。研究表明,被卸压层中的应力分布及变形特征与卸压层开采布置参数、层间距及岩层结构密切相关,而煤柱留设是影响卸压开采效果及被卸压层安全开采的关键因素,尤其是煤柱下应力集中区的巷道布置、围岩稳定性控制、煤岩动力灾害防治等是下行卸压开采的技术关键。     

“S”型覆岩空间结构煤柱导致冲击失稳的力学机制探讨

进入深部开采后,决定矿山压力显现程度的运动岩层在厚度和层面方向上已经超出传统的平面模型范围,所形成的覆岩空间结构的运动影响着采动应力场的分布,煤柱及其周围由于采动引起的应力重分布和应力集中是诱发煤柱冲击失稳的应力条件和根本原因。因此,通过分析覆岩空间结构的运动规律及其采动应力场分布,并以此探讨作用在残留煤柱的力源,是研究煤柱诱发冲击失稳机制的理论基础。以华丰煤矿六层煤残留煤柱为研究对象,通过研究四层煤开采形成的“S”型覆岩空间结构岩层运动特点和六层煤上覆岩层运动规律,分析作用在煤柱上的复合应力,探讨煤柱力源,通过应力计算和微地震监测分析煤柱及其周围的应力场的分布规律,研究煤柱导致动力失稳的应力条件和机制,研究结果表明,四层煤和六层煤开采形成的高应力是煤柱诱发动力失稳的应力条件,而煤柱及其周围形成的高应力差是动力失稳的根本诱因;基于煤柱应力分析,探讨高应力区煤柱卸压解危的措施。     

大采高双巷布置工作面巷间煤柱合理宽度研究

巷间煤柱合理宽度的确定是确保大采高双巷布置工作面安全回采的关键。以亭南矿二盘区204大采高工作面双巷掘进运输顺槽和瓦斯抽放巷之间的煤柱为工程背景,首先通过现场应力监测的方法对巷间煤柱受双巷掘进及2次采动过程中的破坏规律进行了系统的研究,得出一次采动影响后靠近采空区侧煤柱的破坏区域宽度约为3 m;上位岩层低应力区域宽度约为18 m;一次采动后煤柱应力分布曲线呈不对称形态;二次采动影响后煤柱应力分布曲线呈不对称"马鞍状",巷间煤柱边缘累计破碎宽度略大于9 m;同时对2次采动影响后煤柱的破坏区域进行了划分,初步确定巷间煤柱优化范围在5.2~13.0 m之间。其次采用数值模拟的方法分别研究了2次采动影响下宽度为4,6,8,10,12 m的5种不同尺寸巷间煤柱的应力演化规律、弹塑性区域变化规律和巷道变形规律,同时综合考虑安全生产、资源回收率等因素,最终确定大采高双巷布置工作面巷间煤柱的合理尺寸为10 m。最后通过工程实践验证了巷间煤柱留设的合理性。该研究结果可以为类似开采条件下巷间煤柱的留设提供参考。     

大倾角煤层工作面采场围岩矿压分布规律光弹性模量拟模型试验及现场实测研究

以平煤集团香山矿戊9-0-22090大倾角煤层工作面为工程背景,通过室内光弹性模拟模型试验和工作面现场矿压实测,对大倾角煤层工作面开采后采场围岩矿压分布规律进行研究.光弹试验和现场实测结果表明:倾角对煤层工作面开挖后采场围岩应力分布、支承压力的分布有显著影响.大倾角煤层工作面开采后,采场顶板岩层的变形、破坏和运动形式不同于一般缓倾斜煤层工作面,采场支架载荷的分布、来压显现程度、来压步距沿采场倾斜方向均不同.工作面煤层开采后,采场顶板应力分布是高度不均匀、不对称的,在采空区两侧保护煤柱角高度集中,形成支承压力区,采空区上方形成支承卸压区.采场顶底板应力释放,两侧煤柱出现应力集中,采场四个角部位出现较大剪应力.剪切应变主要出现在采场下端部顶板和上端部的底板,而体积应变主要出现在煤层较近顶板和两侧煤柱.研究成果,对香山矿和类似条件下大倾角炮采煤层工作面的开采和顶板的支护的优化和管理具有一定的指导意义.     

综放工作面围岩应力分布的实验研究

在成庄矿综放开采三维相似模拟实验观测数据的基础上,对采场围岩应力分布进行的分析研究表明,在工作面前方,煤体和上覆岩层受到支承压力作用影响而产生的应力增加是同步的,应力明显增加的趋势也相似,工作面上方21 m顶板测点在工作面前方10～12 m开始卸压,在工作面推进43～52 m后,应力值降为0.对不同煤层厚度及不同开采方法的采场围岩进行了UDEC数值模拟,结果表明,上覆岩层所形成的大变形梁的层位与开采厚度不成线性关系,甚至在一定的范围内波动不大,与上覆岩层总厚度相比,开采厚度显得非常小,采空区的上覆岩层重量都是以一定角度向工作面前方煤岩体传递,这一角度体现在UDEC模拟中的主应力方向上.     

岩浆岩侵入区巨厚煤层掘进巷道冲击地压机制研究

针对岩浆岩侵入区采掘期间冲击地压频繁发生的实际问题,运用理论分析、数值模拟以及工程实践等研究方法,研究岩浆岩侵入区巨厚煤层掘进巷道冲击地压机制。主要结论如下:基于弹塑性理论推导出巨厚煤层巷道围岩应力分布计算公式,由此绘制应力分布等值线图,结果表明最大主应力方向、最大剪应力集中区位置均与煤层倾向相垂直,煤层倾角不能改变最大主应力和剪应力的集中程度,而侧压系数对最大主应力集中程度的影响较大。坚硬岩浆岩顶板在采空区上大面积悬顶导致其附近大面积煤体应力的整体升高,为冲击地压发生提供了静载荷;掘进施工诱发岩浆岩局部侵入带能量的瞬时释放,为冲击地压发生提供了动载荷;综上分析,建立岩浆岩侵入区巨厚煤层掘进巷道冲击地压的力学模型,得出冲击发生判据,进而获得冲击地压发生机制。应用研究成果,较好地分析了矿井实际掘进巷道冲击地压的发生机制,并有效地指导了冲击地压防治实践。     

浅埋房式采空区下长壁采场动载矿压发生机制

为了揭示浅埋房式采空区对下位煤层开采矿压显现的控制机制,降低工作面过房式采空区的动压显现强度和压架风险,以神东矿区霍洛湾煤矿2-2煤层房式采空区下3-1煤层长壁开采工作面动压特征为研究对象,将3-1煤层覆岩结构分为四类,利用理论分析和相似材料模拟等方法,系统研究了不同覆岩结构类型运动特征、力学模型及对3-1煤层长壁工作面的动压控制机制。结果表明:房式采空区稳定房柱下易形成上下位关键层双悬臂梁结构,双悬臂梁结构协同失稳是形成动载矿压的主要原因;房柱失稳区主关键层形成的不稳定砌体梁结构及靠近大煤柱未失稳的房柱随下位煤层开采滑落失稳是导致长壁工作面动载矿压发生的原因;当3-1煤层工作面上覆前方为房柱失稳区时,工作面推出集中煤柱时的动载矿压是由于大煤柱两侧关键块已提前滑落失稳,两关键块间无作用力,倒梯形岩柱与亚关键层联合失稳作用结果;当3-1煤层工作面上覆前方为房柱稳定区时,工作面推出集中煤柱时,动载矿压是由房柱失稳所致。     

四面采空“孤岛”综放采场矿压控制的研究与实践

论文通过理论和实践研究,提出了四面采空“孤岛”采场的顶板结构和相关矿压控制技术。此类采场矿压控制的理论问题,是采场覆岩的多层空间结构运动及其与采动应力场的关系;其工程问题,是煤柱失稳造成的灾害形式及其判定方法、煤柱失稳的灾害的控制技术以及水、火和瓦斯的控制问题。论文通过河南义马煤业集团的实例,系统介绍了灾害监测技术和控制方法。开采结果表明,论文中提出的对岩层结构的认识和采取的控制技术是正确的,可以在条件相似的矿区推广应用。     

采场覆岩厚关键层破断与冒落规律分析

具有良好分层性的采场覆岩破断规律己被基本掌握，但对于厚关键层(特厚层砂岩老顶)覆岩的采场矿压规律还需深入研究。运用岩体破裂过程分析系统，结合某矿区实际覆岩构造特征，分析了具有厚关键层的采场覆岩的破断与冒落规律。研究表明：厚关键层的破断、垮落规律与长梁(或薄板)矿压理论存在根本差异，其初次破断与冒落形态为拱形，周期破断与冒落呈不等长的短块状。厚关键层来压具有多样性和随机性，不同形式的采场来压对支架的作用不同，大块滑落失稳对采场支架的威胁最大，对采场矿压控制提出了严峻的挑战。该研究成果为实际采矿设计与矿压控制提供了理论依据。     

深井富水工作面“动—静”应力效应诱发冲击地压机理研究

冲击地压的发生是一个多因素诱发的结果。以郓城煤矿1301工作面为工程背景,研究“动—静”应力效应诱发的（“动”指工作面回采时,上覆岩层运动对前方煤体施加超前支承压力及扰动;“静”指水仓突水后,煤层上方相当于开采一个解放层,突水区域上覆岩层部分应力向周边转移,使突水区域周边的静应力升高）新型冲击地压发生的机理,本文采用采用理论分析、现场监测、工程试验、数值模拟等方法研究了冲击地压发生的应力来源、突水造成的煤体岩性改变特征、工作面回采的动态影响等,得出以下结论：①突水打破了原岩应力平衡,使其周边煤体静应力升高,这是冲击地压发生的静应力来源。②煤体浸水30天,使煤体的强度大幅降低,使其在同等应力作用下增大了“蠕变”冲击发生的风险。③1301工作面回采,超前支承压力是发生冲击地压的动应力来源;超前支承压力与高静应力叠加,增大了应力的集中程度,再加上上覆岩层对高应力集中区的动态扰动,使冲击地压发生的风险进一步加大。该方法对于富水工作面的防冲评价具有重要的参考意义。     

高位厚硬顶板断裂与矿震预测的关系探讨

以南屯煤矿9303工作面为工程背景,研究了孤岛“综放”工作面发生矿震的水平应力突变的力学机理。通过将上覆岩层中的各坚硬岩层简化成两对边简支、两对边固支的弹性矩形薄板力学模型,并对固支端施加由采动引起的水平应力,即以水平应力作用下的两对边简支、两对边固支弹性矩形薄板为力学模型,分析了9303工作面上覆坚硬岩层的应力分布,并研究了其极限垮落步距。以此为基础,预测了南屯9303工作面发生矿震并诱发冲击地压的步距,在此基础上对预测的危险区进行了卸压。在预计的位置发生2.6级矿震时,没有造成灾害,证明了厚硬顶板断裂引起的矿震是可以预测的。     

大断面强采动综放煤巷顶板非对称破坏机制与控制对策

 针对大断面强采动综放煤巷开掘过程中出现的顶板非对称变形破坏现象,以王家岭煤矿为工程背景,通过现场调研、室内试验、理论分析、数值模拟和井下试验等手段,对变形破坏机制与控制对策进行研究。得出如下结论：(1) 综放煤巷顶板呈现非对称变形破坏特征,表现为煤柱侧顶板严重下沉、剧烈水平滑移变形及肩角部位顶板错位、嵌入、台阶下沉等;(2) 侧向基本顶于煤柱上方距采空区边缘6～7 m处发生破断,基本顶的破断和回转下沉运动引起的不均衡支承压力q和回转变形压力?是沿空巷道不对称变形破坏的根本力源,靠煤柱侧顶板及肩角部位是巷道变形破坏的关键部位;(3) 受采空区不稳定覆岩运动和巷道开挖影响,巷道围岩结构和应力分布以巷道中心线为轴呈非对称性分布,而原有支护未能对煤柱侧顶板及肩角等部位加强支护且无法适应顶板剧烈水平运动,巷道掘出后呈现出非对称矿压显现,后期受到本工作面回采影响,非对称变形破坏进一步加剧。(4) 分析该类巷道支护原理,提出集高强锚梁网、非对称锚梁桁架结构、预应力锚索桁架的非对称控制体系,阐述其控制机制,并进行方案设计和工程应用。数值模拟和工程实践表明,该技术可有效减弱顶板应力和位移分布的非对称性,控制围岩非对称变形破坏。     

定向水力压裂控制煤矿坚硬难垮顶板试验

 针对煤矿坚硬难垮顶板控制的研究现状及存在的问题,进行定向水力压裂控制煤矿坚硬难垮顶板井下试验。通过在压裂孔两侧布置监测孔和在压裂过程中实时监测泵压变化,深入分析煤矿坚硬难垮顶板水力压裂特点。试验结果表明：(1) KZ54型切槽钻头能够在坚硬岩层中预制横向切槽,可有效降低裂缝破裂所需压力;(2) 采用跨式膨胀型封隔器可对岩层坚硬段分段逐次压裂,压裂过程中可在顶板中产生多条裂缝,从而有效弱化顶板;(3) 随着压裂处与孔口距离的增大,裂缝破裂和扩展所需的压力也相应增大,裂缝的扩展半径最大可达20 m;(4) 在压裂过程中,由于岩层均匀性、渗透性、地应力场、岩层结构面等影响因素的变化,压力–时间曲线呈现出多种形态;(5) 岩石抗拉强度与地应力值较为接近时,岩石强度对水力压裂有较大影响。