浅埋复采工作面厚硬岩层–煤柱结构模型及其稳定性研究

厚硬岩层和煤柱是浅埋复采工作面开采诱发动力灾害的主要因素。以山东高庄煤矿浅埋水采复采工作面为工程背景,为了揭示厚硬岩层运动和煤柱应力演化之间的关系及其组成系统失稳规律,提出采场"厚硬岩层–煤柱"结构模型,分析结构模型的不同岩层重力形式、范围大小和变形特征,推导出厚硬岩层岩梁在固支端集中力和周期破断步距表达式,并以此为基础,综合煤体煤柱"动–静"载应力与其综合支承强度之间关系,探讨了厚硬岩层–煤柱失稳的力学判据、煤柱应力变化特征及其灾害防控方法。研究结果表明:(1)厚硬岩层条件下,水采复采工作面能够形成连续的"┤"型空间结构,包括水平方向的"传递体"和高度方向的"支撑体",传递体周期性运动是形成支撑体煤柱煤体支承应力集中和转移的主要原因;(2)煤柱煤体的静态支承应力p主要由支撑体受到的自身岩层重力(G和FL)与传递体转移岩层重力F2共同形成,传递体结构的厚硬岩梁破断运动是产生动载应力pd的主要原因,阐释了厚硬岩层–煤柱结构模型的I,II–1,II–2和II–3失稳类型。成果成功运用于3上301工作面开采实践,微震和应力监测等结果佐证了预测模型的合理性,并通过实施冲击防控措施,最终实现了工作面安全回采。     

综放工作面区段煤柱采动应力全周期时空演化分析

三向采动应力的大小、方向演化过程是揭示煤柱损伤破坏机制的关键。将综放工作面区段煤柱分为上部与下部2个区域，采用3DEC数值模拟方法，分析巷道开挖–右侧工作面回采–左侧工作面回采–回采稳定4个阶段煤柱三向采动应力全周期时空演化规律，揭示煤柱上覆岩层断裂结构–采动应力–位移的映射关系。基于模拟分析结果，采用莫尔–库仑强度准则分析煤柱莫尔应力圆的变换形式及莫尔圆与强度包络线的关系，确定煤柱的破坏深度约为8 m。研究结果表明：工作面煤层开采导致煤柱的三向主应力方向发生了大幅旋转，煤柱三向主应力数据呈现明显的两簇或三簇的规律，数据簇的分割点为右侧工作面推进至测线位置及右侧工作面回采完毕。工作面推进顺序不同导致煤柱上覆岩层的断裂结构呈现明显的非对称性，上覆岩层的断裂线向后开采的工作面进行偏移，导致煤柱左侧测点的水平位移量明显大于煤柱右侧测点。煤柱采动应力全周期时空演化规律及覆岩断裂结构–采动应力–位移的映射关系为揭示煤柱损伤破坏机制奠定了基础。     

煤柱宽度对巷道围岩稳定性影响分析

由于煤柱宽度的变化以及相对工作面位置的不同,矿山压力作用下造成的岩层移动和应力重新分布将对巷道维护及其稳定性产生重要影响.在现场实测分析基础上,应用计算机数值模拟(FLAC3D)综合分析了煤柱宽度变化对巷道围岩应力场分布及应力演化的影响.研究表明,不同宽度煤柱回采期间巷道围岩应力场分布特征均有很大差异,煤柱和工作面内煤体应力随煤柱宽度变化发生转移,巷道围岩稳定性是煤柱宽度变化引起巷道围岩应力分布及其演化共同作用的结果;煤柱的合理宽度应小于工作面内应力向煤柱内转移的临界宽度.该研究为煤柱留设、巷道布置、支护参数选择、巷道围岩稳定性控制等方面提供了理论依据.     

巨厚岩浆岩失稳的大孤岛工作面防冲研究

巨厚岩浆岩失稳导致的冲击地压灾害严重威胁着煤矿的安全生产。以王楼煤矿巨厚岩浆岩下孤岛工作面开采为工程背景,采用理论分析、数值模拟和现场实测等方法研究巨厚岩浆岩失稳的孤岛工作面防冲,得出如下主要结论:(1)巨厚岩浆岩失稳导致的孤岛工作面冲击地压类型为自发型和诱发型,自发型冲击机制为巨厚岩浆岩失稳导致自身及其上覆载荷层重力向下传递,使得被影响区域煤岩应力逐渐集聚到冲击的应力水平,诱发型冲击机制为巨厚岩浆岩断裂强动载使得被影响区域煤岩应力突跃至冲击的应力水平;(2)提出巨厚岩浆岩失稳的孤岛工作面整体失稳冲击判断准则,根据准则将王楼煤矿12310孤岛工作面设计成大宽度孤岛工作面开采可使其由整体失稳冲击向局部冲击转化,并得到了现场验证;(3)针对巨厚岩浆岩失稳时大孤岛工作面局部冲击类型提出了保持低应力的防治措施,微震、应力监测结果验证了措施的有效性。研究成果为巨厚坚硬岩层下工作面冲击地压灾害的防治提供了一种新方法。     

巨厚岩浆岩失稳的大孤岛工作面防冲研究EI北大核心CSCD

巨厚岩浆岩失稳导致的冲击地压灾害严重威胁着煤矿的安全生产。以王楼煤矿巨厚岩浆岩下孤岛工作面开采为工程背景,采用理论分析、数值模拟和现场实测等方法研究巨厚岩浆岩失稳的孤岛工作面防冲,得出如下主要结论:(1)巨厚岩浆岩失稳导致的孤岛工作面冲击地压类型为自发型和诱发型,自发型冲击机制为巨厚岩浆岩失稳导致自身及其上覆载荷层重力向下传递,使得被影响区域煤岩应力逐渐集聚到冲击的应力水平,诱发型冲击机制为巨厚岩浆岩断裂强动载使得被影响区域煤岩应力突跃至冲击的应力水平;(2)提出巨厚岩浆岩失稳的孤岛工作面整体失稳冲击判断准则,根据准则将王楼煤矿12310孤岛工作面设计成大宽度孤岛工作面开采可使其由整体失稳冲击向局部冲击转化,并得到了现场验证;(3)针对巨厚岩浆岩失稳时大孤岛工作面局部冲击类型提出了保持低应力的防治措施,微震、应力监测结果验证了措施的有效性。研究成果为巨厚坚硬岩层下工作面冲击地压灾害的防治提供了一种新方法。     

基于能量法的近距煤层巷道合理位置确定

近距煤层开采时,若下煤层工作面回采巷道布置不合理,可能导致上煤层煤柱的瞬时失稳,造成动力冲击事故的发生。以平朔安家岭井工二矿近距离煤层开采为工程背景,建立近距煤层开采相似模型,研究下煤层开采时诱发上煤层煤柱的能量激增峰值的临界条件,从而确定下煤层工作面回采巷道的合理位置。研究结果表明,由于来自上覆岩层的压力大面积地积聚到煤柱上,使得煤柱内的应变能剧烈激增,则开采下煤层时上煤层煤柱能量积聚程度要大于上煤层开采阶段。同时,开采下煤层时,工作面回采巷道布置在距上煤层煤柱8 m以外为宜。巷道表面位移和地质雷达探测现场监测结果显示,当下煤层回采巷道距离上煤层煤柱大于8 m时,掘进过程中巷道没有出现变形破坏,位移收敛较为稳定,可以满足工作面回采需要。     

“S”型覆岩空间结构煤柱导致冲击失稳的力学机制探讨

进入深部开采后,决定矿山压力显现程度的运动岩层在厚度和层面方向上已经超出传统的平面模型范围,所形成的覆岩空间结构的运动影响着采动应力场的分布,煤柱及其周围由于采动引起的应力重分布和应力集中是诱发煤柱冲击失稳的应力条件和根本原因。因此,通过分析覆岩空间结构的运动规律及其采动应力场分布,并以此探讨作用在残留煤柱的力源,是研究煤柱诱发冲击失稳机制的理论基础。以华丰煤矿六层煤残留煤柱为研究对象,通过研究四层煤开采形成的“S”型覆岩空间结构岩层运动特点和六层煤上覆岩层运动规律,分析作用在煤柱上的复合应力,探讨煤柱力源,通过应力计算和微地震监测分析煤柱及其周围的应力场的分布规律,研究煤柱导致动力失稳的应力条件和机制,研究结果表明,四层煤和六层煤开采形成的高应力是煤柱诱发动力失稳的应力条件,而煤柱及其周围形成的高应力差是动力失稳的根本诱因;基于煤柱应力分析,探讨高应力区煤柱卸压解危的措施。     

沿空掘巷煤柱合理宽度研究与应用

沿空掘巷时周围岩体受二次采动影响,巷道围岩更易变形,矿压显现更为剧烈。护巷煤柱的合理留设是沿空掘巷技术成功实施的关键因素。煤柱的合理宽度应既能满足煤柱自身的稳定性,又能在巷道掘进和工作面回采期间利于巷道的维护。为了研究沿空掘巷煤柱的合理留设宽度,以某矿1622(3)工作面为背景基于内外应力场理论以及弹性核理论,考虑煤柱对巷道围岩变形的影响,进行理论分析确定了沿空掘巷煤柱宽度合理范围解析表达式,确定了煤柱合理宽度范围为4.8 m～6.9 m。通过数值模拟进一步分析了不同煤柱宽度时的煤柱的垂直应力分布及巷道围岩变形,最终选取煤柱宽度为5 m。将研究结果应用于实际,现场观测数据表明,该煤柱宽度对控制巷道围岩变形,维护巷道及煤柱的稳定性起到了良好的作用。     

基于厚硬岩层运动状态的采场应力转移模型及其应用

针对采场应力转移和厚硬岩层运动之间关系的问题,通过理论分析、数值模拟和微震监测等手段,首先,提出考虑水平应力影响的半封闭厚硬岩层采场空间模型及其平衡条件;其次,研究连续开采条件下覆岩状态及其载荷转移规律;最后,探讨采场竖直方向上水平应力转移机制。主要研究内容和结论:受水平应力影响的半封闭采场空间模型内,工作面开采同时伴随着覆岩破裂运动和应力转移2个过程,厚硬岩层不同运动状态是形成复杂覆岩结构和应力演化的主要原因;依据工作面两侧不同采动环境,划分工作面为首采、单侧沿空、两侧非充分采动、一侧非充分采动一侧充分采动和两侧充分采动等5种类型,分别得到了相应的工作面静态垂直应力大小;考虑水平应力集中影响的采场上覆厚硬岩层结构,得到了采场厚硬岩层水平应力集中估算方法及其拉伸破坏力学表达式。模型应用于5301工作面的开采实践,现场微震监测结果佐证了研究的合理性,并指导了工作面冲击危险性预测和安全开采,成果对相似条件矿井灾害防控具有指导意义。     

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。     

冲击煤层煤柱变形与地面建筑物保护关系研究

保护煤柱合理宽度(或停采位置)是确保地面重要设施长期稳定的关键。以山东某矿地面引水渠("南水北调"工程组成部分)下不规则下山保护煤柱宽度设计为工程背景,首先,通过分析煤柱变形可能引起地面建(构)筑物的破坏方式,提出了控制长期高应力作用下冲击煤层煤柱变形的原则:1走向方向煤柱不发生冲击失稳破坏;2走向方向煤柱不发生煤体长时强度降低而导致的失稳破坏;3倾斜方向煤柱保持均匀变形,从而使地面不发生明显拉伸破坏。其次,依据煤柱上方覆岩空间结构形式,建立了煤柱应力估算模型,提出了保持煤柱长期稳定及地面建筑安全的煤柱设计方法。最后,应用研究成果,分析了工程案例的煤柱应力、围岩稳定性和变形特征,并对该引水渠工程和井下开采设计进行了安全评估。该研究成果对类似开采条件下的保护煤柱宽度确定具有指导意义。     

辛置煤矿间歇开采岩移机理及沉陷规律研究

为了研究巨厚黄土层下间歇开采岩移机理及地表沉陷规律,基于辛置煤矿的地质采矿条件,对条带开采煤柱的稳定性进行了理论分析,得到了倾斜煤层煤柱稳定性的判别函数;采用UDEC数值分析方法反演了百亩沟村庄下前期条带开采覆岩及地表沉陷特征,揭示了岩层移动的机理,获取了研究区域主断面的地表沉陷值。隔离煤柱回收后,依据现场实测数据,分析了间歇开采地表动态和静态地表沉陷特征,求取了地表移动角值参数和概率积分预计参数。研究结果表明,前期条带开采煤柱能够形成稳定的核区,煤柱安全系数为2.34,关键层不破断,地表最大下沉217 mm,最大水平拉伸变形为0.41 mm/m,小于窑洞的Ⅰ级抗拉伸水平变形的临界值。间隔煤柱回采后,地表移动初始期和活跃期偏短累计219 d,最大下沉点下沉量与下沉时间服从负指数函数关系;地表终态最大下沉1 537 mm,水平拉伸变形为3.98 mm/m,地表建(构)筑物所受的采动损坏程度超过了Ⅱ级。间歇开采后地表沉陷下沉系数为0.74,开采影响传播角系数为0.6。     

高应力矿柱在动力扰动下力学响应研究

针对高应力矿柱在遭受爆破、震动、远场地震等外界动力扰动时,往往发生整体失稳,甚至坍塌的现象,对深部矿山二步骤回采预留矿柱进行简化并建立了地质和力学模型,并对应力波在矿柱中传播进行了力学分析;进而采用FLAC^3D数值模拟的方法研究了高径比为4的典型圆柱形矿柱分别在20 MPa、30 MPa、40 MPa静应力作用下竖向应力和塑性区的分布以及在此基础上分别受到峰值为10 MPa、20 MPa、30 MPa动力扰动时的力学响应特性。研究结果表明:矿柱在40 MPa高静应力作用下依然处于弹性变形阶段,可以保持自身的稳定;而高应力矿柱在遭到外界动力扰动时,会产生不同程度的塑性区,稳定性变差;静应力越大,动力的峰值越高,矿柱的稳定性越差,越容易失稳。得到了它们之间的定量关系并给出了保护矿柱稳定性的建议。     

近距离煤层群上行开采工作面巷道布置研究

钱家营矿主采煤层以典型的近距离煤层群形式赋存,为解决钱家营矿近距离煤层群开采中由于村庄压煤而面临的采掘衔接困难问题,对下部12_-1煤层开采的保护范围进行计算,并通过理论分析、数值计算、相似材料模拟试验等方法,分析了12_-1煤层开采后对9煤层的影响和破坏程度,研究了12_-1煤层回采后上覆岩层变形和应力变化以及煤柱区域垂直应力变化特征。结果表明:下部12_-1煤层开采后,对9煤层具有保护效果,采动影响系数K值为10.8~13.0,煤层破坏程度在30以内,9煤层总体形态较好,处于12_-1煤层的裂隙带中,应力降低明显,卸压效果显著。提出跨煤柱巷道布置方案,进一步减弱了采动影响。现场监测表明运用上行开采跨煤柱巷道布置方式对解决钱家营矿近距离煤层群的开采问题效果良好。     

短壁开采覆岩关键层黏弹性分析与应用

根据短壁开采条件下保护煤柱的布设特点，建立由保护煤柱支承的关键层力学分析模型。针对不同采场设计参数进行关键层受力及变形的弹性和黏弹性分析，得到弹性介质关键层下沉量的理论计算式，及黏弹性介质关键层变形随时间变化的表达式。评价不同采场参数对关键层随时间变形的影响，给出理想的建筑物下短壁开采设计参数范围，为“三下”开采设计和长期地表沉陷预计提供理论依据。     

深部机头硐室锚注和底板卸压联合支护技术研究

新庄煤矿胶带暗斜井沿煤层布置,暗斜井内铺设强力胶带输送机,第二部机头硐室变形破坏明显。研究该硐室锚注加固和底板卸压技术,对于硐室围岩的长期稳定具有重要的现实意义。基于硐室工程地质条件,采用理论分析、数值计算和现场工业性试验进行系统研究,研究结果表明:(1)硐室围岩岩性差,受井筒保护煤柱固定支承压力的作用,硐室围岩应力高、围岩有效载荷系数较大,造成硐室底臌和围岩变形破坏严重。(2)与卸压前相比,硐室底板开挖卸压槽以后,明显降低了硐室底板围岩铅垂应力和两帮围岩水平应力,而硐室顶板围岩铅垂应力、两帮水平位移量基本保持不变,所以底板卸压槽有利于硐室围岩的长期稳定。变形严重的机头硐室采用锚(索)网喷联合支护翻修以后,底板开挖卸压槽,硐室顶板、两帮采用注浆锚杆注浆,且两帮、底板(含卸压槽)采用锚索束注浆。项目实施以后硐室围岩处于稳定状态,现场工业性试验取得了成功。     

Width design for gobs and isolated coal pillars based on overall burst-instability prevention in coal mines

An investigation was conducted on the overall burst-instability of isolated coal pillars by means of the possibility index diagnosis method(PIDM). First, the abutment pressure calculation model of the gob in side direction was established to derive the abutment pressure distribution curve of the isolated coal pillar. Second, the overall burst-instability ratio of the isolated coal pillars was defined. Finally, the PIDM was utilized to judge the possibility of overall burst-instability and recoverability of isolated coal pillars.The results show that an overall burst-instability may occur due to a large gob width or a small pillar width. If the width of the isolated coal pillar is not large enough, the shallow coal seam will be damaged at first, and then the high abutment pressure will be transferred to the deep coal seam, which may cause an overall burst-instability accident. This approach can be adopted to design widths of gobs and isolated coal pillars and to evaluate whether an existing isolated coal pillar is recoverable in skip-mining mines.     

大采高沿空留巷围岩稳定性及形变规律分析

为了研究云驾岭矿深部大采高沿空留巷围岩稳定性及形变规律,采用理论分析、现场实测和实验室测试综合研究手段和方法,确定了试验工作面巷旁充填体支护阻力和留巷参数,构建了能够反映沿空巷道受初次采动围岩形变规律的回归函数模型,对比分析了一次和二次开采扰动下围岩的应力应变状态,探究了充填体上方顶板岩层的应力传递规律。结果表明,采用弹塑性力学模型得出的巷旁充填体的临界支护阻力和充填体宽度分别为4.1MN/m和2.47 m,经实验室测试和工业性试验,能够保持高水材料充填体的稳定。受初次采动影响,沿空巷道围岩位移量与工作面至测站点距离之间符合Slogistic增长函数模型,求解了巷道顶板、底板和下帮的最大变形量、变形量最大时工作面的位置以及达到最大变形时工作面推过观测站的时间。对于沿空巷道,工作面超前支承压力波及范围至工作面煤壁前方约34 m,留巷顶板3.8 m以浅的采动裂隙可能会导致顶锚杆锚固失稳甚至失效,充填体切顶阻力的“波动性”能够反映顶板岩层的分层垮落特征。     

浅埋近距离房式煤柱下采动应力演化及致灾机制

浅埋近距离房式煤柱下长壁工作面回采将受到上煤层采空区遗留煤柱和本煤层工作面动压的共同影响。针对石圪台矿3–1–2煤层工作面顶板压力大、支架被压死等问题,采用理论分析、数值模拟及现场试验等方法,探讨采动应力演化规律及压架致灾机制。研究结果表明,与莫尔–库仑准则相比,应变软化准则能够准确地反映上层遗留房式煤柱在下层长壁工作面采动应力影响下的变形破坏机制;当上层遗留煤柱较完整,下煤层工作面位于煤柱下方时,受煤柱应力集中及采动影响,下煤层工作面顶板沿煤柱边缘直接切落,载荷集中造成支架压死。通过采前或回采过程中爆破上层遗留煤柱,将顶板压力转移到工作面前方煤岩体内,有效减小工作面围岩应力集中,保证下煤层工作面安全开采。