高位硬厚岩层破断规律及其动力响应分析

 以杨柳煤矿10416工作面高位硬厚岩浆岩条件为背景,建立高位硬厚岩层三边固支一边简支弹性薄板力学模型,利用瑞利–里兹法,推导出硬厚岩层挠曲函数与应力近似解析式,得到破断跨度的计算式,并根据覆岩破裂形态提出破断步距的计算方法。采用微震、支架压力及地表下沉等监测分析,揭示高位硬厚岩层破断失稳规律及其动力响应。研究表明：高位硬厚岩层破断前的挠度最大点为(x =a /2,y =13b/(10π)) (a为硬厚岩层走向悬露长度,b为硬厚岩层沿倾向的悬露长度);当a＜1.049b时,硬厚岩层首先沿倾向固支边发生破断,否则首先沿走向固支边发生破断;硬厚岩层初次破断形式为沿走向对称而沿倾向非对称的“O-X”型,且破断后侧向跨度固支侧大于简支侧。高位硬厚岩层破断及运移过程中微震活动加剧,产生强微震活动,破断失稳期间支架压力显著升高,并引起地表下沉明显变化。高位硬厚岩层破断失稳引起强烈的动力响应,采用理论计算和微震监测可以进行分析预测。     

采场上覆大厚度坚硬岩层破断规律的力学分析

利用两端嵌固梁考虑体积力的力学模型，对厚层坚硬顶板的破断规律进行分析。利用岩层中应力场的分布，提出了大厚度坚硬岩层3种破坏方式的力学判断方法，分别为：(1)大厚度坚硬岩层中存在弱面和不存在弱面时两种状态下的剪开，从而导致其“关键性”下降；(2)全厚度范围内的压剪破坏；(3)紧靠端面的拉断破坏。从而为煤矿控制大厚度坚硬岩层的破断规律提供理论依据。现场实例检验表明，此方法可用于老顶初次断裂形态和步距的预测。     

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。     

覆岩组合运动特征及关键层位置研究

把煤矿覆岩的组合运动视为以坚硬岩层为依托的复合关键层的运动，运用弹性薄板理论和复合材料力学的层合板理论讨论了复合关键层的应力，从而为计算复合关键层的整体强度提供了途径；并且采用结构塑性极限分析方法解析得出了关键层失稳时的极限荷载，依据此极限荷载可以近似判断出覆岩中关键层的位置。     

综放面覆岩运动诱发冲击矿压机制研究

 基于砌体梁理论提出综放面覆岩运动的双向发展模式,分析综放面冲击矿压的能量来源和力源,利用微震监测技术对综放面覆岩运动的矿震效应进行监测。结果表明：覆岩运动的矿震活动呈周期性,冲击发生前矿震能量持续增大,冲击发生时达最大值,之后产生突降;冲击发生前,矿震频次先增大后有一定程度减小,冲击发生在频次下降沿,之后急剧下降;平均标高能够反映覆岩运动的空间形态,冲击发生前,平均标高逐渐增大,冲击发生或临近发生时,达到最大值,之后产生突降;矿震活动周期内,矿震空间分布先逐渐向上层位发展,冲击发生前,矿震空间分布达到最大值,工作面近距离岩层矿震活动强烈。指出综放面冲击矿压主要发生在覆岩运动下发展过程,可通过覆岩运动上发展过程的监测预防冲击矿压。     

矿震诱发型冲击地压临场预警机制及应用研究

矿震诱发型冲击地压预警是世界性难题,通过多年的监测预警机制研究和现场实测发现,采场监测区域内应力突降是此类型冲击地压的典型前兆之一。结合关键岩层断裂特征与煤岩体应力变化关系,得出依据矿震发生前煤岩应力突变规律实现临场预警的机制:高位关键岩层拉伸断裂前后采场超前应力从单峰演化为双峰状态,在关键岩层断裂位置下方煤岩体内出现应力突降,数分钟后因岩梁断裂回转,其下方支承区域内岩体受强烈动载破坏而引发矿震。根据临场应力突降值和突降范围,判定矿震对采场的危害程度和影响范围,进而及时作出现场避灾处理,结合开采前预判关键层破断步距和开采过程中高精度微震追踪岩层破裂高度,判断矿震发生的区域,提高临场预警的时效性和准确性。本文揭示的现象和关键数据为临场预警矿震诱发型冲击地压提供了一种直观有效的方法。     

地下大空间开挖引起覆岩离层的空间模型

地下大空间开挖以后,上覆岩层发生离层,各岩层层板之间发生相互作用,而且岩板又可以看作薄板来考虑,因此就可以采用经典弹性力学建立三维叠合板模型并研究地下大空间的上覆岩层的分布规律,计算出多层叠合板岩层的挠度及其离层量的大小.     

坚硬顶板控制放顶方式及合理悬顶长度的研究

 基于坚硬顶板长壁工作面初次跨落步距大、周期断裂悬顶长,对采场安全危害严重的特点,系统研究工作面顶板初次断裂的3种控制放顶方式和周期断裂的合理悬顶长度。通过建立两端固支岩梁力学模型,分析并比较采用循环浅孔拉槽、中部拉槽和端部拉槽等3种爆破控制放顶方式缩短坚硬顶板工作面初次断裂步距的拉槽深度与爆破工程量。结果表明,就爆破工程量而言,端部拉槽最小,中部拉槽次之,循环浅孔拉槽最大。通过顶板周期断裂悬臂岩梁力学模型的建立及其分析,基于工作面支架的设计工作阻力,推导顶板周期断裂的合理悬顶长度与工作面支架设计支护阻力,以及上覆岩层荷载和工作面控顶距之间的关系式。研究结果在晋城七岭煤矿15102工作面成功应用,可以为相应条件下坚硬顶板控制放顶提供理论依据与应用指导。     

采矿诱发地震分类的探讨

为有利于矿震灾害的预测、预防和治理,针对目前矿震各种分类间尚未建立起相互联系体系的现状,应用该灾害机制的最新研究成果,按照有利于对症治理灾害的原则,照顾到已被普通接受的习惯,提出矿震层级分类的概念、原则和优越性。按照矿震发生受原生构造应力场作用方式、岩石介质物理力学性质及岩层力学结构对矿震的控制作用、矿震与采矿活动的相关性、次生应力场动力来源和矿震发生及破坏的部位分出5个层级16种矿震类型,强调区域构造应力场和开挖造成的岩体应力状态改变在矿震分类、研究和治理中作用的重要。     

覆岩关键层运动诱发冲击的规律研究

基于岩层运动关键层理论,研究了覆岩关键层破断规律,从力学机理上分析了覆岩关键层正"O-X"型破断时,矿山压力达到最大值,极易导致强矿震、冲击矿压的发生。利用微震监测系统,对关键层破断诱发冲击矿压进行定位分析,证明了高能量级别的矿震大多数发生在工作面推进过程中覆岩关键层处于正"O-X"型破断位置。研究表明由关键层运动破断诱发冲击矿压前后,微震事件的时空演化规律、前兆信息显著。研究结果为利用岩层运动理论与微震监测相结合的方法预测冲击矿压奠定了基础。     

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。     

Behaviors of overlying strata in extra-thick coal seams using top-coal caving method

Accidents such as support failure and excessive deformation of roadways due to drastic changes in strata behaviors are frequently reported when mining the extra-thick coal seams Nos.3e5 in Datong coal mine with top-coal caving method,which significantly hampers the mine's normal production.To understand the mechanism of strata failure,this paper presented a structure evolution model with respect to strata behaviors.Then the behaviors of strata overlying the extra-thick coal seams were studied with the combined method of theoretical analysis,physical simulation,and field measurement.The results show that the key strata,which are usually thick-hard strata,play an important role in overlying movement and may influence the mining-induced strata behaviors in the working face using top-coal caving method.The structural model of far-field key strata presents a "masonry beam" type structure when"horizontal O-X" breakage type happens.The rotational motion of the block imposed radial compressive stress on the surrounding rock mass of the roadway.This can induce excessive deformation of roadway near the goaf.Besides,this paper proposed a pre-control technology for the hard roof based on fracture holes and underground roof pre-splitting.It could effectively reduce stress concentration and release the accumulated energy of the strata,when mining underground coal resources with top-coal caving method.     

冲击性顶板运动及其应力演化特征的3DEC 模拟研究

 采用三维离散元程序建立煤层综放开采模型，研究综放工作面推进过程中采场、采空区上覆顶板岩层的冲击性运动形式和分段性垮落形态，记录并且分析采场动态推进过程中，采动围岩中岩层块体垂直应力、水平应力的动态演化特征。研究结果表明，采空区基本顶的运动形式、来压周期、来压强度与直接顶的垮落厚度有关；支架后方的直接顶挤压成拱缓冲了基本顶的来压冲击强度，同时也改变了其来压步距。随着工作面向跟踪块体方向的推进，块体垂向应力、水平应力存在高低应力分区，并且不断地波动，岩层应力峰值位置随着岩层高度的增加稍向煤壁前方移动。     

弹性薄板理论在地下采场顶板变化规律研究中的应用

以大同矿务局四老沟煤矿8402工作面为工程背景,根据地下采场中围岩结构和岩体中存在着各种结构面的力学特征,假设关键层沿工作面方向上被结构面族分割成一系列相互作用的矩形岩板,以此建立弹性薄板组的力学模型;应用数值模拟技术研究该模型的挠曲和应力分布,结合工程现场实测数据,总结出来压时沿工作面方向上工作面中部极限强度较小的岩板首先发生破断,相邻岩板的支承边界变得不利,随着工作面的推进和载荷的增大,相邻岩板相继破断,依此类推直至岩板破断到工作面两端的关键层破断规律;合理解释工作面中部的支架工作阻力大于其端部支架工作阻力的现象和关键层来压比较强烈的原因。     

厚表土薄基岩煤层开采覆岩运动规律

 厚表土薄基岩煤层采用综放开采后基本顶将难于形成稳定结构,发生滑落失稳导致工作面“压架”,在对薄基岩定义的基础上,综合采用实验室试验、理论分析、数值模拟和现场实测的方法对薄基岩煤层开采上覆岩层运动规律进行了研究。研究结果表明,若其他条件不变,“砌体梁”结构的稳定主要取决于基岩厚度和上覆表土层的力学性质及厚度,具有较大承载力的厚黏土层能与薄基岩组合形成稳定的结构,降低稳定结构所需最小基岩厚度。由此建立薄基岩工作面结构力学模型,并针对司马矿具体条件分析认为当表土为松散砂土,最小基岩厚度40 m;当黏土厚度40 m,最小基岩厚度20 m;黏土厚度30 m,最小基岩厚度30 m。据此提出首采面可安全开采,在现场工业性试验中得到成功验证。     

沿空留巷采场围岩力学特征数值模拟研究

为揭示沿空留巷采场上覆围岩的力学特征,以谢桥煤矿12418工作面地质和开采技术条件为背景,采用数值模拟进行了计算和分析。研究表明:工作面上覆围岩存在应力壳(高应力束组成)和老顶岩层承载结构,共同承担、传递和转移上覆岩体的荷载,工作面位于两者保护的低应力区内。工作面围岩破坏场发育在高应力集中区下的卸压区内,而破坏造成的离层区域位移量最大。沿空留巷的刚性充填体导致其自身和覆岩处于高应力状态,形成完整未破坏区域,降低了采空区上方破坏区的高度和范围,使本工作面采空区上方破坏区不能与临近破坏区贯通,瓦斯得不到有效释放和卸压。在倾向方向,工作面中部垂直位移大于上部和下部,对充填体产生向巷道内的水平推力,充填体水平位移较大,不利于巷道围岩稳定性控制。因此,合理控制充填体的强度和刚度是沿空留巷开采取得最佳效果的关键。     

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。     

“两硬”条件下综放面支架围岩关系

依据对忻州窑矿８９１６综放面矿压的观测，论述了“两硬”条件下综放面矿压显现特征、支架初撑力与阻力的关系和悬梁式力学模型。结论是“两硬”条件下综放面既保持了坚硬顶板的显现特征，又具有放顶煤垫层的特性，支架合理工作阻力应以悬梁力学模型为基础，用垫层效应系数来修正。     

综采面多层坚硬顶板破断特征及其安全控制研究

祁东煤矿8_2煤层覆岩存在多层厚度较大坚硬岩层,初次跨落步距大,周期断裂悬顶长,严重危害工作面的安全生产。通过分析坚硬顶板的岩梁结构、力学特性,建立了初次来压双固支梁模型,判断出关键层的位置,获得了顶板初次垮落及周期垮落步距。并建立了有矸石支撑的周期跨落悬臂梁模型,根据平衡关系计算得到给定支架载荷下的合理悬顶长度。采用超前深孔预裂爆破技术弱化坚硬顶板,设计了合理爆破参数。开采实践表明,采用的爆破技术实现了对坚硬顶板的有效控制,减小了基本顶跨落步距,降低了来压程度,保证了工作面的安全正常开采。