上提工作面支架围岩关系及其对矿压显现的影响

 针对淮南矿区提高回采上限工作面易于发生压架事故,采用理论分析和现场实测对上提工作面特殊的覆岩结构及其压架机制进行了研究。建立了不同覆岩结构围岩–支架力学模型,推导出了上覆基岩及松散层作用在关键层上的载荷,确定了支架临界工作阻力,并提出了相应的工作面压架防治措施。研究结果表明：以直接顶充填系数、覆岩关键层结构、基岩面表土层水文地质结构为判据,可将上提工作面覆岩结构分成4大类6种。单一关键层结构上提面压架危险性要比多层关键层结构高。对于单一关键层结构,当工作面临近松散承压含水层时,关键层距离含水层越近,水压越大,则作用在关键层上的载荷越大,关键层“砌体梁”结构越容易发生滑落失稳;当基岩面为厚黏土层时,采动影响下黏土层内部形成自然平衡拱结构,在“拱”结构保护下,“砌体梁”不易发生滑落失稳。     

坚硬薄基岩浅埋煤层合理强制放顶距的确定

 在开采松散表土坚硬薄基岩浅埋煤层过程中,为避免发生压架、溃沙事故,现场常采取强制放顶的方法,但对于强制放顶距如何合理确定则显得理论依据不足。为此,结合凉水井煤矿首采工作面的实际条件,根据岩层控制理论,采用理论分析、数值模拟、现场观测的方法对合理强制放顶距进行研究。结果表明,在工作面推进距离距切眼20 m处,即介于基本顶周期来压步距和初次来压步距之间,进行顶板强制放顶能成功地避免初次来压,对支架影响较小,放顶效果良好,可以避免压架的发生。结论在现场试验中得到了验证。     

砂土基型浅埋煤层保水煤柱稳定性数值模拟

浅埋煤层间歇开采保水采煤的关键是确定工作面的合理推进距离和煤柱尺寸,通过相似材料模拟已得到工作面的合理推进距离,并为实践所证实。以相似材料模拟所得到的工作面推进距离与覆岩裂隙高度关系为依据,建立了数值模拟模型,以计算工作面合理的煤柱尺寸。运用ALGOR有限元程序,模拟了基岩厚度30m以下、土层20m以下的砂土基型和基岩厚度30m以上、土层20m以上的砂土基型2种类型的工程地质条件,通过煤柱上的米赛斯应力分布、上覆岩层的拉应力分布以及顶板的下沉量等模拟结果分析,判断了煤柱和覆岩的稳定性,得出了不同基岩厚度工作面实现保水开采的合理推进距,这对实现陕北砂土基型地质条件下的保水采煤和矿区荒漠化防治具有重要意义。     

双系煤层孤岛结构对工作面矿压显现影响研究

为了确定大同矿区侏罗系煤层群开采形成的孤岛覆岩结构对石炭二叠系工作面开采矿压显现的影响,以同忻矿8104、8106工作面为研究对象,通过理论分析确定侏罗系煤层群开采孤岛覆岩结构的形成条件,构建FLAC^3D数值模型,分析孤岛覆岩结构对石炭系煤层应力控制及矿压显现特征,并结合微震监测数据进行了合理验证。研究表明:当侏罗系煤层遗留煤柱宽度≥22.3 m时可形成孤岛覆岩结构,煤柱宽度为80 m时,孤岛覆岩结构对石炭系煤层工作面影响达到峰值;数值模拟说明8106工作面及5105巷道受到孤岛覆岩结构影响,其矿压显现强度及范围明显增大,围岩应力最大增至40 MPa;微震监测显示8104工作面推进孤岛覆岩结构过程中,个别微震事件能量级别达到了10⁶ J,具备了诱发冲击地压发生能量条件。     

松散承压含水层的载荷传递作用对关键层复合破断的影响

采用专门设计的物理模拟试验装置及数值模拟试验方法,就松散承压含水层的载荷传递机制及对覆岩关键层复合破断的影响进行深入研究。研究结果表明：松散承压含水层条件下,由于承压水的流动性和补给作用,上覆表土层的载荷通过松散承压含水层均匀地作用于下部基岩上,开挖过程中基岩顶界面上的载荷基本保持恒定,松散承压含水层起到均匀传递载荷的作用;无松散承压含水层时,作用在基岩顶界面上的表土层载荷随煤层开挖而显著降低。在松散承压含水层的载荷传递作用下,作用在基岩顶界面的载荷较大,当基岩厚度较薄时,采场覆岩关键层易产生复合破断。基于松散承压含水层对薄基岩采场关键层复合破断影响机制,很好地解释华东矿区部分矿井在松散承压含水层与薄基岩的特殊条件下采场发生压架事故的原因。     

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。     

多层叠加煤柱覆岩结构特征及对下伏煤层矿压显现影响

大同矿区侏罗系煤层群开采过程中遗留多类大型煤柱,其对下伏石炭系煤层矿压显现具有重要影响。通过比值判别法和极限平衡理论等方法,确定侏罗系地层遗留多层叠加煤柱覆岩可形成"倒梯形孤岛覆岩结构",并建立"倒梯形孤岛覆岩结构"的力学模型,揭示不同尺寸"倒梯形孤岛覆岩结构"对下伏石炭系煤层影响的定量关系。分析表明,当煤柱体宽度在30~120 m范围时,"倒梯形孤岛覆岩结构"使石炭系煤层应力场较原岩应力提高了91%~259%,当叠加煤柱体宽度为80 m时对石炭系煤层影响最大。现场微震监测表明,石炭系煤层8104工作面在通过侏罗系大型重叠煤柱区域时,微震事件密集分布,微震事件能量级别较高(达到10~6 J),理论分析和现场监测具有较好的一致性,研究成果可为石炭系煤层工作面通过侏罗系遗留大型叠加煤柱体时顶板管理、强矿压显现预测与控制等提供理论支持。     

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.     

覆岩厚度变化应力异常机制及冲击矿压诱发机理

顶板覆岩结构是影响煤矿冲击矿压发生的主要因素之一，在坚硬覆岩厚度变化区也容易诱发冲击矿压，这一现象在内蒙深部矿区逐渐凸显。基于弹性力学理论分析了覆岩厚度变化区煤层应力异常的力学机制，采用FLAC3D数值模拟方法研究了覆岩厚度变化对煤层应力分布特征和能量演化的影响规律，揭示了坚硬覆岩厚度变化区煤层开采诱发冲击矿压的机理。研究结果表明：坚硬覆岩较厚区的构造应力比较薄区大，覆岩厚度变化越大或覆岩性质差异越大，构造应力变化越大；工作面在覆岩厚度变化区开采时，受超前支承压力与突变的构造应力叠加影响，覆岩厚度变化区至较厚区应力集中程度较大，该区域积聚的弹性能主要向工作面前方巷道释放，冲击矿压危险更大。两例覆岩厚度变化区工程案例分析表明，在坚硬覆岩厚度变化区及变化区向较厚区过渡时微震事件分布较多，能量释放剧烈，巷道破坏明显，与理论分析较为吻合。     

金属矿滨海基岩开采岩石力学理论与实践

三山岛金矿新立矿区是我国第一个进行滨海采矿的金属矿山,大量高强度海下开采势必破坏矿岩稳定性,有必要研究金属矿海底基岩开采相关岩石力学问题。从矿山开采工程实际出发,研究滨海矿床矿岩力学特性和海底黏性土微观结构与渗透性能,开发金属矿滨海基岩开采相似物理模拟试验平台,得出滨海基岩开采合理安全隔离层厚度,并进行数值模拟对比验证分析,验证试验模拟的准确性。采用正交试验方法,以岩体稳定性为原则建立目标函数,获得滨海基岩开采最佳采场结构参数。对阶段中盘区回采顺序进行优化,得出"隔二采一"的最佳开采顺序。分析矿岩性质和矿床产状等开采技术条件,提出岩层微扰框架式上向分层充填采矿技术。新立矿区为期3a的现场滨海开采试验和现场监测结果表明:合理安全隔离层厚度、低沉降框架式上向分层充填法和现场实时监测为海底基岩开采提供了技术保障。     

浅埋厚煤层条带充填保水开采分析研究

我国西北地区浅埋厚煤层开采对地表及潜水层造成严重破坏,而充填开采是减小地表破坏以及实现保水开采的有效途径。为研究浅埋厚煤层条带充填保水开采的安全性,以哈拉沟煤矿为研究对象,建立了“边界煤柱+条带充填体+覆岩”的力学模型,采用相似试验与现场实测相结合的方法,在周期来压步距、地表下沉及台阶裂缝等方面进行对比分析,得出了较为准确的基岩裂缝角及直接顶初次垮落步距,并通过对隔水层的稳定性分析,确定了条带充填开采的充填宽度为38 m,充填间隔为16 m。根据土工试验得到黄土层的相关力学参数,确定了下行裂缝的发育深度。结果表明:条带充填开采引起的下行裂缝未影响到主关键层,有效隔水岩组厚度满足相关规程要求,可实现安全保水开采。     

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。     

极近距离薄煤层群联合开采常规错距理论 与物理模拟

 伴随着中、厚煤层资源的枯竭,潞安集团下属十几个矿井都将进入下组煤开采。下组煤15–1#和15–3#煤层是以薄煤层群赋存在一起,平均间距为4.4 m,因此提出极近距离薄煤层群联合开采常规错距开采模型,并进行理论和物理模拟试验研究。从理论上给出近距离薄煤层群联合开采下的工作面常规错距计算公式,并进行理论求解。为避免15–1#煤层顶板的周期垮落与15–3#煤层工作面回采时的超前效应相互影响,从安全角度考虑,将错距定为1.3～1.5倍的周期垮落步距,结合试验结果将常规错距定为17.5 m。物理模拟试验结果表明,常规错距下联合开采技术上是可行的。另外分析了工作面上方附近几个测点总是被抬高的原因,并总结了在工作面推进过程中,顶板下沉主要经过两次大的变化,即上、下两煤层工作面回采过程中发生垮落时,尤其是下层煤顶板垮落造成影响较大。     

急斜煤层放顶煤开采“跨层拱”结构分析

急斜煤层水平分段放顶煤开采与缓斜煤层不同，工作面沿煤层厚度的水平线布置，长度短。工作面上方不是顶板，而是顶煤和残留煤矸。研究结果表明，开采中能够在工作面上方形成与之平行的跨越煤层的“跨层拱”结构。建立“跨层拱”结构的力学模型，对拱的受力、极限跨长以及拱形的确定等方面进行了分析；同时，对于“跨层拱”结构的滑落失稳、结构失稳及其对工作面矿山压力显现的影响进行了分析。由建立的力学模型而得的分析结果与现场实测结果吻合较好，说明可以较大幅度地提高水平分段高度，对急斜煤层短工作面条件下，实现安全高效开采有着重要意义。     

矸石-粉煤灰充填采煤覆岩结构与变形规律

矸石-粉煤灰充填采煤可解决“三下”压煤和固体废弃物排放造成的环境污染问题。根据充填采煤工作面覆岩移动规律,提出矸石-粉煤灰充填采煤覆岩存在3类结构;在弹性地基薄板理论基础上,建立了基本顶力学模型,推导出了基本顶弯曲下沉的理论公式,给出了基本顶破断的临界条件;据此,分析了基本顶变形影响因素,并进行了工程实践。结果表明,基本顶最大下沉量理论计算值与实测值基本一致,各因素对基本顶弯曲下沉影响大小依次为:基本顶弹性模量、覆岩载荷、直接顶弹性模量、充填体弹性模量。邢台矿7606工作面采空区基本顶的最大下沉量为234 mm,沿专用铁路线地表最大下沉量为16 mm,仅直接顶产生了局部裂隙和离层,基本顶完整性较好,覆岩属于第II类结构,地表变形得到了有效控制。     

大采高综采采场顶板控制力学模型研究

采用现场实测及相似模拟技术研究大采高综采采场项板结构特征,建立大采高综采采场的顶板控制力学模型.根据直接顶岩层结构不同,将大采高直接顶划分为Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ型3种类型,Ⅰ型直接顶顶板载荷按给定载荷法或采高倍数法计算;Ⅱ型直接顶暂不宜采用大采高开采技术;Ⅲ型直接顶顶板控制应主要考虑直接顶关键层厚度、层位及工程力学特征,当直接顶关键层距离支架较近时,必须考虑冲击载荷影响.     

综放工作面围岩结构分析

从系统稳定的观点出发，分析了综放工作面围岩的力学特性、结构特点及其平衡条件，讨论了直接顶与顶煤不同刚度组合对系统稳定的影响以及支架的工作特性，建立了综放采场的围岩力学模型。由此可对综放开采的矿山压力现象作出解释，并为支架的选型设计及矿山压力控制提供了依据。     

急倾斜煤层开采岩移基本规律的模型试验

针对新集三矿急倾斜煤层开采复杂的采矿地质条件，运用实验室相似模型试验方法，对西三采区煤层开采引起的岩体移动和地表沉陷的基本规律进行了研究，总结出了新集三矿急倾斜煤层开采重复采动所引起的厚冲积层岩体移动基本特征和地表沉陷的相关参数。所得结果对现场开采及地表沉陷治理具有一定的指导作用，对于同类地质和开采条件的矿区具有重要参考价值。