离层注浆条件下覆岩变形破坏特征的连续探测

覆岩破坏的发育高度及其分布形态是合理确定开采边界及留设防水煤岩柱的基础。为了探讨覆岩离层注浆条件对导水裂隙带形态的影响,采用前端泄露式多回路注(放)水系统,应用井下仰孔分段注水法对东滩煤矿14308工作面覆岩离层带实施注浆充填条件下综采放顶煤导水裂隙带的破坏特征进行了连续探测。探测结果表明:厚煤层综采放顶煤条件下覆岩离层带注浆时的覆岩采动导水裂隙带高度略高于正常条件下的覆岩采动导水裂隙带高度,走向方向的采动导水裂隙带高度低于倾向方向的采动导水裂隙带高度;离层带注浆时的覆岩破坏形态和范围向工作面外侧突出较大。     

近距离煤层回采巷道围岩破裂特征探测研究

某矿在近距离煤层开采过程中,10煤顶板受9煤层开采影响,顶板岩层结构变得十分复杂,采用智能钻孔窥视仪对10煤巷道顶板岩层结构及破裂特征进行了探测。结果表明:当巷道位于9煤采空区下方时,岩层完整性较好,裂隙发育较少;当位于9煤采区煤柱下方时,岩层水平节理裂隙十分发育,且有离层现象,顶板破裂范围达大于8.0m。基于此,提出当巷道位于采区煤柱下方时应普通"锚网梁索"支护的基础上进行"架棚"支护。     

密实充填矿压显现时空演化规律研究

建立和分析密实充填矿压显现时空演化力学模型,运用相似材料模拟方法研究充填开采条件下的采场矿压显现时空演化规律,并以邢台某矿充填实践为工程实例进行分析验证。研究结果表明:顶板下沉活跃期间,充填体受力与充填步距和推进时间呈正相关;在充填开采物理模拟中,顶板测点应力普遍经历了应力升高-急剧卸压-缓慢升压再到稳定的过程,且工作面前方顶板应力峰值和煤柱受力随着充填步距的增加而增大;充填体受力随着工作面推进而不断增加至趋于稳定,稳定后的顶板应力和充填体受力均小于原岩应力;停采后静置阶段,随着时间增长,充填区顶板依然存在缓慢下沉现象。某矿充填实测结果显示距离切眼15和40 m处的充填体压力为3.5和5.5 MPa,且顶板下沉和覆岩离层在工作面推进过程中均随着充填距离的增加和充填时间的推移表现出了规律性变化。     

三维应力条件下煤层底板采动破坏规律实验研究

以川煤集团白胶煤矿2481工作面地质资料为基础,利用自行研制的“多场耦合煤矿动力灾害大型模拟试验系统”,进行了三维采动应力条件下的三维模拟开采实验。通过应力监测、测量统计、色素示踪、照相素描等方法,对采动后的底板岩层破坏规律进行了研究。研究结果表明:底板岩层表现出“采前增压-采后卸压-压实回升”的动态受力特征;根据裂隙发育特征,可将底板裂隙带在走向上分为“开切眼裂隙发育区”、“采空区中部压实区”和“工作面裂隙发育区”,在竖直方向上分为“底板破断裂隙带”和“底板弯曲离层带”;确定底板最大破坏深度为14 m,为上保护层开采中被保护煤层瓦斯抽采的设计及优化提供了依据。     

覆岩离层区积水引发的采场突水机制研究

 通过工程探测和理论分析,就海孜煤矿745工作面巨厚火成岩条件下顶板异常突水事故的机制进行深入研究。研究结果表明：距开采煤层62 m的巨厚火成岩下封闭的离层区积水是引发745工作面异常突水的水源;按传统估算方法计算导水裂隙高度为25.3～36.5 m,不会沟通巨厚火成岩下的离层区积水,但由于离层区积水的载荷传递作用,导致下部2层亚关键层发生复合破断,使得顶板导水裂隙高度异常发育,沟通了离层区积水,这是引发745工作面异常突水事故的原因。突水机制表明,可以通过向积水离层区施工放水钻孔的方法来防治此类突水事故。     

浅埋极近距采空区下工作面顶板结构及支架载荷分析

针对浅埋极近距离煤层采空区下开采支架载荷确定难题,以神府矿区某矿极近距离煤层开采条件为背景,采用物理相似模拟实验和理论分析方法,揭示了采空区垮落顶板二次采动结构的运动特征,建立了极近距离采空区下开采顶板结构模型,得出了支架载荷计算公式。研究表明,上层煤顶板垮落稳定后在采空区形成"自由冒落区"和"斜柱条梁区"。极近距离下煤层开采时,"斜柱条梁区"的顶板结构运动分为铰接离层段和沉降压实段,通过建立这2个阶段的顶板结构模型,给出了支架载荷计算公式,确定了以沉降压实段的支架载荷作为工作面支架选型的依据,通过石圪台煤矿浅埋极近距离煤层开采实践分析,验证了公式的可靠性。     

岩溶矿区采动裂隙发育及溶洞破坏特征相似模拟

针对岩溶矿区煤层开采采动裂隙发育规律及其对溶洞稳定的影响问题,通过构建岩溶洞区域煤层开采模型,对煤层开采条件下的岩溶洞破坏特征以及岩层移动特征进行了分析,分析结果表明:在强烈的采动影响下,岩溶洞顶板最容易发生破坏,导致采动裂隙发育高度在岩溶洞顶板方向达到最大;在非均匀采动影响下,岩溶洞两侧岩层呈现极不均匀下沉,岩层以岩溶洞为端点发生回转,致使岩溶洞顶板和底板发生破坏。若此时,岩溶洞处于浅埋状态,则其顶板裂隙与地表容易贯通,使得地表土体颗粒流失,而底板裂隙造成岩溶洞内充填物漏失,岩溶洞顶板裂隙和底板裂隙的共同作用为岩溶地表塌陷创造了有利的客观条件。因此,在岩溶地区进行煤层开采时,应防止岩溶洞区域受到非均匀采动的影响。     

综放开采覆岩离层裂隙变化及空隙渗流特性研究

 通过相似模拟实验得出综放开采过程中覆岩离层裂隙变化形态, 给出关键层初次破断前后离层裂隙当量面积和不同裂隙发育区的空隙渗透系数的理论解, 在靖远局魏家地煤矿110 综放面实测基础上, 分析了采空区裂隙区域的空隙渗流特性。     

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。     

千米深井采动工作面矿压显现规律及覆岩位移特征研究

深部煤炭开采过程中,岩体受到高地应力和强开采扰动的作用,是典型的动静组合加载问题,特别是千米级深井开采中少有成熟工程可借鉴,井下衍生的一系列工程地质灾害直接影响回采安全。为探索千米深井采动工作面矿压显现规律及覆岩位移特征,以平煤十矿24130工作面为依托,构建矿压立体监测–覆岩离层位移监测体系,对采动条件下,保护层开采过程中工作面前方钻孔应力、锚杆应力与巷道顶板离层位移进行长效监测与数据分析。结果表明,深部煤岩体受开采扰动影响呈现出显著非线性力学特性,而非单一线性增减,且开采扰动不是在整个回采过程中均对矿压显现产生明显影响,而是在开采至距采面45～65 m与25 m以内2个范围内存在显著影响;在上述2个范围内推进速度增加,扰动效果显著,因而在围岩较破碎的区域适当降低推进速度至0.5m/d左右,可保证煤岩体结构完整,始终具有一定承载力;此外,釆动对巷道顶板矿压影响相较于巷道巷帮更显著,在支护设计时应该对巷道顶板加强支护;采面前方15～5 m范围为采动对覆岩位移的主要影响区域,该范围内顶板离层发育较快,且顶板离层发育速度受到工作面推进速度的影响更显著,表明该区域内适当控制开采速度在0.8～1.1 m/d时,可保证生产要求的同时更利于工作面前方顶板管理,为千米级深井的采面安全生产提供科学指导。     

近距离煤层上行开采巷道合理布局研究

以翟镇煤矿六采区二、四煤层上行开采为工程背景,为解决上层煤工作面巷道的合理布局问题,采用覆岩组合结构理论、现场实测和仿真模拟的手段,对下层煤采动形成的裂隙带综合形态特征及围岩集中应力分布进行重点研究。结果表明:在组合顶板条件下,裂隙带应是以岩层组为单位呈阶梯状向上发育的,现场实测得到的裂隙带发育高度也验证了上述形成机制;裂隙带空间形态呈现出一个向采空区内侧倾斜的拱形马鞍态,裂缝角为75°~78°;裂隙带内自下向上的分区破裂现象明显,上层二煤处于裂隙带上部的一般开裂区,在该区域布置回采巷道具有较大的可行性;数值模拟结果得到二煤层的断裂位置位于采空区侧3~5 m,内应力场分布范围在采空区侧6~10 m。在对下层四煤采后形成的裂隙带发育高度、空间形态、破裂分区以及集中应力分布进行综合研究的基础上,提出上行开采巷道内错式和外错式两种布局方案,有效避开了裂隙带及集中应力影响范围,取得了较好地现场应用效果。     

充填弱化坚硬覆岩冲击地压灾害机制研究

坚硬覆岩作为诱发冲击地压的主要因素之一，已经严重威胁煤矿安全高效开采。通过分析坚硬覆岩条件下冲击地压灾害的灾变过程及诱冲关键层能量的关键控制因素，给出诱冲关键层的判定方法，提出利用采空区充填和离层注浆充填弱化诱冲关键层致灾能量的思路，以2个典型煤矿坚硬覆岩下工作面采矿地质条件为背景，研究不同充填条件下诱冲关键层变形规律及致灾能量演化规律，揭示充填弱化坚硬覆岩致灾能量作用机制并给出相应的工程设计方法，最后通过现场实测分析进行验证。研究结果表明，坚硬覆岩形成的诱冲关键层变形产生的能量积聚、释放和传递是诱发冲击地压灾害的关键，采空区充填和离层注浆充填能够有效控制诱冲关键层变形，降低致灾能量的积聚程度和释放速度，同时，充填体可吸收部分能量并降低致灾能量的传递效率，进而实现弱化坚硬覆岩诱发冲击地压灾害危险性的目的。     

顶板诱导致裂的数字探测及其分形特征研究

为观测采空区顶板诱导崩落的实施效果,研究采动影响与人工爆破强制诱导耦合作用下顶板岩体内节理、裂隙等不连续结构面的发育与矿岩破裂失稳崩落的关系,采用数字式全景钻孔摄像系统对顶板诱导崩落预裂钻孔进行了探测。探测结果表明,在实施预裂爆破钻孔内预裂缝从爆破点直至孔底,宽度达到20～40 mm,炮孔处理后至今顶板平均跨落厚度为30～40 m,诱导效果显著。岩体内以高陡倾角、窄隙宽和短隙长的次生裂隙群发育为主,微裂隙群的扩展、贯通最终导致岩体由顶板底部向上逐步剥离冒落。耦合扰动与单一采动扰动岩体内裂隙的发育情况差异明显。采用分形理论对不同钻孔同一深度的裂隙发育特征进行描述,得出不同诱导作用下岩体内裂隙数分维值及关系曲线。分析表明,诱导作用下岩体内的裂隙产生及其演化具有自相似性,其分维值随着诱导步距的推进不断增大。     

巨厚煤层综放开采顶板离层水形成机制及防治方法研究

针对巨厚煤层在综放开采条件下的顶板离层水涌突水实例,分析离层水形成的基本条件,并对研究区可能产生离层的位置进行判别计算.重点介绍不同于我国中东部矿区的离层水防治措施,设计的地面直通式导流孔可以对离层积水进行有效疏放,并研究采高和离层水突水的关系以及工作面推进速度与离层空间积水量的关联性.研究对离层水形成条件的分析和针对西部特殊地层进行的离层水防治水设计为具有相似开采条件的矿井进行离层水害防治提供重要参考.     

平缓反倾采动滑坡形成的地质力学模式研究——以贵州省马达岭滑坡为例

 马达岭滑坡是典型的采矿诱发型滑坡,自然斜坡为平缓反倾层状结构。以马达岭滑坡为原型,采用物理模拟方法,研究两层开采条件下采动斜坡的变形过程,并分析该类斜坡变形破坏的地质力学模式。研究表明：煤层开采后采空区边界上覆岩体产生应力集中,导致采动裂隙首先产生于该部位,以陡倾竖向倾倒式裂隙为主,裂隙向采空区中部扩展并逐渐形成离层裂隙和剪切裂隙;变形稳定后采空区上覆岩层弯曲,在地表形成沉陷区;受采空区上覆岩层沉陷的推挤作用,外侧坡体沿煤层向坡外滑移,导致坡体下部隆起。该类斜坡变形破坏的地质力学模式可以分为：弯曲–拉裂(“表生”改造阶段)、塑流–拉裂、蠕滑–拉裂3个阶段。     

粒径级配对矸石压实变形特性影响研究

为研究矸石粒径级配对充填工作面充填体压实度的影响,以焦作九里山矿煤层顶板矸石,利用自制的矸石充填压缩模具进行不同粒径级配矸石压实试验,得到10种粒径级配的矸石应力-应变关系曲线,分析矸石粒径级配、轴向应力、含水率对矸石压实度的影响。结果表明:压缩矸石的应力-应变关系呈指数函数特征,矸石压缩过程分为三个阶段:速压密阶段、稳压密阶段、准压密阶段;矸石粒径对压实度影响较为明显,矸石的压实度与轴向应力呈对数函数关系;矸石的压实度与压缩率具有较好的相关性,采用泰波理论选取的最优方案压缩率比其他低,矸石的压实度相反;含水率为5.6%~5.8%时矸石压实度最优。     

负煤柱长壁工作面底板应力分布及破坏特征

为研究负煤柱长壁工作面底板应力分布及破坏特征,采用有限元–离散元耦合数值模拟方法构建FLACPFC数值模型,研究自开切眼、到采空区压实、再到岩层移动稳定全过程底板应力分布时空演化规律、底板破坏特征及矸石堆积对底板受力和破坏的影响,并基于弹性力学理论构建负煤柱工作面底板受力模型,对破坏深度进行理论推导。结果表明：(1)覆岩在采空区两侧形成非对称顶板垮落结构,矸石沿工作面倾向堆积于采空区下部,堆积形态亦非对称,二者共同作用造成底板非对称受力及破坏。(2)底板非对称破坏与顶板关键块回转下沉形成“瓶颈”结构,矸石继续向下堆积受阻。(3)矸石非对称堆积造成底板应力空间上“下大上小”,采空区两侧应力集中随先增强后减弱,底板应力经历压应力–拉应力–压应力演化过程。(4)数值模拟、理论计算及现场实测结果均验证了矸石非对称堆积造成的底板非对称受力及破坏特征。研究可为接续负煤柱长壁工作面巷顶沿空掘巷合理位置选择及围岩控制提供科学依据。     

基于基本顶断裂位置的综放窄煤柱煤巷非对称支护技术研究

针对王家岭煤矿20103综放窄煤柱煤巷顶板支护过程中出现的非对称大变形控制难题,采用钻孔窥视法对基本顶断裂位置和顶板双向移动特征进行现场实测,结合顶板煤体微裂隙非对称演化过程的CT识别,提出槽钢简式桁架锚索与单体锚索平行布置非对称支护技术,并对其组成结构和控制机制进行系统研究。得出:(1)距20103掘进工作面100~300 m长度区间,基本顶在窄煤柱上方距巷道横截面铅垂中心轴2.918 m位置断裂;(2)基本顶断裂后回转下沉引起巷道顶板发生两次离层和水平错动:一次离层和水平错动导致煤柱侧顶板沿巷道长度方向区域性断裂,二次离层和水平错动诱发煤柱侧顶板局部冒漏;(3)窄煤柱煤巷顶板煤体微裂隙演化过程具有明显的不对称性:水平错动带煤体微裂隙数量、发育速度和贯通速度大于扰动稳定带煤体微裂隙数量、发育速度和贯通速度;(4)槽钢简式桁架锚索和单体锚索平行布置非对称支护机制:重点突出、刚柔并济、点线结合、均衡承载。20103窄煤柱煤巷采用槽钢简式桁架锚索和单体锚索平行布置非对称支护技术,煤柱侧顶板和回采侧顶板变形协调一致,围岩控制效果良好,研究成果对类似工程条件的巷道支护具有一定的理论意义和实用价值。     

矸石充填整体置换“三下”煤柱引起的岩层移动与二次稳定理论

 根据条带开采特点,针对矸石充填整体置换“三下”煤柱引起的二次岩层移动等问题,首先简述煤柱开采与矸石充填过程,并分析二次岩层移动机制及特征,认为二次岩层移动是由矸石充填支撑体和承重岩层的共同压缩引起的,上覆岩层形成的弯曲带层面为波浪型下沉曲层;然后,根据充填支撑体的实际受力大小和极限强度,采用弹塑性力学及相关理论,推导“承重岩层+矸石充填体”承载体的二次稳定条件、安全系数、极限状态下的软化区宽度以及承载核区宽度的解析式,并给出矸石充填体压缩量w1和上覆承重岩层二次压缩量w2的计算公式,提出二次岩层移动下沉总量计算方法。宝源煤矿的实例计算表明“承重岩层+矸石充填体”承载体的安全系数Fs = 1.36,处于稳定状态;“承重岩层+矸石充填体”承载体总压缩量w = 0.833 m,矸石支撑体抵抗着较高的应力,维护着上覆岩层结构的二次稳定;数值分析表明,采空区上方应力得到充分释放,充填支撑体上方垂直应力呈马鞍形分布,承重岩层最大下沉位移平均值为0.801 m左右,接近理论计算值。     

水体下采煤中导水裂隙带高度的探测与分析

为准确探测出采煤工作面回采结束后,上覆岩层导水裂隙带发育高度范围,确保水体下采煤安全可靠,采用传统经验公式、井下封堵钻孔分段注(放)液裂隙测量系统及钻孔电视探测系统分别对工作面回采前后上覆岩层裂隙带的发育高度进行理论计算、定量探测和定性分析。结果表明:采用上述3种方法分别得到的导水裂隙带的发育高度范围为25.24~36.50,26.83~28.33和25.50~29.20 m。研究结果证实采用井下封堵钻孔分段注(放)液裂隙测量系统探测所得的导水裂隙带高度合理可靠,不仅为四台煤矿水下开采提供理论支撑,而且为其它矿井导水裂隙带探测提供借鉴和参考。