采场顶板关键层"横U-Y"型周期破断特征的试验研究

针对部分坚硬顶板矿井采动导水裂缝带处于8~15倍采高的高位关键层,"横O-X"破断运动引发工作面动载矿压甚至压架、临采空侧回风平巷超前100~200 m底鼓大变形等动力灾害的问题,采用自制的大尺度三维物理模拟实验平台,研究高位关键层的破断运动特征。结果表明:关键层发生横向破断时,首先,关键层板正面两侧长边和反面中部长轴方向同时形成破断裂隙;其次,关键层板正面两侧短边形成弧形裂隙,而反面沿中轴线端点同步形成八字形破断裂隙;再次,在板正面形成"O"形裂隙的同时反面形成"X"形裂隙,正面形成"U"形裂隙的同时反面形成"Y"形裂隙;最后,正反面裂缝贯通形成"横O-X"型初次破断和"横U-Y"型周期破断,在工作面上方形成"弧形三角板"和巷道上方形成"梯形板"的破断块体结构。统计发现,"横O-X"型初次破断步距与"横U-Y"型周期破断步距长度基本一致;横向破断形成的"弧形三角板"块体角度为75°~78°,与腰线和弧形切线形成的夹角72°~82°基本相等,近似于一个等角的"弧形三角板"。砌块模型试验结果表明,"弧形三角板"块体大幅回转过程中,因其顶点易与"梯形板"结构发生回转变形失稳而出现脱离现象,导致"弧形三角板"滑落失稳从而会引发工作面强矿压。研究成果为大采高开采工作面强矿压灾害防治提供试验基础。     

多关键层厚硬顶板覆岩破断运动规律研究

针对榆神矿区多层厚硬顶板条件下工作面“大、小周期来压”现象及矿压显现强烈问题，综合采用理论分析、数值计算以及微震实测等手段，对曹家滩矿多层厚硬顶板条件下工作面顶板破断运动及工作面来压规律进行分析研究。结果表明：垂高40m范围内的低位基本顶及关键层是影响工作面“小周期”来压的主要顶板层位；垂高70～150 m范围内的中高位关键层破断具有“低频次”“大断距”的特点，并与“大周期”存在密切关联；高低层关键层破断的时空叠加是工作面发生“大周期来压”的重要致因。研究结论对深化榆神矿区类似地质条件下工作面“大周期”强矿压现象的理解以及指导后续系统治理工程实践的开展具有积极指导意义。     

7.0m大采高工作面覆岩破断及矿压显现规律研究

为解决神东矿区7.0 m大采高综采工作面的安全高效开采问题,采用现场实测、理论分析和物理模拟的手段,对19个特大采高工作面的矿压规律和关键技术进行研究。研究结果表明:特大采高工作面矿压显现较普通采高工作面更加强烈;由于特大采高工作面采高明显增大,覆岩第一亚关键层易进入垮落带,难以形成"砌体梁"结构,而呈"悬臂梁"结构周期性破断,形成工作面的周期来压,其持续长度与支架控顶距接近,较关键层"砌体梁"结构来压持续长度明显偏大;并且随着埋深的增大,高位关键层的破断对特大采高工作面矿压显现的影响也逐渐加大,多关键层的同步破断显然会传递更大的覆岩载荷,进而加剧了工作面矿压显现。针对特大采高工作面的矿压显现特征与特殊的覆岩破断规律,建立了支架合理工作阻力的确定方法,研发了特大采高工作面开采设备,开发了大断面巷道支护技术、强制放顶技术和末采快速贯通技术,实现了特大采高工作面的安全高效开采。     

防冲煤柱对高位巨厚岩层下开采动力灾害的防治研究

高位巨厚关键层下开采,采动应力异常集中,极易诱发冲击地压、矿震等动力灾害。采用三维数值模拟,研究了防冲煤柱对巨厚岩层的控制作用和抑灾效果。结果表明,与完全垮落法相比,留设防冲煤柱可大幅度降低回采期间工作面的支承压力,使工作面整体处于较低的静载水平。留设防冲煤柱时,上覆巨厚关键层可保持稳定,避免巨厚关键层大范围破断运移对工作面造成冲击,减少工作面动力灾害的发生。     

近浅埋煤层双关键层结构对工作面来压影响研究

该文针对鄂尔多斯地区典型近浅埋煤层的实际地质情况,在"关键层"理论的基础上,对近浅埋煤层大采高工作面矿压规律及采场上覆岩层运动特征进行了研究。研究发现:主、亚关键层在不同的破断距和破断形式的相互作用直接导致采场周期来压步距和来压强度均呈现非均匀性周期变化,并通过关键层破断对采场来压影响分级和现场实测等方法对理论分析结果进行了验证。论文对近浅埋煤层长壁开采的特殊来压规律进行合理解释,为现场工作面安全生产提供理论依据。     

大空间采场远场关键层破断形式及其对矿压显现的影响

针对大同矿区特厚煤层综放大空间采场易出现大周期强矿压现象的特点,采用理论分析与现场实测方法,研究大空间采场上覆远场关键层破断形式及其对采场矿压显现的影响机制。首次提出大空间采场覆岩远场关键层"横O-X"破断的"三角板"结构力学模型,并初步分析了"三角板"结构的动态失稳过程,指明远场关键层"三角板"结构失稳是引发采场出现大周期强矿压显现的主要原因,这一结论也得到大同矿区特厚煤层开采实践的证实。此外,远场关键层破断影响采场矿压的现象在神东矿区亦有发生,且其"横O-X"破断特征也得到了地表采动裂缝形态的验证。研究结果可为大空间采场强矿压显现的科学控制提供指导。     

远场高位厚硬岩层破断运动机理及响应规律研究

掌握远场高位厚硬岩层破断运动规律对于地表剧烈沉降、强矿震等灾害安全防控具有重要作用。以营盘壕煤矿2201、2202工作面为研究背景，建立远场高位厚硬岩层破断力学模型，采用符拉索夫厚板理论分析白垩系砂岩组破断运动规律及其影响因素，并通过地表沉陷、微震响应规律进行验证分析。得出如下结论：(1)针对白垩系砂岩距煤层远、厚度大、整体性好的赋存特征，建立了远场高位厚硬岩层破断力学模型，采用符拉索夫厚板理论解算出了高位厚硬岩层初次破断临界力学条件。(2)随着抗拉强度增大，厚硬岩层破断悬露长度依次呈现缓慢增长、线性增长和指数型增长特征；随岩层厚度增大，厚硬岩层破断悬露长度近似呈现指数型增长；随着倾向悬露长度（工作面宽度）增大，厚硬岩层破断悬露长度呈现先增大后逐步减小的变化趋势。(3)营盘壕煤矿2201工作面推采过程中，厚硬岩层不会发生破断；当2202工作面推采至960 m左右时发生竖向“O-X”破断；随着工作面继续推进约188 m，厚硬岩层将发生周期性破断。(4)地表沉陷监测结果表明，2201工作面推采期间地表沉降值整体较小且无较大变化，以小能量微震事件为主；2202工作面推采期间地表下沉依次经历了...     

近距离亚关键层大采高综放开采覆岩失稳机制及矿压规律

为研究郭家河煤矿覆岩破断失稳机理及矿压显现规律,综合运用关键层理论、断裂力学、相似试验及现场实测等多种方法,对老顶与亚关键层的失稳条件、破断形式、工作面来压特性进行了分析。结果表明:在当前开采条件下,老顶发生切落失稳,亚关键层发生回转变形失稳,工作面呈现"大来压"与"小来压"特性,降低采放比可有效减小矿压显现程度。     

鄂尔多斯矿区典型厚顶宽煤柱采场冲击地压机理

以门克庆煤矿3102工作面为背景,对多层厚顶板宽煤柱采场冲击地压诱发机理、冲击显现规律展开研究.研究结果表明:多层厚顶板具有近场关键层竖"O-X"、远场关键层横"O-X"破断特征及"分步异化"的周期来压规律;宽煤柱应力随3102工作面推进由非对称马鞍形逐步演化为单峰形;工作面超前区域及宽煤柱受支承压力叠加影响静载应力很高,为冲击高危险区域;当关键层破断释放能量与宽煤柱煤体积聚的弹性能叠加超过其承载极限,将诱发临空巷道冲击显现;现场多层厚顶板大周期、中周期及小周期来压步距分别为141.6 m,43.2～49.6 m,17.6～27.2 m,大周期来压期间微震能量、频次及支架工阻增量最高,微震空间分布与高静载应力区域重合,理论分析与现场实际相符.     

覆岩多层坚硬顶板条件下特厚煤层综放工作面支架阻力确定

为分析覆岩多层薄采空区坚硬顶板条件下特厚煤层工作面的强矿压显现机理,合理确定工作面支架支护阻力,采用理论分析、相似模拟与现场实践相结合的研究方法,对特厚煤层开采条件下的多层顶板破断规律与工作面支架阻力确定问题进行了探讨,得出了工作面支架阻力确定原则与方法。研究表明:多层坚硬顶板的破断形式与破断次序对工作面矿压显现影响较为明显;关键层顶板的单层垮断或多层同步失稳将对应不同的工作面支架阻力;坚硬厚层顶板同步失稳条件下,单纯提高支架阻力将难以满足特厚煤层工作面合理支护要求。以大同矿区某煤矿工作面生产实际为背景,对特厚煤层工作面进行了支架合理选型同时配以坚硬顶板的水压致裂控制技术,取得了良好的顶板控制效果。     

强冲击大采高工作面关键层周期破断规律研究

为探究强冲击大采高工作面关键层周期破断规律,以内蒙古鄂尔多斯母杜柴登矿井30202工作面为例,采用即时加载带理论对上覆岩层进行了划分,在进行了钻孔揭露覆岩层位分析后,理论计算了坚硬砂岩组覆岩周期破断步距,结合微震监测数据分析了影响工作面冲击危险的关键层位。研究结果表明30202工作面上覆岩层中,中高位顶板周期破断对工作面冲击危险存在重要影响,中高位顶板周期性破断期间大能量事件频发,须做好工作面周期来压期间冲击地压防治安全技术措施。     

千米深井超长工作面顶板分区破断驱动机制与围岩区域化控制研究

我国煤矿开采深度和工作面长度不断增加,矿压显现剧烈程度逐年走高。为提高深部超长工作面围岩控制效果,以中煤新集口孜东矿121304工作面为工程背景,采用现场实测、理论分析、室内试验等手段研究顶板微震活动规律,揭示顶板分区破断与动态迁移机制。结果表明：千米深井超长工作面支架阻力呈现“中间小、两端大”的谷形分布特征,顶板破断有异于常规采场的“O-X”模式;工作面不同推进阶段,顶板破断引起的高能级微震事件位置在工作面长度方向上动态变化,表明基本顶破断存在分区和动态迁移现象;工作面中部高能级微震事件携带能量小于工作面两侧,造成中部动载冲击效应弱,与支架阻力谷形分布吻合;将超前采动应力大于基本顶初始屈服强度的区域定义为峰值影响区,区内应力集中驱动超前裂隙萌生,应力释放和应力旋转促进裂隙扩展,揭示了旋转性采动应力驱动超前裂隙发育机理;构建了基本顶分区破断与动态迁移力学模型,原生裂隙和采动裂隙改变了基本顶局部边界条件,引发基本顶分区破断现象,由中部峰值影响区至工作面两侧,基本顶极限承载能力降低,导致分区破断动态迁移现象;峰值影响区基本顶破断尺寸小于非峰值影响区,解释了121304工作面支架阻力呈谷形分...     

大采高工作面复合关键层破断模式与矿压显现机理研究

针对大采高工作面矿压控制难题,利用相似模拟方法对覆岩破断特征与矿压显现机理进行研究,分析了覆岩运移特征与声发射监测信息,提出异步及同步断裂关键层破断模式,建立了相应的上覆岩层复合关键层结构模型和覆岩破断的力学条件,总结上覆岩层移动变形和破断随时间和空间的变化规律,得出关键层同步断裂是造成大采高工作面开采矿压显现强的根本原因。     

覆岩结构类型与开采覆岩损害特征分析

煤层开采打破了上覆岩层原有的平衡,必然引起岩层的移动、破断,导致应力场和裂隙场的改变,工作面出现矿压显现。上覆岩层的岩性和组合结构对工作面开采覆岩损害特征分布影响显著,一般岩性越坚硬,上覆岩层应力集中程度越高,采动裂隙越发育,矿压显现也越明显;坚硬岩层尤其是关键层对覆岩的破断运动起控制作用,覆岩破断发展到一定层位后软弱岩层往往是抑制覆岩破断进一步向上发展的关键。当工作面上覆岩层同时存在远近场关键层时,近场关键层的周期性破断引起裂隙带范围内岩层的运动和工作面周期来压;而远场关键层的周期性破断导致地表裂缝或台阶下沉,工作面压力急剧上升,有时甚至导致煤矿动压灾害,尤其是远近场关键层同步破断时动力现象更明显。通过地面钻孔使远场关键层提前破断是防止此类动力灾害的关键。     

特厚煤层开采远场覆岩结构失稳机理

针对大同矿区石炭系特厚煤层综放工作面周期性发生液压支架立柱大幅下缩甚至压死支架的工程技术难题,采用理论分析与现场实测的方法,研究特厚煤层开采远场覆岩结构失稳机理。提出了远场"三角板"结构运动影响特厚煤层开采工作面矿压的理念,建立了远场关键层"横OX"破断形成的"三角板"结构力学模型,确定了该"三角板"结构滑落失稳和回转变形失稳的理论判据;结合同忻煤矿现场实例,预计了远场关键层"横O-X"破断"三角板"结构块体的几何尺寸,并分析了此"三角板"的走向长度及回转程度对其自身结构稳定性的影响,结果表明"三角板"的走向长度和回转程度越大时该结构越容易失稳。同忻煤矿8202工作面临空侧回风平巷超前段底臌变形特征间接验证了远场关键层发生"横O-X"破断的规律。据此提出超前预裂远近场关键层以及在"三角板"结构下工作面实行快速推进等防治措施。     

永陇矿区松软富水顶板灾变机理与防控研究

针对黄陇侏罗纪煤田采场出水压架灾害频发的现状,以永陇矿区4个综放工作面为工程背景,围绕松软富水地层覆岩破断与顶板来压特征、离层水致灾机理及灾害预警防控开展了现场跟班实测与理论研究。研究结果表明:覆岩关键层运移破断与采场矿压及离层水害存在因果关系。由于破断步距大、控制岩层组厚度大,复合关键层破断导致采场大周期来压显现异常强烈;所控岩层组断裂下沉后在洛河组含水层底部产生离层空间。受到离层水压和含水层持续补给等双重作用,离层积水越层下泄引发采场出水。基于以上认识,在实践中探索并完善了离层水害防控对策,构建了以"大周期来压、支架阻力高位预警、水位降速、宏观矿压显现异常"为主的出水压架预警机制;建立了以危险区域划分、采放工艺优化及工作面日常管控为主的防控体系。研究成果已成功指导了多个工作面的顶板水害防控,对类似地层条件的矿井具有良好的示范效应。     

8.8 m支架超大采高工作面矿压规律及覆岩破断结构研究

针对8.8 m支架超大采高工作面矿压显现强烈而顶板活动规律不明的问题,以神东上湾煤矿12401工作面为研究对象,采用矿压大数据分析手段研究了8.8 m支架超大采高工作面矿压显现规律,采用微震监测、顶板深基点位移监测、数值模拟、理论分析等综合手段研究了工作面覆岩运移破断结构特征,并通过分析二者的时空关系,研究了覆岩破断对工作面矿压显现的作用机理.研究结果表明:12401超大采高工作面具有周期来压步距短、来压持续时间长、动载矿压强烈、来压急增阻、非来压恒阻或缓增阻等浅埋采场矿压显现的典型特征,工作面矿压显现与埋藏深度有显著的正相关性,在埋深180 m以浅,工作面存在大小周期来压的现象.工作面上覆岩层存在高位主控岩层和低位主控岩层(基本顶)2个主控岩层,高位主控岩层以下、直接顶以上顶板运动受低位主控岩层控制,呈整体性切落破断运动特征,在垂直方向形成"切落体"结构形式;切落破断后的块体依靠破断面之间的挤压力和滑动摩擦力作用,处于缓慢的滑落下沉状态,在水平方向形成"挤压平衡拱"结构,进而提出了8.8 m支架超大采高工作面"切落体+挤压平衡拱"结构模型.论文分析了"切落体+挤压平衡拱"结构的特征及形成条件,得出了8.8 m支架超大采高工作面近、远场顶板结构失稳与采场大小周期来压的内在联系及作用机制,给出了维持采场顶板稳定所需的支架工作阻力.     

房式采空区下近距离煤层开采支架工作阻力研究

为研究房式采空区下近距离煤层开采支架合理支护阻力,基于石圪台煤矿实际地质条件,构建了房式采空区下关键层初次破断与周期性破断力学模型,得到了初次来压和周期来压步距表达式,并构建了对应的"支架-围岩"相互作用力学模型,获得了支架工作阻力的计算式。研究结果表明:房式采空区下煤层开采关键层破断步距主要特点有2个:①关键层初次破断及周期性破断步距与上覆留设煤柱应力集中程度密切相关;②破断步距大小受关键层前次破断位置影响较大。理论计算31201综采工作面关键层初次来压步距为40.1 m,前3次周期来压步距分别为20.4、18.9、20.8 m。与均布载荷条件下相比,房式采空区下支架支护阻力的主要影响因素有2个,即关键层受上覆岩层集中力的位置和关键层初次破断结构形态。理论计算获得该工作面初次来压和前3次周期来压合理工作阻力分别为17 372、11 722、15 252、15 206 kN。结合工程实例,验证了理论推导的合理性,研究成果为房式采空区下近距离煤层开采液压支架选型提供了指导。     

小纪汗煤矿11213大采高工作面矿压规律研究

为解决小纪汗煤矿11213大采高综采工作面来压剧烈,部分支架压死及支架掩护梁开裂等问题,通过分析工作面开采地质条件和现场矿压观测结果,认为关键层的垮落失稳结构特征是矿压显现剧烈的主要原因。根据关键层理论应用数值模拟研究得到11213工作面上覆岩层存在复合关键层结构,上位及下位关键层的周期性破断导致工作面来压,特别是上位关键层的破断导致工作面来压剧烈,因此提高液压支架的初撑力和稳定性能够很好的防止煤壁片帮,控制直接顶和基本顶的相对运动,从而有效地保证工作面安全有序生产。     

7.0m支架综采面矿压显现规律研究

基于神东矿区补连塔煤矿22303工作面矿压实测结果,对世界首个7.0 m支架综采面不同开采阶段的矿压显现规律进行了总结,并结合神东矿区各类大采高综采面的矿压显现,对比分析了不同采高综采面矿压显现规律的差异。结果表明:上覆遗留煤柱区下开采时7.0 m支架工作面矿压显现正常,但在临近推出煤柱区时,工作面内煤壁片帮现象严重,直接导致刮板板输送机被压死。而长壁采空区下开采时,7.0 m支架工作面在煤层间单一关键层结构和2层关键层结构区域呈现出不同的矿压显现。煤层间单一关键层结构区域,关键层距离煤层越近,矿压显现各项参数(除来压步距外)越大;而在煤层间2层关键层结构区域,工作面来压步距及动载系数呈现出大小交替的周期性变化规律,且大来压步距对应小动载系数。通过对比7.0 m支架综采面与神东矿区其它几个大采高综采面的矿压显现规律发现,随着采高的增加,支架支护强度缓慢增加,而动载系数随之减小,且采高越大、亚关键层1距离煤层越近,越易形成亚关键层1的"悬臂梁"结构,从而来压持续长度越长。