西部矿区弱胶结地层工程围岩稳定性控制研究进展

我国西部矿区开采地层主要由侏罗系、白垩系地层构成,该地层岩石总体表现为强度低、胶结性差、易崩解等特性,属于弱胶结岩石。弱胶结地层工程围岩与中东部矿区地层岩石差异性较大,工作面顶板控制、巷道围岩控制等采用传统的控制技术很难有效保障工程的安全性,常出现巷道大变形失稳、工作面压架、突水、溃沙、冲击地压等灾害。通过大量的调研和室内试验,获得弱胶结岩石抗拉、抗压等力学指标远小于中东部矿区同类岩石力学指标,建立了多因素耦合作用下的弱胶结岩石的变异程度评估指标体系,初步获得了典型矿区弱胶结岩石的变异性程度。以红庆河煤矿弱胶结岩石为例,发现了弱胶结岩石在力、水等载荷作用下,具有“类相变”现象,分析了胶结度对类相变现象的影响,给出了弱胶结粗粒砂岩的“类相变”状态特征及其敏感性参数。分析了导致工作面支架压架、突水溃沙灾害发生的覆岩垮落带、断裂带动态发育规律以及巷道围岩大变形规律,推演了弱胶结地层大采高工作面不同开采阶段垮落带动态变化表达式,建立了支架-围岩相互作用模型,给出了工作面来压和非来压期间支架工作阻力;针对弱胶结地层的松散弱特性,提出了巷道围岩双壳加固技术,可为工作面安全开采和巷道围岩控制提供保障...     

新疆大井矿区厚煤层分层开采形成再生顶板的研究

第一层是压实的浮煤层,随采随落,为工作面伪顶,可作为进入假顶的标志层;第二层为灌浆和松散破碎岩石组成的胶结层,厚度一般400~800mm,为下分层的直接顶板;第三层位于胶结层之上,为上分层开采时垮落带内的冒落岩层;第四层为上分层开采时裂隙带内的岩层,岩层完整性较好,岩石块度较大。     

西部典型矿区弱胶结地层岩石的物理力学性能特征

西部矿区弱胶结岩层与中东部矿区岩层力学性能之间的差别认识不清是导致西部矿区开采过程中灾害性事故频发的根本原因。通过现场调研、理论分析、实验室实验等方法,研究了我国煤矿区弱胶结地层地域分布规律,选取新疆矿区大井南一井和苇子沟矿、鄂尔多斯矿区的营盘壕矿、大海则矿、陶忽图矿、高头窑矿等6对典型矿井岩石物理力学数据,分析了密度、孔隙率、含水率、弹性模量、抗压强度、抗拉强度、黏聚力、内摩擦角、泊松比等参数随埋深变化规律。现场采集了红庆河煤矿的砂质泥岩进行了崩解实验。研究结果表明:弱胶结地层主要分布在我国的新疆地区、鄂尔多斯盆地矿区、蒙东矿区,岩石成岩不充分,岩石强度普遍偏低,具有明显的松、散、弱的特性;西部矿区岩性主要为砂岩、砂质泥岩及泥岩,胶结物大多为泥质;岩石密度与埋深呈正相关,随埋深增加呈线性递增,岩石孔隙率、含水率与埋深呈负相关;岩石的弹性模量、抗压强度、抗拉强度、黏聚力随埋深增加具有一定的线性递增关系;岩石的泊松比、内摩擦角与埋深无明显的相关性;实验发现弱胶结岩石遇水后具有强烈的崩解性,循环次数越多,崩解后的粒径越小越均匀,弱胶结岩石的强崩解性是导致西部矿区采场导水裂隙带高度增大的主要因素;弱胶结岩石强度普遍低于中东部同类岩石强度;建立岩石物理力学性能集合可进一步明确中西部岩石间差别。     

基于BOFDA的覆岩采动"两带"变形表征研究

为研究荫营矿150313工作面两带高度的光纤应变表征方法,分析了BOFDA的应变监测原理,建立了光纤应变表征冒落带和裂隙带岩层变形的力学分析模型,详细分析和讨论了两带范围内岩块位移变形时水平光纤、垂直光纤的应变变化特征,得出光纤应变变化和岩层破断垮落强度、垂直位移量成正相关关系;光纤应变突变点表征了岩块的破断垮落位置,光纤应变突变点之间的范围表征了岩层变形的范围。并进行了基于BOFDA技术的平面模型相似模拟试验,试验结果表明,两带发育规律和BOFDA光纤应变曲线有明显的对应关系:垂直光纤应变不仅表征了采动两带在采场横三区横向演化过程的变形特征,还表征了岩层垮落的高度和垮落强度;水平光纤应变曲线不仅表征了两带范围内岩层的垮落范围和垮落强度,其多级凸台曲线同样表征了采场横三区岩层破断垮落的不均衡性。相似模拟试验得到该工作面的实际冒落带高度和裂隙带高度,与理论计算数值吻合,符合该矿实际情况。研究结果为BOFDA技术在上覆岩层变形的物理模型试验中应用提供了可靠依据。     

矿岩的物理化学胶结加固试验

在沃尔库塔煤矿公司“工业化”矿井,为了预防冒顶事故,并为在顶板破碎地区的回采创造良好的工作条件,对不稳固的岩石用注入胶结浆液的方法进行了物理化学胶结加固试验。当1013-长壁工作面通过地质褶皱破碎带时,对采煤工作面和直接顶板的下部岩层进行了化学胶结加固。褶皱地带的岩石强度低,裂隙发育,致使工作面煤层塌落和顶板冒落。顶板冒落高度达1.5～2米,工作面塌落深度2～2.5米。顶板上有泥板岩     

弱胶结地层大采高工作面覆岩“两带”发育高度研究

弱胶结岩体遇水易软化劣化,采用传统的地面和井下钻孔注水观测、钻孔电视观测难以准确的判断垮落带和导水裂隙带的界限,且钻孔易塌孔,钻孔电视成像较为模糊。以新上海一号煤矿为例,通过崩解试验和不同含水率下岩石力学测试,得出泥岩遇水泥化、砂岩遇水崩解,且强度随含水率的增大而降低;泥岩饱和单轴抗压强度大多数小于20MPa,砂岩单轴抗压强度0～70MPa不等,覆岩类型划分为中等;采用分布式光纤和并行电法等手段,15煤垮落带、导水裂隙带发育高度分别为46.7m、75m,垮采比为12.62,裂采比为20.27,并与数值模拟结果和经验公式进行对比,垮落带实测值较预计值大,导水裂隙带较实测值较数值模拟结果相对较大,与经验预计值相对偏小。研究结果可为类似矿井提供数据参考,也为弱胶结松软地层覆岩破坏提供技术监测手段。     

基于微震监测的综放工作面覆岩“两带”高度确定

为了实现微震监测确定综放工作面覆岩垮落带、裂缝带高度的目的,为综放工作面的“两带”研究提供依据,通过微震监测,分析了“两带”微震事件分布特征,确定了“两带”高度,经地面钻孔探测,验证了微震监测覆岩“两带”高度的可行性。研究表明:现场微震监测了垮落带岩层“裂隙产生—裂隙扩展—岩层断裂—岩层垮落”的过程,以微震事件分布密集且分层集中为主要特征;裂缝带岩层“裂隙产生—裂隙扩展—岩层断裂”的过程,以微震事件分布不集中,自下而上逐渐减少甚至消失为特征;同一属性岩层微震事件具有明显的分层特征,低位分层微震事件集中、高位分层微震事件明显减少的特征,综合利用微震事件分布及分层集中特征作为判断“两带”的重要依据,分析得到垮落带的高度为109m,裂缝带岩层高度246~380m。微震监测“两带”高度较实测结果有些偏差,但基本可以满足现场需要。     

综放工作面上覆岩层变形破坏时空演化特征试验研究

采用相似模拟实验方法进行采空区工作面顶板垮落过程中上覆岩层变形破坏试验研究。以CCD相机构建实验图像数据采集系统,采用数字散斑相关方法对上覆岩层位移场和垮落角进行了分析,研究了上覆岩层垮落区域裂隙演化、位移演化及偏态特征。研究结果表明:工作面顶板垮落过程中上覆岩层垮落角角度随垮落区域形状不断变化,垮落高度逐渐减小直至平稳,垮落面积逐渐增大直至平稳;在竖直方向上,上覆岩层垮落带呈宽缓的W型沉降、裂隙带和弯曲下沉带呈V型沉降;在水平方向上,下部上覆岩层向两侧移动、上部岩层向中间移动,造成各岩层间发生摩擦滑动,并对两侧未开挖区域及煤柱产生弯矩作用;工作面顶板跨落后形成偏态,开切眼侧垮落角大于开采侧垮落角,并在开采侧形成岩移角,开切眼侧的下沉曲线较陡、工作面侧下沉曲线较缓。根据实际工程背景,计算了地表塌陷影响范围,为煤矿开采对上覆岩层影响范围和程度以及后续采空区治理等问题评估提供了必要依据。     

浅埋煤层大采高超长工作面垮落带高度的研究

通过对不同采高、不同长度、不同支护强度的浅埋大采高超长工作面进行理论分析及数值计算分析,对工作面顶板垮落带高度进行总体研究.结果表明:1)顶板垮落带高度随着采高及工作面长度的增大而呈指数增大;但是工作面长度对垮落带的影响较小.2)给出了采高、面长的单因素及双因素对顶板垮落带高度的影响的回归公式.3)通过对比分析,本文公式比传统的顶板冒落带高度公式更接近大采高工作面的实测规律,因此更能给采煤工作面选择合适的支护措施提供技术保障.     

综放工作面垮落带高度测定方法研究

为解决高瓦斯矿井综放工作面垮落带高度难以精确测定,造成工作面两端头难维护、预抽钻孔终孔位置难以确定等问题,依据工作面采动后顶板岩层破断垮落、弯曲下沉对采空区煤层底板施加压力的情况,结合采空区上覆各岩层的厚度和密度,提出了垮落带发育高度的测定方法。以大平矿N1S2综放工作面为例,现场测试结果表明:利用该测定方法测得的垮落带高度为88.65 m,钻孔冲洗液法测得的垮落带高度为88.20 m,二者绝对误差仅为0.45 m。     

采空区覆岩破坏变形特征研究

以成庄矿4322综采工作面为工程背景,采用分析软件RFPA 2D对该工作面采空区覆岩破坏变形特征进行了数值仿真模拟研究。结果表明:受采矿应力大小、类型及分布等差异性影响,导致不同层段覆岩垮落、裂隙发育程度及类型、裂隙发育高度不同,并在采空区覆岩自下而上依次形成“垮落带、裂隙带及下沉弯曲带”等三个特征明显的采矿破坏变形带。采空区稳定形成后,垮落带最大发育高度达24 m(约3~4倍采高),裂隙带最大高度可达56 m(约9倍采高)。     

综放面覆岩导水裂隙带高度的确定

为了确定长壁综放工作面覆岩导水裂隙带高度，以便为矿井开采提供设计依据，根据某矿长壁综放工作面开采技术条件和岩石力学性能等参数，建立力学模型，运用岩石破断过程分析软件RFPA^2D，对自开切眼至充分采动全过程覆岩随工作面推进时的变形、冒落情况进行了数值模拟，由此确定了覆岩导水裂隙带高度．用经验公式对覆岩导水裂隙带高度进行了计算，采用简易水文观测法对覆岩导水裂隙带高度进行了测定．结果表明数值模拟所得到的覆岩导水裂隙带高度与现场钻探结果比较接近，而由经验公式得到的结果偏于保守和安全，从而为确定覆岩导水裂隙带高度提供了一种新的、有效的方法．     

洛河组砂岩含水层下大采高工作面导水断裂带演化规律

针对旬耀矿区厚煤层大采高工作面上覆洛河组砂岩含水层下的安全采煤问题,采用理论分析、相似材料试验和数值模拟研究了某矿1109大采高工作面覆岩破断及裂隙演化规律。研究表明:上覆岩层经历了直接顶破断、基本顶初次破断与周期破断、亚关键层初次破断与周期破断5个阶段,破断发生引起工作面煤壁上方裂隙密度和开度发生跃变,采空区覆岩裂隙经历孕育、产生、张开、闭合、压实5个动态阶段;从开切眼到充分采动过程中,在裂隙带的上部、工作面煤壁上方及开切眼上方裂隙较为发育,裂隙区近似"抛物线"状,采空区中部覆岩裂隙闭合而边界处裂隙不易闭合;工作面充分采动后,导水断裂带发育高度82~85 m,未导通上覆洛河组砂岩。     

厚松散层软弱覆岩工作面“三带”发育特征与高度研究

为探究厚松散层软弱覆岩地质条件下采动覆岩运移规律,基于葛泉煤矿11915工作面采矿地质条件,采用室内相似模拟方法,分析该工作面推进时的直接顶初次垮落、高位覆岩破坏动态过程,得出该工作面覆岩垮落带、断裂带与弯曲带(简称“三带”)高度范围;分析了采动覆岩“三带”内岩层位移特征,得出位于垮落带、断裂带与弯曲带内的岩层位移曲线呈波动性递减趋势。研究结果表明：11915工作面垮落带范围为10～25 m,断裂带高度范围为43～48 m,位于48 m之上的岩层属于弯曲带范围,相似模拟结果与现场实测结果相近,验证了相似模拟实验的合理性。     

综放开采沿空留巷围岩变形特征

为研究综放开采沿空留巷围岩变形特征,以山西铺龙湾煤业有限公司4102综放工作面为工程背景,从理论层面分析了沿空留巷围岩大变形机理,发现4102综放工作面沿空留巷围岩发生大变形主要原因是基本顶关键块体断裂回转使留巷位置由低值应力区变为高值应力区,在此基础上采用FLAC3D软件对沿空留巷围岩应力分布规律及变形特征进行分析。结果表明在支护初期巷旁支护体垂直应力为1.5 MPa,巷道围岩水平位移极小,当基本顶发生断裂后,巷旁支护体垂直应力增加,最大达3.22 MPa,此时的变形速率也达到最大,随着上覆岩层触矸,巷道围岩垂直应力及两帮变形速率也逐渐稳定。     

三软煤层综放工作面覆岩垮落及裂隙导水特征分析

通过大南湖一矿三软煤层工程地质条件及煤岩物理力学参数的综合分析与测定,开展了对应条件下的物理相似模拟,分析了综放工作面围岩运移及覆岩破坏高度,探索了现场支架实测阻力与覆岩裂隙导水位置、导水量间的关系。综合分析表明:1303综放工作面顶板垮落带高度为20 m,模型表面裂隙延伸高度观测结果与3D钻孔电视合成的钻孔内壁破裂剖面揭示出的裂隙延伸高度均为98 m,与经验公式计算基本一致。工作面超前影响范围随开采范围而增大,最终趋于稳定。1303综放面工作面划分为两个较为明显的压力集中区,工作面裂隙导水量、导水位置与压力集中区中支架压力变化相关,覆岩裂隙导水显现的位置处在工作面中下部顶板压力集中显现区(2区)的位置几率较大。建议1303工作面提前疏放上覆含水层以及老窑积水的同时,加强对两个压力集中区(1区和2区)的监测,尤其是2区,密切关注架后顶板垮落情况与工作面淋水量变化,及时的给出来压预警与导水位置及导水量预测。     

红泥坡铜矿采场覆岩变形破坏规律试验研究

为探讨红泥坡铜矿采场上覆岩层变形破坏、岩层冒落演化规律,采用相似模拟试验开展了相关研究。研究结果显示:在空场条件下,当开采至第三分段时,采场直接顶板发生冒落,冒落高度达8～10m,上覆岩层位移0.1～0.3m,若继续开采,采空区冒落高度达29m左右,上覆岩层最大位移达到0.6m;当矿体开采第一分段时,上覆岩层应力状态变化已发展至近地表覆盖层的局部区域,开采第二分段时,地下采动作用对近地表覆盖层应力场的影响范围逐渐增大且覆盖层呈现出不均匀的变形状态,若继续开采,上覆岩层应力场将受到明显影响,研究结果对矿山生产规划及岩层控制具有理论指导意义。     

Similar material simulation research on movement law of roof over-lying strata in stope of fully mechanized caving face with large mining height

Similar material simulation test was carried out in a geological model of W_9–15101 fully mechanized caving face with large mining height in the Liuhuanggou Colliery, in Xinjiang Uigur Autonomous Region. The roof overlying strata movement law in the stope of a fully mechanized caving face with large mining height was studied and show that the roof overlying strata in the stope of a fully mechanized caving face with large mining height can be formed into a stable arch structure; the fracture rock beam is formed resembling a “bond beam”, but it has essentially the structure of “multi-span beams” under the big structure of the stable arch. The roof overlying strata movement law in the stope of a fully mechanized caving face with large mining height is similar to that of the common, fully mechanized caving stope, which is determined by the deformation and instability of the structure of “multi-span beams”. But because of the differences between the mining heights, the peak pressure in the stope of a fully mechanized caving face with large mining height is smaller while the affected area of abutment pressure is wider in the front of the working face; this is the obvious difference in abutment pressure between the stope of a fully mechanized caving face with large mining height and that of the common.     

综放面覆岩破裂数值模拟及高位钻场参数优化

基于准确划分煤层上覆岩层"竖三带"的煤层法向分布范围,根据鹤壁九矿长壁综放工作面开采技术条件和岩石力学性能等参数,建立力学模型,运用岩石破裂过程分析软件RFPA2D,对上覆岩层随工作面推进时的变形、冒落情况进行了数值模拟,得到了顶板由变形到破坏的全过程及其破坏的规律。用经验公式对覆岩裂隙带高度进行了计算,综合判定了工作面上覆岩层的裂隙带高度为23.5～55m,高位钻场抽采参数优化后,其平均抽采量达到7.36m3/min,较好地解决了采空区瓦斯涌出问题。