复合动力灾害条件下孤岛工作面区段煤柱宽度留设研究

孤岛工作面覆岩空间结构复杂多变,受开采和地质等因素的影响在开采过程中面临冲击地压、煤与瓦斯突出、自燃发火以及采空区突水等复合动力灾害。留设合理宽度的区段煤柱是确保工作面安全开采的关键,以陕西某矿特厚煤层孤岛工作面开采为工程案例,通过分析工作面覆岩空间结构,理论计算了工作面应力分布;采用应力动态监测等方法确定了该工作采空区侧向覆岩运动,并综合考虑冲击地压灾害防治、次生灾害控制以及巷道支护等因素,确定了该工作面区段煤柱的合理宽度为5~7 m。     

巨厚砾岩下冲击地压发生机理及加固技术研究

针对深部矿井巨厚砾岩下采场冲击地压的易发性和危险性,运用理论分析和室内相似材料模拟试验方法,对华丰煤矿巨厚砾岩下覆岩运动规律及采场冲击地压发生机理进行研究。研究发现:随着工作面的推进,离层自下而上发育,在巨厚砾岩层下部离层空间达到最大。煤层极限平衡区内集中静载荷能量E静和巨厚砾岩破断、垮落释放的集中动载荷能量E动是造成采场冲击地压的根本原因,并且E动诱发冲击地压的强度更高,危险性更大。当E静+E动-Ef min>0时,采场冲击地压启动。在此基础上,提出一种囊袋式离层加固技术,对离层区域进行横向挤压和纵向加固,有效控制巨厚砾岩断裂、垮落,防止冲击地压的发生,减少地表沉陷,实现了煤矿安全绿色开采。     

基于防冲的孤岛工作面分类及应用研究

针对目前煤矿孤岛工作面冲击地压类型复杂且治理缺乏针对性的问题,提出了“分类防治”的思路,围绕导致孤岛工作面冲击的高应力这一本质原因,并综合考虑覆岩运动、地质构造、开采、空间等因素,基于防冲对孤岛工作面进行分类;将孤岛工作面分为充分采动、非充分采动、充分-非充分采动、立体、“隐性”和复合型6种类型;将该分类方法应用于孤岛工作面采前冲击危险性评估,并根据评估结果对孤岛工作面冲击地压实施分类防治。研究结果表明:该分类方法可有效控制孤岛工作面冲击地压灾害。     

大采高综采工作面支架选型安全性分析

为了确保大采高综采工作面支架选型的安全性,根据大采高综采工作面支架呈现以静载荷为主的特点,建立了大采高综采支架受静载荷的工作阻力计算力学模型,并应用于现场大采高综采支架选型的安全性分析。大采高综采工作面支架工作阻力随工作面推进距离变化规律的现场监测表明:以4倍采高覆岩重量计算的静载荷工作面支架工作阻力能够控制大采高覆岩运动的矿压显现,满足工作面支架选型的可靠性,保证大采高工作面的安全高效开采。最后,通过采取一定的技术措施来弥补2-504大采高综采工作面选型支架额定工作阻力不足的安全隐患,以期实现大采高综采工作面的安全高效开采。     

浅埋房式采空区覆岩结构及对下位煤层开采的影响

房式采空区留设大量不同尺寸煤柱,采场覆岩结构复杂。为了研究霍洛湾矿浅埋2-2煤层房式采空区覆岩结构特征及其对下位3~(-1)煤层开采的影响,应用理论分析、数值计算、相似材料模拟等方法,确定了2-2煤层房式采空区覆岩结构类型,揭示了不同类型覆岩结构应力场分布特征及其对3~(-1)煤层矿压显现的影响特征。结果表明:2-2煤层房式采空区覆岩结构分为房柱稳定覆岩结构、房柱失稳覆岩结构、20 m煤柱覆岩结构、50 m煤柱覆岩结构4类;在房柱稳定、房柱失稳覆岩结构下3~(-1)煤层处于卸压状态,垂直应力降低8%~14.3%,在20 m煤柱、50 m煤柱覆岩结构下3~(-1)煤层处于应力集中状态,垂直应力增加5%~32%;揭示了3~(-1)煤层开采时不同覆岩结构下工作面超前支承力分布特征,在20 m煤柱、50 m煤柱、房柱稳定及房柱失稳4类覆岩结构下超前支承应力集中系数分别为4.10、3.85、2.76、3.62;不同类型覆岩结构下3~(-1)煤采场覆岩运动特征稍有差异,房柱稳定、房柱失稳覆岩结构下3~(-1)煤层工作面来压步距为12~14m,20 m煤柱、50 m煤柱覆岩结构下来压步距为10~11 m;相似模拟表明,3~(-1)煤层过20 m和50 m大煤柱时,煤体发生弹射现象,预计实际开采时工作面可能发生动载矿压等动力灾害。     

定向断裂切顶卸压窄煤柱沿空掘巷关键技术研究

宽大护巷煤柱浪费煤炭资源且容易引起矿井灾害。以支承压力分布规律为依据,确定窄煤柱沿空掘巷为大采高条件下最佳布巷方式。基于覆岩大结构的"弧形三角板"B块失稳,是造成窄煤柱沿空护巷控制失败的主要原因,提出定向断裂切顶卸压围岩控制原理,并建立切顶高度数学模型。工业试验表明,切顶卸压窄煤柱沿空送巷回采期间围岩变形量满足下区段工作面生产要求,取得较好的经济技术效果,具有广泛的推广应用价值。     

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。     

远距离重叠煤柱作用下的强矿压显现作用机制:以大同矿区多煤层开采为例

为研究大同矿区特厚煤层采出空间大和远距离侏罗系煤层群重叠煤柱共同作用下的强矿压显现机制,采用通用离散元程序(UDEC)数值模拟方法,分析重叠煤柱作用下的工作面采动应力规律。应用高精度微震监测技术,得到侏罗系煤层群开采影响下的综放工作面覆岩运动与矿压显现的关系。研究表明,工作面回采至侏罗系煤柱对应区域时,工作面超前支承压力比在非煤柱区域提高了25%~33%;侏罗系煤柱重叠区域,在"煤柱-覆岩联动"和"煤柱-采动应力耦合"共同作用下,工作面矿压显现更为强烈;在临近采空区和侏罗系覆岩共同作用下,沿空巷道矿压显现强烈。工作面开采扰动、临近采空区覆岩运动和侏罗系重叠煤柱的耦合作用,是石炭系综放工作面矿压显现剧烈的根本原因。用提出的基于地面钻孔压裂重叠煤柱弱化的强矿压显现顶板控制技术,可削弱重叠煤柱对工作面开采的影响,减轻特厚煤层综放开采采场矿压的显现强度。     

纵深大区域煤层群开采覆岩活动规律相似模拟

以大同矿区"双系"煤层群协同开采为工程背景,相似模拟实验研究了纵深大区域煤层群开采覆岩位移、裂隙及应力演化分布规律。结果表明:侏罗系近距离煤层群采用刀柱式与走向长壁式开采交错布置方式,形成不同的组合开采模式,表现出不同的覆岩破断特征,应力集中现象突出;石炭系特厚煤层开采致使覆岩大面积垮落,与上部侏罗系煤层群形成了复杂的多层采空区连通状态,且受侏罗系煤柱叠加应力影响,工作面来压频繁、覆岩活动剧烈。纵深大区域煤层群覆岩应力应变形态作为耦合时变系统,随煤层开采经历了"平衡—失稳—平衡"循环变化过程。     

上行卸压开采顶板裂隙带巷道失稳过程物理模拟

为解决上行卸压开采顶板裂隙带巷道大变形问题,采用物理模拟方法,研究上覆岩层活动特征及裂隙发育破坏过程,分析锚杆支护条件下巷道围岩应力变化过程及变形破坏特征。结果表明:顶板裂隙带巷道随着上覆岩层有整体下沉特征;上行开采采动影响阶段,在采动应力与巷道掘进围岩应力叠加形成的应力场和采动裂隙场共同作用下,顶板裂隙带巷道围岩强度大幅降低,巷道断面收敛变形强烈,采动影响稳定阶段围岩应力低,用锚架联合支护或注浆加固围岩技术手段能维护巷道断面,保证其安全使用。     

基于覆岩空间结构理论的矿压特征分析及应用

基于覆岩空间结构理论,一面采空、两面采空边界条件下覆岩结构称为“O”型和“S”型,结合矿压知识及工程背景的特殊条件,将二者转换过程中覆岩结构定义为“O-S”型。在系统分析三种结构构成、运移规律和应力分布特征的基础上,对矿山动力事件进行分析与防治;现场侧向支承压力监测结果显示基于覆岩空间结构理论的结构构成及相关计算相似,现场顶板岩层离层监测结果显示基于覆岩空间结构理论的覆岩运移规律阐述可靠,工作面矿压特征监测结果显示基于覆岩空间结构理论的特厚煤层矿压特征分析与实际发生情况基本一致,研究可为类似条件下矿压特征分析与岩层控制提供一定借鉴。     

露天矿采空区爆破合理孔底填塞长度与起爆位置确定

为研究孔底填塞长度与起爆位置对露天矿采空区上覆岩石台阶爆破的影响,进行了数值模拟和工业试验。运用ANSYS/LS-DYNA软件构建了爆破模型,分析了存在采空区时台阶的爆破机理,通过对比分析不同孔底填塞长度、不同起爆位置下爆破时岩石拉应力及动能变化,揭示其对采空区爆破效果的影响,确定了采空区上覆岩石台阶的合理爆破方法,并通过工业试验进行了验证。结果表明:采空区的存在导致爆破能量的利用效率降低;中间起爆技术适合采空区上覆岩石爆破;孔底填塞长度在一定临界范围内时,爆破能量的利用效率是最佳的;确定了武家塔露天煤矿采空区上覆岩石台阶爆破采用中间起爆技术且孔底填塞长度为2 m。     

临近断层特厚煤层分层开采冲击地压发生机制

为了研究临近断层分层开采的冲击地压发生机制,以老虎台矿特厚煤层开采为研究背景,采用地质动力区划方法、数值模拟和现场监测方法对井田的地质动力环境、临近断层开采的围岩应力分布规律和断层滑移特征及其与冲击地压的关系进行了研究。采用地质动力区划方法,将老虎台井田断裂构造划分为5级,通过地震和矿震分布情况,确定老虎台矿地质构造活跃,处于较高的应力环境;采用FLAC3D数值模拟和锚索应力监测方法,分析断层围岩应力演化规律和断层滑移规律,在断层和开采共同作用下工作面断层侧超前支承压力急剧升高。结果表明,地质动力环境为冲击地压的发生创造了外界环境条件,断层和采动的耦合作用是冲击地压诱发的主要原因。     

Rockburst hazard determination by using computed tomography technology in deep workface

The rockburst in mines results from the dynamic load coupled with static one in coal seams around workface zones, so it is essential to learn the stress distribution of the coal and surrounding rock for determination of rockburst risk areas. The relationship between the elastic wave velocity and stress applied on coal sample was investigated systematically by laboratory testing, theoretically analysis, as well as on-site observation, and a positive correlation between them under uniaxial compression was put forward. Furthermore, it is drawn that the anomaly of elastic wave velocity reflects the stress changes: the positive anomaly ascertains the stress concentration while the negative anomaly estimates the mining destress and weaken degree, and corresponding assessment criterions and parameters were established respectively. The hazard areas and degree of an island longwall face 16302C were forecasted before coal winning based on the elastic wave anomaly distribution rules using active tremor velocity inversion, monitoring results of mining shocks during exploitation indicate that the consistency between locations of big tremors and where forecasted by computed tomography (CT) exceed 80%. The successful application of this technology achieved remarkable economic and social benefits for disaster control in rockburst mines.     

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。     

坚硬顶板煤层一次采全高矿压显现规律研究

大采高综采技术是厚煤层开采工艺的重要发展方向,越来越多的被采用,矿压事故在矿山生产安全事故中占有较大比例,有效掌握矿压规律,采用合理生产工艺是采矿生产过程中必须认真考虑的问题。大采高综采工作面采场顶板跨度大、高度高,矿山压力复杂,矿压显现规律特殊,管理难度大。针对某煤矿9、10号煤层大采高综采工作面顶板坚硬特性,为掌握类似地质条件下大采高工作面矿压显现规律,作者从理论分析入手,采用相似模拟实验方法,经过对模拟实验数据进行研究分析,得出了本矿区特定坚硬顶板条件下大采高工作面矿压显现规律,认为类似地质条件大采高工作面,顶板垮落易造成动力冲击,顶板破坏形式主要是拉断和剪断,最大压力值发生在工作面中部前方,采空区积水的影响情况和地表的沉陷状况,还需通过其他方法进行进一步的分析、论证,提出了针对类似围岩条件采煤工作面的安全技术和管理措施。     

采空区影响条件下巷道围岩应力监测与研究

金属矿采空区多以矿房-矿柱组合的复杂采空群体系构成,这种复杂的空区群结构是一种复合应力拱的承载结构,复合应力拱的成拱机制形成了采场上方覆岩发生拉压破坏模式,进而导致围岩塌陷及巷道破坏;为了监测采空区影响下巷道围岩复合应力变化,提出在巷道内利用锚杆应力计监测围岩复合压力拱应力变化方法,锚杆采用端部锚固结构,埋入深度超过围岩冒落带并施加预应力;根据监测数据分析围岩应力变化可分为递变式、突跳式、振荡式和复合式变化四种变化模式,利用多元回归及突变模型建立围岩应力变化的数学模型,以历史数据为基础,建立以围岩应力极限值、应力变化速率及突变模型势函数临界值为判据的围岩稳定性分析数学模型。     

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。