极近距离煤层群重复采动围岩力学特征研究与应用

采用相似材料模拟、数值模拟和现场应用的综合方法对极近距离煤层群重复采动极易引发动力灾害问题进行了研究。结果表明：煤层群重复采动过程中下伏工作面推进至85m时顶板与上伏工作面采空区出现贯通,导致下工作面周期来压呈不规律现象|下伏工作面前垮落角随着工作面的推进整体呈下降的趋势,后垮落角呈上升的趋势,且都在工作面推进至85m左右时角度发生明显变化|与初次采动相比,重复采动过程中应力集中程度相对缓和,卸压区域影响范围较大,当工作面推进至初次采动工作面煤柱影响区附近时,容易引发应力急剧增长及强动压现象。提出了“时间-空间-强度”相统一的极近距离煤层群重复采动条件下工作面强动压现象防范措施,保障了工作面的安全生产。     

近距离煤层群下部巷道围岩稳定控制技术研究

以某生产矿井采空区下运输顺槽掘进为工程背景,采用理论分析和数值计算方法对巷道围岩变形破坏特征进行研究。模拟结果表明,上部煤层底板破坏深度大于煤层群间距,直接关系到下部煤层的安全开采;上部煤层引起的应力降低区有利于下部煤层巷道掘进;上部煤层开采形成的裂隙区,增加了巷道围岩稳定维护的难度。基于此研究成果,提出加强支护技术方案。     

近距离煤层群叠加开采采动应力-裂隙动态演化特征实验研究

围岩应力、裂隙分布特征是影响突出危险煤层瓦斯抽采效果的重要因素,为优化突出危险煤层群瓦斯预抽方案,以沙曲煤矿近距离煤层群开采为背景,采用相似模拟实验研究了保护层与被保护层双重采动影响下围岩应力-裂隙分布与演化特征。结果表明：3+4号煤初采时,叠加采动的影响下,顶底板卸压程度较一次采动影响时高,但高卸压程度阶段持续长度减少,约105 m,底板最大应力降低值可达12 MPa,是保护层开采时最大应力降低值的1.5倍;进入正常推进阶段,仅距采空区两侧煤壁一定范围L内仍保持较高裂隙发育和应力降低程度,且较保护层开采时L值减小,20~30 m,采空区中部覆岩裂隙再次闭合,围岩应力出现恢复现象;工作面推进距离一定条件下,双重采动影响下顶底板卸压程度及裂隙发育程度较一次采动影响下明显升高;被保护层开采时,3+4号煤同2号煤之间岩层破碎程度最高,裂隙最为发育,覆岩裂隙发育程度随工作面推进距离增加而升高,由于形成稳定顶板结构的随机性,覆岩裂隙频数程台阶式增长。最后将研究结果应用于沙曲煤矿高瓦斯煤层群开采时瓦斯抽采钻孔的布置设计,取得较好的抽采效果。     

近距离煤层上行开采围岩应力演化特征分析

基于潘一东煤矿地质概况及原始地应力测试数据,采用相似模拟与数值模拟相结合的方法,分析了近距离煤层上行开采过程中两煤层采场超前支承压力变化规律和覆岩裂隙发育特征。结果表明:下保护层开采弱化了覆岩关键层的承载能力,采空区后方形成的覆岩断裂线对上覆被保护层基本顶初次垮落步距具有一定影响;下保护层采场超前支承压力峰值呈线性增长趋势,而被保护层采场超前支承压力峰值受保护层采动影响呈增大—稳定—减小的趋势,工作面推进距离达到1/2“见方”及“见方”时,悬顶岩梁会发生大面积垮落失稳,应注重采场动力灾害防治工作。     

近距离高瓦斯煤层群采动裂隙带瓦斯抽采技术

为了解决沙曲矿近距离高瓦斯煤层群开采过程中瓦斯超限这一难题,运用理论分析和数值分析相结合的方法对沙曲矿南翼4号煤开采采动裂隙演化规律进行了分析,确定了高位裂隙钻孔组的合理布置位置。结果表明:采空区垮落带和裂隙带高度分别为8、36.5 m,贯通裂隙带距工作面顶板垂高8~23 m,非贯通裂隙带距工作面顶板垂高23~42 m,工作面上方22 m左右裂隙分布密集且覆岩整体结构相对稳定,将钻孔延深至该区域能有效提高瓦斯抽采的浓度、抽采量和稳定性。现场实践表明:利用DDR-1200型千米定向钻机,将钻孔布置在距工作面上方22 m处时,瓦斯抽采效果明显,平均瓦斯抽采体积分数90.68%,平均瓦斯抽采纯量达11.58 m3/min。     

近距离煤层群开采覆岩结构及围岩稳定性研究

依据东曲煤矿2号煤层和4号煤层近距离赋存特点,结合东曲煤矿4号煤层14214工作面的生产技术条件,采用理论分析和UDEC数值计算的方法,对东曲煤矿近距离煤层群开采覆岩结构及围岩稳定性控制问题进行了分析探讨。结果表明:受上层2号煤层采动影响,4号煤层14214工作面开采时直接顶板节理裂隙发育充分,呈块体结构,其上为2号煤层开采后垮落的散体矸石,而呈规则垮落的2号煤层中砂岩上位顶板呈"拱式"结构;"拱式"结构周期性的再次失稳使工作面产生来压增载现象,但失稳来压步距小、强度低,动载特征不明显,表现为较大的静载荷作用;提高工作面液压支架初撑力能有效抑制直接顶板裂隙的进一步扩展;采用煤层及顶板预注浆可对煤壁片帮及端面冒顶起到良好的控制作用。     

近距离煤柱下巷道围岩裂隙演化规律研究

针对近距离煤层斜穿遗留煤柱巷道围岩大变形难题,基于登茂通矿地质条件,构建UDEC-Trigon数值模型,分析了距2~#煤层区段煤柱中心0、10、20、30 m处巷道围岩变形破坏特征及裂隙演化规律;结果发现:掘进期间,距煤柱中心0 m,两帮变形破坏严重,两帮移近量达602 mm,呈对称分布,距煤柱中心10 m,两帮变形呈不对称分布;回采期间,巷道变形破坏程度显著加剧,距煤柱中心10 m,顶板结构易失稳破坏,变形具有不对称性,距煤柱中心20 m处,巷道顶底板变形严重,距煤柱中心30 m处变形破坏相对较小。研究表明:距2~#煤层区段煤柱中心不同位置处巷道结构变形破坏呈显著差异性,围岩变形与裂隙发育呈正相关,小变形时以剪切裂隙发育为主,围岩失稳破坏伴随张拉裂隙快速增加。     

近距离煤层群超长工作面采场矿压分布及围岩运移规律研究

以叙永一矿15采区缓斜近距离多煤层群为研究对象,采用离散元数值模拟软件UDEC 6.0分别对其C_(19)、C_(20)、C_(24)煤层开采过程中的采场围岩运移情况及应力分布规律进行了系统地分析研究,揭示了缓斜近距离多煤层群采动影响区内的复杂应力场分布、上覆岩层变形破坏形态及煤层间相互影响规律,所得研究结果可为近距离多煤层群的安全、经济、高效开采提供一定的参考及补充。     

近距离煤层群开采底板不同分区采动裂隙动态演化规律

为了研究采动影响下底板不同应力分区裂隙动态分布及其演化规律,运用弹塑性力学和卸荷条件下断裂力学等相关力学理论分析了不同分区裂隙张开、扩展力学机理,提出不同分区裂纹扩展的应力、位移条件,通过FLAC3D和UDEC数值模拟软件分别研究了底板三维应力状态、位移变化和裂隙演化规律,对底板应力分区做出量化,同时得到采动影响下底板裂隙发育“O”形圈及其动态变化。通对底板不同分区内裂隙的发育倾角统计结果分析,得到了底板不同分区裂隙发育特点：压缩区裂隙多为弯折拉伸裂纹,方位角大致为垂直方向;过渡区裂纹多为反向滑移和弯折扩展裂纹,裂纹倾角多为45°以上;膨胀区多为Ⅱ型剪切裂纹,倾角大部分在45°以下;裂隙发育特征与力学分析相吻合。     

近距离厚煤层组工作面覆岩破坏规律实测研究

为深入研究近距离厚煤层组综放开采覆岩破坏规律,并为合理留设露头区安全煤(岩)柱提供数据依据,指导浅部工作面防治溃水、溃砂等水害事故,以大屯矿区7,8煤近距离厚煤层组工作面为例,在前期上层煤(7煤)覆岩破坏规律观测研究的基础上,近期采用井下“两带”观测仪观测了下层煤(8煤)的“两带”高度发育特征,从而在我国率先全面实测了近距离厚煤层组工作面覆岩破坏规律。结果表明：上层煤的底板破坏范围与下层煤垮落带发育范围有重合区域时,下层煤垮落带高度增大;下层煤综放开采按综合采厚计算的裂采比与以往单一煤层的裂采比较为接近,但按下层煤采厚计算的裂采比高于综放开采单一煤层的裂采比52%。“三下采煤规程”中的“两带”高度预计公式在近距离厚煤层组综放开采条件下应当进一步完善。     

近距煤层高效保水开采理论与方法

地下煤炭资源开采极易导致珍贵的浅表水资源流失,从而造成地表植被死亡和生态系统失衡。为保护维系西部矿区生态环境的浅表层水(河流湖泊水和第四系砂层潜水),尤其是为保护地下潜水(生态)水位,基于前期已取得的浅埋单一煤层保水开采理论成果和岩层控制工程经验,提出保(生态)水位和突水防治一体化的近距煤层水资源保护性采煤构想。以"高效保水采煤"为目标,针对近距煤层与极近距浅表水下开采条件,研究解决反复开采扰动区区域覆岩导水裂隙协同控制、极薄阻隔层低损伤控制,以及采掘面涌(突)水灾害监测预警等技术难题。提出长壁保水采煤方法、壁式连采连充保水采煤方法和采掘面突水红外监测辐射预警方法,实现近距煤层安全高效保水采煤,具体包括近距煤层岩层控制、采动覆岩导水裂隙带高度计算、隔水层变形计算和承载煤岩红外辐射响应等理论和特征,以及反复开采扰动区域导水裂隙控制、充填体主动接顶和"采-支-运"快速作业等技术。最终确定了保水开采薄弱区,形成基于水资源保护的浅埋近距煤层工作面优化布置、采煤方法配置与水资源运移监测的高效采煤理论与方法体系。研究成果已在陕北与华北等矿区进行了保水采煤实践,为实现我国煤炭资源的绿色化开采提供支撑。     

近距离煤层蹬空开采围岩应力及裂隙演化规律

针对蹬空状态下煤层底板岩层完整性与承载力影响制约工作面安全高效开采的问题.以草垛沟矿8201综采工作面为研究背景,通过对8-2煤层下伏11煤巷柱式采空区顶板岩层结构与受载进行分析,建立基于弹性地基假定的顶板-煤柱系统力学模型,推导并解析了顶板岩梁弯曲下沉挠度函数;将工作面底板视为半无限平面体,建立工作面走向不同区段静载...     

浅埋深薄基岩煤层组开采采动裂隙演化及台阶式切落形成机制

探索浅埋深薄基岩煤层组开采采动裂隙演化对认识溃水溃砂通道形成机制具有指导意义。基于大柳塔矿地质条件,设计相似模拟试验,首采1-2上煤层,充分开采后再采1-2煤层。由此,揭示采动裂隙演化规律,指出上煤层采动碎胀作用明显,下煤层采动地表下沉线性增长明显。利用分形与逾渗理论定量评价了采动裂隙的演化特征。上煤层开采,根据周期来压特征,分维变化划分2个线性阶段。下煤层开采,非线性受控于上覆煤层引起的分维变化,分形维数将趋于一个稳定值。进一步揭示了采动裂隙逾渗概率随推进度的线性关系的,得到整个煤层组开采覆岩裂隙非线性演化的2个临界状态。研究了切落式破坏形成机制,提出了岩层板簧效应并分析了崩塌式切落特征,指出拉破坏是典型切落式台阶形成的主要原因。     

基于SMP强度准则的岩石残余应力与围压的关系

为探讨岩石的残余强度与围压的关系,本文通过选取适当的模拟函数模拟二者关系,建立基于SMP破坏准则的残余强度与围岩的关系,并通过矽卡岩和大理岩两种岩石的试验结果进行分析,研究表明：该方法较目前采用的Mohr-Coulomb和Hoek-Brown两个准则所建立的残余强度与围岩关系更能合理解释试验结果。     

多煤层开采采场围岩内部应力光弹力学模拟研究

应用相似理论和光弹性力学模拟实验方法,对多煤层同采条件下采场围岩应力场特点以及相互影响关系进行了研究,得出了3组4层煤开采时采场围岩应力分布规律、应力集中程度及其相互之间的影响范围和影响程度。模拟结果对合理确定煤层群开采顺序以及回采巷道和区段煤柱合理布置具有理论和实际意义,同时为多煤层同采采场矿山压力理论研究和生产实践提供了可靠的参考依据。     

采场围岩变形与破坏监测技术研究进展及展望

深部煤炭资源开发面临更多复杂、多变、高难的开采地质问题,采场围岩形态结构是矿井安全生产的重要评价指标之一,开展采场围岩变形与破坏测是判别矿井隐蔽致灾地质问题的重要技术保障。在煤炭工业快速发展的近20余年时间里,围岩体形变监测技术取得了长足的进步,基于矿山采场围岩体变形与破坏的影响因素,按照监测形式对监测技术进行了划分,归纳了当前用于矿山采场围岩变形与破坏监测的钻孔测试技术、地球物理探测技术、光纤监测技术及其他测量技术及其特点,结合煤层顶底板、巷道两帮空间监测的工程应用实例,介绍了不同监测技术的主要进展、优缺点以及适用性,讨论了探测技术的革新趋势和未来矿井安全生产中采场围岩变形与破坏监测技术的发展方向。同时,也认识到现有监测技术虽然已取得显著的监测效果,但是仍不能够满足矿井现代化、智能化生产需要。对于监测技术的进步而言,既需要技术装备的不断优化,更是要跨学科、跨专业科学技术理论的完善与更新。在当前地学大数据、云计算、人工智能新一轮科技创新基础上,今后采场围岩变形与破坏的监测技术必然向多元化、多参数、智慧化、全程监控的方向发展,监测方式也将不断地向可视化、动态化的监测预警模式过渡,融合监测技术发挥多参数的作用将越来越重要。     

煤体破裂分形特征与声发射规律研究

探究离散性影响下煤体力学行为演化机制及失稳预测方法是有效提高冲击地压预测准确性的关键,开展煤受载破坏声发射监测试验并对破碎块体筛分统计,获得了强度、块体分形特征、声发射信号规律及其相互关系。研究结果表明:受裂隙及夹矸等影响煤体内部形成承载结构缺陷区导致其强度具有显著离散性,含有夹矸或裂隙越多,煤体受载过程弹性区越短承载能力越低,破碎后完整性较高,峰后软化特征明显,煤体单轴压缩破坏块度分形维数为2.08~2.60略高于岩石,碎块分形维数随峰值应力增加而升高,将质量频率分布曲线的斜率定义为碎块密集度(k),碎块密集度越小煤体分形维数越大,破碎块体的数目越多体积越小破碎程度越高;煤体受载过程声发射能量、信号密集度和能量累积量随强度正相关变化,声发射累积量正比于分形维数,结合试验统计结果,深入分析了声发射能量与分形维数间的内在联系,并建立了声发射累积总能量随分形维数变化的经验公式,研究成果为定量的分析声发射信号与煤体力学行为间相互关系提供指导。     

煤层群上行开采对上覆煤层运移的影响

综合运用理论计算、现场实践、UDEC数值模拟分析等方法对赵各庄煤矿煤层群上行开采选择不同首采厚度时上覆煤层的运移破坏特征及对上煤层瓦斯的卸压效果进行了分析,并结合现有开采技术条件,最终确定首先开采12号煤4 m顶分层,然后开采9号煤,最后利用放顶煤工艺开采12号煤的下分层是科学合理的开采方式。