煤层底板采动应力效应及其力学作用机制研究

煤层底板突水的实质是采动应力诱发底板岩体变形破坏,引发煤层底板突水.掌握底板岩层的破坏规律是承压水体上安全开采的首要问题.根据开采过程中回采工作面前后方支承压力分布规律,利用弹性力学理论,建立了煤层底板应力计算模型,分析了随着回采工作面推进煤层底板沿深度方向的最大主应力和最小主应力分布规律与底板剪切破坏形式.运用工程中常用的莫尔库伦准则,提出了煤层底板岩体的破坏判据.煤层底板的破坏易从回采工作面附近开始,向回采工作面后方采空区由浅而深发展,破断面呈抛物状弧面.应用直流电阻率法CT技术,在淮北孙瞳煤矿1028工作面风巷中煤层底板位置施工2个钻孔,在孔中埋置一定数量电极,形成孔间探测剖面,对煤层底板采动裂隙演化过程中的岩层电阻率响应特征和1028工作面底板破坏深度进行了动态综合探测.探测结果表明:1028工作面煤层底板在支承压力和底板承压水水压共同作用下,煤层底板的破坏范围在0～17m;在此范围内煤层底板岩层中垂向裂隙和层向裂隙发育明显,超过17m后底板岩层受采动影响较小,底板最大破坏深度约17m.通过直流电阻率法CT技术现场实测验证了理论分析是正确的和可行的.     

煤层底板卸荷扰动断裂机制宏细观研究

基于断裂力学和重整化群理论,采用综合研究方法,从宏细观角度对开采扰动底板损伤岩层动态失稳机理进行了研究。结果表明,煤层回采后,底板岩层存在高应力束组成的主应力拱,最大主应力大小决定裂纹的起裂与扩展,裂纹的生长路径受控于最大主应力的方向。采场高支承压力引起岩层原始裂纹起裂,宏观上表现为底板岩层的预先剪切随机破坏;近场区域最大主应力场部分偏转,引起底板岩层中垂直应力显著降低、浅部水平应力急剧增加和斜向采空区方向产生高剪应力,迫使裂隙在原有扩展长度基础上进一步生长;工作面继续推进,采空区内底板岩层水平方向上压缩和竖向膨胀引起岩层拉破坏,当底板岩层损伤发展到临近损伤值时,极小范围的扰动被强烈放大,底板岩层由随机破坏转为"雪崩"式宏观断裂。     

采动与承压水耦合作用下煤层底板的 力学效应及破坏机理分析

应用三维弹性中厚板理论,分析了采动与承压水耦合作用下煤层底板的力学效应及破坏机理。基于Hamilton原理推导了采空区底板在采动和水压耦合作用下的变形和应力表达式,分析了其变形和应力的分布特征。最后,推导了在采动与承压水耦合作用下煤层底板破坏极限载荷PS,讨论了影响煤层底板破坏极限载荷PS的因素。研究成果对揭示回采工作面开采时煤层底板隔水层变形破坏,预防煤层底板突水提供了理论依据。     

巨厚砾岩作用下底板冲击地压诱发机理及过程

以千秋煤矿21141工作面下巷冲击地压发生的地质和采掘情况为基础,建立煤层巷道底板冲击地压诱发机理模型。水平应力的大小是影响巷道底板岩层稳定性的最主要因素,并确定最大水平应力的计算方法。采场上覆巨厚砾岩层断裂所产生的动载扰动能使巷道底板水平应力瞬间积聚升高。数值模拟分析得出,随着动载应力和加载时间的增加,巷道底板变形量、变形速度和加速度都明显的大幅度增加;同时巷道围岩塑性区也逐渐扩大。研究表明采场上覆巨厚砾岩层断裂、垮落对煤层巷道所产生的动载扰动会诱发规模较大的冲击地压,巷道底板由于缺少有效支护会成为冲击破坏的突破口。     

低透气性突出煤层群首采层掏心无煤柱开采卸压消突与瓦斯治理试验研究

针对深井高瓦斯低透气性突出煤层群消突和首采层开采卸压瓦斯治理难题,以谢桥煤矿11426工作面开采为例,设计首采中间层无煤柱开采、实现上下突出煤层均消突的技术方案,研究了Y型通风工作面采空区瓦斯及风压分布规律,结合煤层群开采巷道布置条件,提出并实施留巷侧井下暗立眼回风阶段留巷Y型通风技术,强化留巷墙体封闭和留巷采空侧回风立眼封闭等卸压瓦斯抽采技术,实现了深井煤层群首采层工作面的安全高效回采和邻近突出煤层的全面消突。11426工作面回采期间,绝对瓦斯涌出量最大47.67 m3/min,工作面瓦斯抽采率高达65%以上,研究成果为今后类似深井煤层群开采的卸压瓦斯抽采和治理提供技术指导。     

近距离煤层群工作面采场围岩失稳机制与控制技术

为探讨近距离煤层群工作面采场围岩失稳机制和开发相应的控制技术,采用理论计算、数值模拟和实验室试验综合方法,研究煤层群开采围岩采动应力场分布。阐明松散煤体注水加固的力学机制,并开发现场厚坚硬顶板深孔预裂爆破、深浅孔联合注水、新型采煤工艺综合技术措施。研究结果表明:在煤层群开采条件下,上下工作面相互影响程度剧烈,将下伏煤层工作面布置在上覆煤层开采后的卸压区内,可避免上煤层遗留煤柱高集中应力的影响,降低下伏煤层工作面原始应力水平。用设计的深孔预裂爆破工艺,能避免关键层断裂后对下伏煤层作面的动压冲击。提出的工作面低压短时间浅孔注水和2巷超前长孔预注水工艺,能提高松散煤体抗剪强度,增加煤体稳定性。     

断层带边界岩体采动应力特征相似材料模拟研究

为了研究断层带边界岩体的采动应力特征,以龙东煤矿F张断层两侧岩体地层为原型,建立了断层带相似材料模型,对煤柱缩小过程中,近断层带煤层底板采动应力特征及断层带两侧岩体应力变化规律进行了跟踪监测。研究结果表明:随着工作面的推进,超前支撑应力在煤层底板下30m处,反应最为明显;当煤柱宽度减小至30m时,底板集中应力达到最大值为127.64kPa,应力集中系数2.8;煤柱宽度20m时,煤层底板深部近断层带附近开始明显卸压,同时断层带两侧应力变化出现明显差异,显示出断层带对应力传递的影响,上下盘表现出不同的采动特征,容易造成断层的"活化",研究结果可为断层煤柱的合理留设和巷道布置提供依据和参考。     

高突矿井大采高工作面瓦斯抽采技术及实践

为解决大采高厚煤层工作面回采期间瓦斯超限难题,应用顶板走向长钻孔中位钻孔和下临近层底板定向长钻孔等瓦斯抽采措施,对回采面瓦斯进行了多源头治理。通过对顶板走向长钻孔的抽采效果考察,确定其垂直层位为40±5 m范围、水平层位为50±10 m范围为最佳瓦斯抽采区域;中位钻孔合理的垂直层位为20 m左右,水平层位为45~50 m范围抽采效果最佳;下临近层底板定向长钻孔是拦截下部5#煤和7#煤向上部采掘空间涌出瓦斯的有效手段,其最佳的水平层位为距巷道轮廓线20 m范围,垂直层位为钻孔布置在下临近层煤层中。通过对3种不同瓦斯治理措施的综合评价考察,确定顶板走向长钻孔是治理回采面最为有效的措施,其抽采量占工作面回采期间总抽采量的79.6%,中位钻孔抽采和下临近层底板定向长钻孔抽采是回采面回采期间的辅助性措施。措施使用后,工作面上隅角瓦斯浓度保持在0.4%~0.6%之间,有效保证了工作面的安全高效回采。     

大倾角煤层开采覆岩破断机制研究

为了探究大倾角煤层开采覆岩变形、失稳、破断的演化特征,结合潘二矿1212(3)工作面地质与工程条件,采用数值模拟、物理模拟、理论分析相结合的方法,分析了大倾角煤层开采覆岩变形破坏规律,探讨了巨厚砂岩直覆和无坚硬岩层2种条件下大倾角煤层开采顶板破断失稳形式。研究结果表明:受倾角影响直接顶冒落、滑移,充填下部采空区,基本顶中上部挠度最大而发生断裂,破断裂纹逐渐向基本顶两侧及相邻岩层演化;大倾角煤层倾向岩层间的联动时序性破断是形成非对称拱形承载结构的主因;预裂爆破巨厚砂岩顶板、充填开采软弱岩层工作面可促使关键块体组成的拱形承载结构形成,保证大倾角工作面安全回采。     

非对称开采条件下工作面“多向应力”变化特征研究

在非对称开采条件下,工作面受上覆岩层自重应力、超前支承应力、采空区侧向支承应力和回风巷煤柱应力等“多向应力”叠加影响,使得工作面应力呈“非对称”性。为研究非对称开采条件下工作面“多向应力”变化特征,基于微震监测、应力在线监测和理论计算,对母杜柴登煤矿30202工作面回采过程中所形成的非对称开采条件下的应力变化进行分析;并基于工作面所受应力条件和围岩体结构条件,分析了“多向应力”叠加显现机理。结果表明:30202工作面回采期间,煤柱支承应力沿走向分为应力升高区、应力明显降低区、应力缓慢降低区和应力稳定区,其应力峰值主要集中在工作面前方40 m左右,应力集中系数平均为1.61;在非对称开采阶段,在走向方向工作面超前支承应力影响范围较回采初期增加了100 m左右;在不考虑垂直应力影响的情况下,相邻工作面采空区的侧向应力对30202工作面倾向方向的影响范围为44 m,应力最大值为56.1 MPa。在“多向应力”耦合作用下工作面在回采过程中产生能量集聚,并在采动扰动下发生能量释放,满足了大能量事件发生的基本应力条件;同时在扰动条件下采空区发生高位顶板错动,以及围岩支护薄弱为大能量事件的发生提供了围岩结构条件。研究结果可为工作面非对称开采条件下采场矿压显现规律研究、顶板控制和巷道支护设计提供指导。     

近距离煤层上行开采巷道优化布置及煤层卸压效果试验分析

为解决近距离煤层上行开采上煤层出现台阶状下沉问题,以西曲煤矿南三盘区近距离煤层群为研究背景,结合其煤层地质条件,采用理论计算对南三盘区近距离煤层群上行开采进行可行性判定,并建立数值和相似模拟模型,模拟留煤柱和错层位巷道布置开采,对上行开采煤层垮落形式和卸压效果进行试验分析。试验结果表明:煤层上行开采过程会导致上层煤位于垮落带内;采用留煤柱巷道布置上煤层出现台阶状下沉现象,错层位巷道布置上煤层连续下沉不会出现台阶状下沉;错层位巷道布置上行开采,上煤层卸压效果良好,无应力集中现象。研究结论可为类似条件上行开采和岩层控制提供参考。     

软弱底板特厚煤层综放面矿压特征研究与应用

水帘洞煤矿3802工作面是彬长矿区首个采用8m小区段煤柱护巷、面临软弱底板问题的特厚煤层工作面,生产条件复杂,类似开采技术经验较少。针对此问题,采用岩石物理力学性质测试和计算机数值模拟等手段,明确软弱底板对综放面矿压影响机理;通过现场实测,对3802工作面矿压特征和覆岩移动规律等进行研究,结果表明,软弱底板条件下特厚煤层综放面较一般底板下特厚煤层综放面矿压显现特征不同,软弱底板吸收能量,将应力转移到深处,一定程度上消除了冲击地压危险,同时矿山压力显现平缓不明显,动载系数小。现场实测结果表明巷道围岩稳定,研究结果可以在类似条件下推广应用。     

7.0 m采高综采面回采巷道变形破坏规律研究

针对神东矿区大柳塔煤矿采用7.0 m采高综采面回采5-2煤三盘区时回采巷道出现不同程度的变形破坏现象,采用现场实测的方法对52304及52303工作面回风顺槽之间的区段煤柱进行了巷道变形及应力变化规律的监测,并运用FLAC3D数值模拟软件对不同埋深条件下两工作面之间区段煤柱的应力分布规律进行了模拟,最后总结分析了回采巷道变形破坏的机理,并得出采空区段煤柱的失稳是造成回采巷道变形破坏的根本原因。从而为巷道的合理布置及相应控制对策的提出提供基础数据,以保证矿井安全高效的生产。     

上保护层开采对下部特厚煤层移动变形规律及保护效果考察研究

选取海石湾煤矿特厚煤层6124工作面为研究对象,为了确定上保护层开采对下部特厚煤层6124工作面的影响,运用FLAC3D软件对上保护层开采后被保护层应力和位移变化规律进行了数值模拟研究。研究结果表明:被保护层被保护区域位移沿垂直方向呈“拱形”分布,被保护层最大位移变化量为354 mm,变化范围在160～354 mm之间;被保护层被保护区域的应力变化呈“V”形分布,被保护层最大拉应力变化量为0.489 MPa,变化范围在0.314～0.489 MPa之间,最大压应力变化量为31.3 MPa,变化范围在25.8～31.3 MPa之间;实施上保护层开采后,煤层瓦斯抽采率提高了39.5%,残余瓦斯含量降到7.16 m3/t,残余瓦斯压力降到0.58 MPa,该参数的确定为海石湾煤矿特厚高瓦斯煤层的合理开采提供了一定的理论指导。     

预掘回撤通道末采围岩破坏机制研究

为保证工作面安全高效回撤,通过理论分析及现场观测法,研究综采工作面末采期间回撤通道围岩应力分布及破坏特征,提出垛架支撑力控制顶板围岩破坏机制及方法,得到垛架最小支撑力计算方法.结果表明:回撤通道围岩集中应力与工作面前方支承压力逐步叠加,导致剩余煤柱由两侧向中部逐渐破坏,当两侧破坏区连通时,煤柱上方直接顶跨距增加为原来的...     

风积沙厚度对浅埋煤层大采高工作面矿压显现的影响

针对神东矿区大柳塔煤矿52304工作面通过风积沙较厚区域时强烈的矿压显现现象,通过理论分析与物理相似模型以及现场测试等方法,建立工作面过风积沙区域时的力学模型,分析风积沙厚度对大采高工作面矿压显现规律的影响,对风积沙厚度对工作面关键层力学稳定性做出分析,并通过数值模拟对影响性进行研究。研究结果表明:风积沙厚度较大的开采区域,作用在覆岩主关键层结构上的载荷较大,造成主关键层破断块体的结构回转变形失稳,造成工作面矿压显现极强烈;大采高和风积沙厚度较大条件下距煤层较远的主关键层破断运动也会对工作面矿压显现产生影响,且采高、厚风积沙因素缺少其中一个时,主关键层均不会对工作面矿压产生明显影响。