急斜煤层浅转深综放开采煤岩动力灾害诱发机理

中国煤炭资源深部开采已成为常态。依托急倾斜煤层开采为工程背景,构建考虑水平分段综放开采影响的浅转深开采组合梁模型,引入应力差异系数(α)表征浅转深开采煤岩体应力状态特征,分析地表大尺度裂隙与工作面相对空间层位关系,揭示急倾斜煤层浅转深开采煤岩体动力灾害诱发机理,对指导急倾斜煤层深部开采具有重要意义。研究表明:通过全景智能钻孔图像信息辨识揭示了急倾斜煤岩层纹层角与倾斜层理方向基本一致,说明煤岩层处于强压缩构造状态;浅转深开采应力差异系数呈非线性增长,确定临界开采α为0.4;急倾斜煤层浅转深开采动力灾害诱发实质为水平分段多阶段重复扰动下覆层结构失稳产生循环性动力冲击。     

大安山煤矿后槽动力显现原因

为揭示急倾斜煤层开采过程中常发生的动力显现原因,以大安山煤矿后槽区域急倾斜煤层开采为研究对象,通过现场地质调查及地质条件分析,得出后槽区域主要受大寒岭倒转背斜的影响,使该区域的煤层倾角、厚度变化较大,在原岩体内积存大量的构造应力,在开采过程中,构造应力突然释放,致使动力显现。这为动力显现防治提供依据,保证煤矿的安全开采。     

急倾斜煤层煤岩变形局部化特征现场监测

急倾斜煤层开挖扰动区煤体动态变形具有明显局部化特征,易诱致动力学破坏。以大洪沟矿巷道动压防治为目标,通过煤岩局部化变形指标分析,室内测试、现场光学观测和表面变形监测等方法,定量分析了动压巷道两帮和顶板不同深度的侧向与垂直变形及演化特征。结果表明:巷道局部化变形差异性显著,在两巷交汇区域,B3巷道最大侧向变形达0.5 m,顶板最大垂直变形达0.6 m.确定动压破坏严重区域范围为15.0～20.0 m.这为现场灾害预测和调控提供判据。     

急斜煤层顶板裂隙扩展诱导能量时-空演变特征

水平分段综放开采面顶板断裂失稳预测对急斜煤层开采动力灾害防治至关重要。以碱沟矿495 m水平B1+2煤层综放工作面为背景,基于现场开采条件分析,开展顶板能量演变理论计算,构建急斜煤层顶板裂隙扩展能量演变物理平面模型实验,采用声发射与红外热像综合监测手段,揭示急斜煤层顶板裂隙扩展诱导能量时-空演变特征。研究表明:急斜煤层顶板积储的可释放应变能大于耗散能,采动作用致使顶板岩体内部损伤加剧,裂隙扩展诱导能量释放速率必然骤增;采动岩体裂隙动态扩展过程中声发射信号与红外热量同时变化,其中声发射事件数与能率呈缓慢与快速演化特征,红外热像出现热量异常(区)迁移;顶板破裂过程中"声-热"时序演变特征的实质为裂隙扩展诱导能量非均匀释放,形成缓慢与加速释放迁移的时-空演化过程,能量加速释放易造成顶板断裂失稳并诱发动力灾害。这为现场灾害预报与防治提供科学依据。     

急倾斜煤层采空区结构特征GPR探测

急倾斜煤岩体结构和地质缺陷具有隐蔽性。历史性无序开采形成的采空区分布的不规则性严重影响安全开采。以神新小红沟煤矿急倾斜煤层开采区域空区分布规律预测与参数确定为目标。通过理论分析、GPR地面与地下立体联合探测,分析了+522水平B3和B6开采扰动范围内采空区结构特征。+522水平距五一煤矿巷道垂直距离约为35.0～35.5 m.B3巷1 214～1 232m范围内空区覆岩破坏严重,多处出现破碎区。空区下部近似椭圆,上部似半椭球体结构,且空区已联通。1 232～1 250 m范围空区及覆岩破坏严重,局部区域积水量大,为现场开采设计与灾害防治提供科学依据。     

急斜特厚煤层开采扰动区(MDZ)煤岩体动力学变形失稳过程分析

为研究急斜特厚煤层开采扰动区(Mining Disturbed Zone,MDZ)内煤岩动力学灾害控制问题,综合利用现场声发射(Acoustic Emission,AE)与光学钻孔影像(Borehole Optical Image,BOI)技术方法,并依托乌鲁木齐矿区急斜特厚煤层煤岩体动力学灾害控制为工程背景,揭示了急斜特厚煤层开采环境条件下深部开采扰动区结构演化特征。结果表明:急斜煤层深部煤岩破裂与变形过程中"波-力"指标演化分为5个阶段(初始压密→破裂萌生→破裂加速→整体破坏→能量急剧释放);开采扰动区内覆层煤岩体局部动态演化特征显著,主要表现为局部应力畸变诱发煤岩体整体结构失稳和致灾;煤岩体变形破坏致灾是开采深度、煤岩体禀赋性、顶底板夹持结构及应力非对称效应共同作用结果,为急斜特厚煤层动力学灾害预报预测提供依据。     

急斜煤层水平分段综放开采围岩失稳特征分析

针对急斜煤层水平分段综放开采围岩失稳特征,通过对围岩力学模型分析,研究围岩结构的失稳过程和演化途径.根据急斜煤层围岩的非对称分布特点,所产生的非对称作用极易使围岩发生局部变形.局部变形的不断扩展进而将导致围岩发生失稳,这种动力学失稳极易演化为灾害.为了控制这种灾害的发生,借助声发射和钻孔窥视实时监测围岩"损伤-破裂-失稳"的全过程,将为工作面开采扰动区围岩失稳与控制提供了值得借鉴的依据.     

复杂环境下急倾斜特厚煤层安全开采

采用理论分析、数值计算等综合方法,研究了苇湖梁煤矿+579E2EB1+2急倾斜煤层(64°)高阶段(54m)综放面开采中出现的采空区顶板坍塌与气体超限的问题.现场开采试验表明,采取快速推进、控制均匀放煤、优化通风系统及主动综合防瓦斯等有效措施,遏制动力学灾害并确保安全开采.     

急斜特厚煤层残留煤柱稳定性分析及其动力灾害防治

为研究急斜特厚煤层开采过程中残留煤柱的稳定性及其应力异常区引起的回采安全问题,以乌鲁木齐矿区乌东煤矿南采区87°急斜特厚煤层为研究背景,运用块体理论构建了残留煤柱滑移失稳力学模型,采用FLAC~(3D)数值模拟软件分析开采扰动下残留煤柱的应力演化特征,提出了残留煤柱分段深孔爆破弱化的卸压措施。结果表明:当煤层倾角α,顶板侧围岩与残留煤柱的摩擦系数μ_1,底板侧围岩与残留煤柱的摩擦系数μ_2之间满足αarctan(μ_1+μ_2)时,残留煤柱将发生滑移失稳;残留煤柱易使顶底板应力状态改变,在开采扰动和顶底板高应力双重作用下,残留煤柱极易诱发动力灾害;卸压措施有效削减残留煤柱内部储存的应力强度,降低动力灾害的发生频率,实现工作面安全通过煤柱危险区域。     

基本顶破断失稳在急斜煤层放顶煤开采中的作用

为研究急斜煤层水平分段放顶煤开采过程中基本顶破坏活动对工作面的影响,根据急斜煤层基本顶具有倾斜狭长板的特点,运用弹性薄板理论对基本顶岩层进行了拉应力分析,得出了顶板破断的判别准则,建立了基本顶初次破断后形成的“铰接结构”的力学模型。通过分析结构滑落失稳和回转失稳的力学条件,指出危险点是上铰接点。研究表明急斜放顶煤开采围岩结构虽然与缓斜煤层长壁放顶煤不同,基本项（老顶）和直接项只是在工作面的一侧,但仍然不能忽视它对工作面矿山压力显现的影响。铰接结构的上铰接点是岩层控制的关键点,这为现场实施充填阻防止基本项失稳的动力作用,提供了理论依据。     

多场耦合下急斜煤层开采三维物理模拟(2)

复杂环境与多场耦合作用下,采空区煤岩体非对称变形诱致局部化失稳极易演化为动力灾害.以乌鲁木齐矿区急倾斜煤层综放开采为背景,构建了大型立体地球物理模拟装置与"声-光-电"物理力学指标信息测试系统,完成了动态加载条件下顶煤与覆岩损伤与演化的AE规律、内部损伤变形、表面位移变化特征、支架工作特性等分析,为急倾斜厚煤层综放开采与灾害控制奠定科学基础.     

基本顶破断失稳在急斜煤层放顶煤开采中的作用

为研究急斜煤层水平分段放顶煤开采过程中基本顶破坏活动对工作面的影响,根据急斜煤层基本顶具有倾斜狭长板的特点,运用弹性薄板理论对基本顶岩层进行了拉应力分析,得出了顶板破断的判别准则,建立了基本顶初次破断后形成的“铰接结构”的力学模型。通过分析结构滑落失稳和回转失稳的力学条件,指出危险点是上铰接点。研究表明急斜放顶煤开采围岩结构虽然与缓斜煤层长壁放顶煤不同,基本顶（老顶）和直接顶只是在工作面的一侧,但仍然不能忽视它对工作面矿山压力显现的影响。铰接结构的上铰接点是岩层控制的关键点,这为现场实施充填以防止基本顶失稳的动力作用,提供了理论依据。     

开采扰动区断层采动活化诱发岩体动态变形模型实验

开采扰动区断层采动活化是诱发动力学灾害的典型难题之一。断层采动活化诱发岩体动态变形规律研究是揭示煤岩体结构、应力与力学行为对灾害控制作用的基础前提。通过对物理相似模型实验和声发射、应力与变形指标监测,揭示开采扰动区断层下盘、断层附近及断层上盘随工作面推进覆岩运移和矿压显现规律。实验研究表明:断层存在破坏了煤层顶板及上覆岩层的整体连续性,工作面矿压及上覆岩层垮落规律表现异常,断层极易活化,滑移现象明显;断层活化诱发上覆岩层发生整体切落,对工作面前方煤体产生很高的集中应力载荷,易诱发动力灾害。这为采动岩体动态断裂失稳和突水等灾害预报与调控提供理论依据。     

急斜特厚煤层动力学失稳现场声发射监测

急斜特厚煤层开采扰动区(Mining Disturbed Zone,MDZ)煤岩应力与变形规律复杂,采动影响下局部煤岩层滑移造成应力集中,使煤岩体产生"强烈"的动力学失稳与破坏.以大洪沟煤矿B3+6急斜特厚煤层综放开采为工程背景,通过现场声发射(acoustic emission,AE)监测,分析采动条件下煤岩介质动力学失稳及破坏规律,为制定解危对策提供科学依据.     

急倾斜综放开采冲击地压防治技术研究

急倾斜煤层开采,冲击地压动力灾害严重,通过煤样测定与地质因素分析,得出王家山煤矿冲击地压的发生原因是煤体物理性质、埋深、顶底板岩性与地质构造综合作用的结果。基于冲击地压开采范围的应力集中现象,结合监测预警、定向解危及高强度支护控制,提出了矿井冲击地压的防治技术,可为类似矿井的安全生产提供了借鉴。     

多场耦合下急斜煤层开采三维物理模拟(1)

复杂环境与多场耦合作用下,采空区煤岩体非对称变形诱致局部化失稳并演化为动力灾害.针对于西北强震作用下煤矿采空区(局部化)动力失稳定量预报,以乌鲁木齐矿区急倾斜煤层放顶煤开采为背景,首先系统分析了物理模拟复合材料损伤与破裂的"声-光-电"信号迁移途径与有效可靠的测试方法,继而构建了大型立体地球物理模拟装置与"声-光-电"指标信息测控系统,形成动力灾害源的识别技术和危险性分析技术(平台).这最终为急倾斜厚煤层放顶煤开采技术参数的合理确定、提高灾害识别能力和预测精度以及灾害控制奠定科学基础.     

急倾斜煤层分段开采下部煤岩体应力及位移演化规律

为了掌握急倾斜特厚煤层分段开采时工作面下部煤岩体应力及位移演化规律,采用数值模拟方法研究了工作面下部煤岩体和工作面底板的应力及位移分布,并分析了分段高度和开采深度对下部煤岩体应力及位移的影响。研究表明：上分段开采后,下部不同深度煤岩体卸压范围均呈长轴沿煤层走向的椭圆状,但卸压范围并不对称,底板侧和顶板侧的煤岩体卸压程度不同,靠近底板侧卸压程度更大。下部煤体卸压深度大小为底板侧>工作面中部>顶板侧。煤层底板不同深度出现不对称卸压区,靠近回采分段上端部的煤层底板处垂直应力明显集中。急倾斜煤层分段开采,段高对下部煤体的卸压深度范围影响较小。开采深度不同时,随着埋深增加,工作面下部煤岩体应力集中区域增大,下部同一深度煤体的垂直应力、垂直位移均出现明显增加,开采深度对工作面下部煤岩体的卸压范围影响明显,埋深越大卸压范围也越大。     

急倾斜下保护层倾向保护范围数值模拟及验证

基于保护层项底板煤岩层的物理力学参数和地质特征,利用有限元软件ANSYS生死单元模拟下保护层开采,观察开采后的被保护层应变、应力场的变化情况,根据保护准则确定倾向保护范围.结果表明,下保护层开采急倾斜煤层沿倾向下部边界的卸压角为88°.同时,在实验现场通过布置压力孔,观测压力变化情况来分析确定保护范围沿倾向下部边界的卸压角为86°.对比分析数值模拟和现场实验的结果,在现场施工不确定因素影响下,最后确定下保护层开采急倾斜煤层沿倾向下部边界的卸压角为86°.     

复杂地质条件下急斜厚煤层巷道变形特征

在急倾斜煤层的综放开采过程中,巷道变形与失稳对安全生产影响极为严重。乌鲁木齐矿区地质条件极为复杂,主采煤层均为急倾斜特厚煤层,地压活动强烈,煤岩接触带巷道局部变形、冒顶与底鼓严重,且有局部垮塌现象。通过对大洪沟矿+555B1～B6巷道围岩松动范围进行监测分析与评价,其巷道总体稳定性较好,因其处于煤带转折附近,地质构造复杂,煤层错位、松散、破碎。     

急倾斜水平分段综放面强矿压致灾机理及其防治

急倾斜特厚煤层水平分段综放开采条件下的强矿压致灾日益突出,严重制约矿井的安全生产。以乌东煤矿北采区45#特厚煤层为研究背景,构建物理相似模型,揭示了采场覆岩垮冒结构特征,理论分析综放面覆岩应力传递特征;通过FLAC3D软件建立三维数值计算模型,分析了急倾斜特厚煤层水平分段综放开采后覆岩的应力场及塑性区的变化特征。结果表明:急斜煤层赋存环境复杂,顶板不易垮落,易在采空区形成悬空顶板;+600水平分段煤层开采后,覆岩应力重新分布,在+575水平工作面沿煤层倾向距顶板巷6～45 m的采场煤岩体内,形成轮廓为"三角形"的应力集中区;随开采水平不断向深部延伸,应力集中程度不断增加,矿压显现也随之增剧。针对覆岩垮冒结构及应力特征,进行超前预裂爆破弱化技术,综放工作面支架压力和电磁辐射监测表明:支架压力下降了5～10 MPa,煤岩体平均电磁辐射强度由35.5 mV下降为14.4 mV,明显减缓了工作面强矿压显现,实现了安全生产。这对类似矿井安全开采提供了值得借鉴依据。