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离层注浆开采关键层变形特征及地表沉陷控制效应

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煤炭学报 2023年第2期48卷 931-942页

作者：徐良骥张坤刘潇鹏陈宝宝范廷玉桂松安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室安徽淮南232001 合肥综合性国家科学中心能源研究院安徽合肥230031 煤矿生态环境保护国家工程实验室安徽淮南232001 安徽理工大学空间信息与测绘工程学院安徽淮南232001 安徽理工大学地球与环境学院安徽淮南232001

为研究覆岩离层注浆开采条件下关键层变形特征及地表沉陷控制效应,准确预计地表移动变形值,对离层注浆开采关键层变形进行了力学分析,将关键层下方离层注浆充填体和煤岩体的组合视为弹性地基,并将之划分为压实区、欠压实区和实体煤区3... 详细信息

为研究覆岩离层注浆开采条件下关键层变形特征及地表沉陷控制效应,准确预计地表移动变形值,对离层注浆开采关键层变形进行了力学分析,将关键层下方离层注浆充填体和煤岩体的组合视为弹性地基,并将之划分为压实区、欠压实区和实体煤区3种不同的区段,基于弹性地基梁理论,给出了关键层挠度方程和弹性地基系数计算方法;采用“两步法”,通过分层模拟的方式开展了离层注浆开采关键层变形与地表沉陷数值模拟,研究了不同工作面宽度条件下离层发育和关键层破断特征,以及不同注采比条件下地表移动变形特征;借鉴等价采高理论,将离层注浆开采条件下关键层弯曲下沉空间等效视为开采空间,结合概率积分法,建立了适用于离层注浆开采的地表沉陷预计模型。以淮北矿区袁店二矿7221离层注浆开采工作面为例进行了验证,结果表明:该地质条件下,离层注浆开采工作面宽度宜设计在90~120 m;采用提出的预计模型和方法能够对离层注浆开采条件下的地表沉陷进行有效预计,预计值与实测值平均误差9 mm,在允许误差范围内;离层注浆开采地表沉陷控制效果显著,减沉率约83%。

关键词：地表沉陷控制离层注浆关键层力学分析预计模型

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深部采煤上覆关键层破断诱发矿震特征研究

岩石力学与工程学报 2023年第5期42卷 1150-1161页

作者：张全邹俊鹏吴坤波焦玉勇王超闫宪洋中国地质大学(武汉)工程学院湖北武汉430074 兖矿能源集团股份有限公司山东济宁273500

随着煤炭开采深度的增加,强矿震频发,严重威胁着井下矿工和地面居民的安全,影响矿山生产力和开采效益。基于岩层运动关键层理论和矿震监测技术,研究东滩煤矿深部煤层开采过程中强矿震分布及演化规律,以及煤层开采导致上覆多关键层协同... 详细信息

随着煤炭开采深度的增加,强矿震频发,严重威胁着井下矿工和地面居民的安全,影响矿山生产力和开采效益。基于岩层运动关键层理论和矿震监测技术,研究东滩煤矿深部煤层开采过程中强矿震分布及演化规律,以及煤层开采导致上覆多关键层协同运移破断特征和诱发矿震的能量传播规律。结果表明,深部煤矿开采初期矿震大多集中在低位岩层,随着工作面的推进,矿震逐渐向高位岩层转移,高位厚硬岩层是强矿震的主要孕育、发生基地。深部煤层上覆往往孕育多层关键层,煤层采动易造成上覆多关键层协同断裂运动。随着破断岩层总厚度逐渐变大,岩层中积聚的弹性应变能被瞬间释放而诱发矿震。工作面回采后,关键层断裂一般会以“O-X”形式呈现,形成“O-X”型破断的范围由下向上逐渐增大,形成的破断结构亦有主亚之分。研究结果对类似条件下深部煤矿工作面的安全、高效开采具有借鉴意义。

关键词：采矿工程关键层协同破断深部采煤诱发矿震矿震监测覆岩运动规律

关键层运动监测及岩移五阶段规律研究——以红庆河煤矿为例

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煤炭学报 2022年

作者：鞠金峰许家林刘阳军马祥王晓振王业征刘乐谢建林赵富强中国矿业大学矿山互联网应用技术国家地方联合工程实验室中国矿业大学物联网(感知矿山)研究中心中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室内蒙古伊泰集团有限公司中国矿业大学矿业工程学院国电建投内蒙古能源有限公司察哈素煤矿

煤炭开采引起的岩移规律一直是采矿领域难解的“黑箱”问题，研究揭示其内部作用机制与演变过程是科学解决采矿工程系列问题的理论基础。基于岩层控制的关键层理论，采用地面钻孔原位监测方法，开展了红庆河煤矿深井特大采高开采条件下... 详细信息

煤炭开采引起的岩移规律一直是采矿领域难解的“黑箱”问题，研究揭示其内部作用机制与演变过程是科学解决采矿工程系列问题的理论基础。基于岩层控制的关键层理论，采用地面钻孔原位监测方法，开展了红庆河煤矿深井特大采高开采条件下覆岩内部移动规律的实测与反演研究。结果表明，覆岩由下向上逐步运移发展的过程呈现5阶段典型分区特征，分别为覆岩超前受压变形阶段、逐层向上断裂运移阶段、覆岩整体快速沉降阶段、上位岩层向下压实阶段、以及覆岩整体稳沉阶段。依据5阶段岩移特征，拟合形成了覆岩超前运移的“类指数”岩移边界线，对应井上下超前影响范围分别为地表的340m以及煤层的99m；推演得到了关键层逐层向上断裂发展的83°断裂延伸角，对应320m埋深以下关键层发生超前断裂、以上为滞后断裂。同时，对覆岩“横三区”的具体分布进行了划分；沿走向推进剖面，“类指数”岩移边界线与关键层断裂线之间的区域为超前变形区(煤壁支撑区)，对应于岩移阶段1；关键层断裂线之后、直至井上下分别滞后工作面煤壁410m和190m的区域为离层区，对应于岩移阶段2～阶段4；再后方的采空区为重新压实区，对应于岩移阶段5。覆岩关键层运动表现出对地表沉陷的显著控制作用，随着其逐层向上断裂运移，地表沉陷活跃度不断攀升，在主关键层结束其正向回转并开始反向回转时，地表沉陷开始进入峰值状态，且这种峰值的持续对应于覆岩整体的快速沉降；当上位岩层逐步压实下位岩层时，地表沉陷活跃度开始降低；直至主关键层运移稳定，地表沉陷活跃期结束、开始进入衰退期；表明地表沉陷盆地的最终形态直接受控于主关键层的运移状态。研究结果可为红庆河及其周边类似条件矿井的岩层控制、灾害防治等科学采煤实践与研究提供参考。

关键词：岩层移动钻孔原位监测关键层分区运移岩移边界地表沉降

倾斜厚煤层综放工作面煤柱-关键层结构失稳型矿震机理

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煤炭学报 2022年第6期47卷 2289-2299页

作者：王高昂朱斯陶姜福兴张修峰刘金海王绪友宁廷洲张宇魏全德北京科技大学土木与资源工程学院北京100083 山东能源集团有限公司山东济南250014 华北科技学院河北省矿井灾害防治重点实验室河北三河101601 兖矿新疆矿业有限公司硫磺沟煤矿新疆昌吉831100 北京安科兴业矿山安全技术研究院有限公司北京102299

采空区遗留煤柱支撑顶板导致厚硬关键层悬顶面积大幅增大,形成的“煤柱-关键层”结构失稳是诱发矿震和冲击地压灾害的主要原因。以新疆硫磺沟煤矿(4-5)06矿震频发工作面为工程背景,采用理论分析、数值模拟、微震监测和现场调研等方法,... 详细信息

采空区遗留煤柱支撑顶板导致厚硬关键层悬顶面积大幅增大,形成的“煤柱-关键层”结构失稳是诱发矿震和冲击地压灾害的主要原因。以新疆硫磺沟煤矿(4-5)06矿震频发工作面为工程背景,采用理论分析、数值模拟、微震监测和现场调研等方法,研究了“采空区遗留煤柱-关键层”组成的覆岩空间结构特征,分析了采空区遗留煤柱应力演化规律和关键层力学结构特性,建立了非对称覆岩空间结构下采空区遗留煤柱应力分布估算模型和倾斜关键层极限跨度计算力学模型,揭示了倾斜厚煤层综放工作面“煤柱-关键层”结构失稳型矿震发生机理:采空区遗留煤柱支撑顶板形成“煤柱-关键层”结构,随着工作面开采范围增大,煤柱应力集中程度不断增加,当煤柱集中应力超过其极限承载能力发生失稳时,悬露关键层长度超过其极限跨度,发生破断失稳并诱发矿震和冲击地压灾害。据此建立了包含遗留煤柱整体失稳冲击倾向性指数和关键层极限跨距的“煤柱-关键层”结构失稳型矿震发生判别准则,并采用数值模拟和微震监测进行了验证。按照“有震无灾”的防治原则,提出了“煤柱-关键层”结构下工作面“减震-防冲”的技术措施,分析了工作面推采速度与大能量微震事件的关系,确立了降低工作面矿震能量和频次的合理推采速度为不超过3 m/d,保障了工作面的安全回采。

关键词：矿震倾斜厚煤层采空区遗留煤柱关键层结构失稳

关键层对重复采动下覆岩破坏特征及裂隙演化影响研究

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关键层对重复采动下覆岩破坏特征及裂隙演化影响研究

作者：李利贵州大学

学位级别：硕士

针对贵州煤层赋存条件大都比较复杂,且煤层厚度薄、瓦斯含量较大,多为煤层群、煤层及顶底板较软以及矿区地表多为山地地形,在重复采动下覆岩运动及裂隙发育难以预测的问题,将关键层做为切入点,以贵州省安顺煤矿做为研究背景,采用现场实... 详细信息

针对贵州煤层赋存条件大都比较复杂,且煤层厚度薄、瓦斯含量较大,多为煤层群、煤层及顶底板较软以及矿区地表多为山地地形,在重复采动下覆岩运动及裂隙发育难以预测的问题,将关键层做为切入点,以贵州省安顺煤矿做为研究背景,采用现场实测、理论分析、单轴试验、相似模拟分析、数值模拟分析等方法,分析了单向应力下预制裂隙对类岩石试件裂隙发育规律及变形破坏演化特征,揭示了预制裂隙倾角、裂隙数量、裂隙形状等对类岩石试件强度的影响,从而确定采动过程中覆岩强度的变化;通过对不同关键层层位、不同关键层层厚下覆岩运动特征及裂隙发育情况进行分析,得到了关键层对重复采动下覆岩运动及裂隙演化规律的影响。研究结果表明:(1)通过单向应力下预制裂隙对类岩石试件裂隙发育规律及变形破坏演化特征分析得出裂隙倾角由0°→45°和90°→45°变化过程中,岩石单轴抗压强度降低程度分别由12.47%增至28.83%和16.66%增至28.83%,单裂隙试件的平均峰值强度为完整试件峰值强度的80.24%,双裂隙试件的平均峰值强度为完整试件峰值强度的69.07%,三裂隙试件的平均峰值强度为完整试件峰值强度的56.94%。(2)通过对西南山区煤矿唯一关键层顶板结构进行分析,建立西南山区煤矿“斜台阶”顶板结构力学模型,并对“斜台阶”结构关键块进行稳定性分析,得出唯单一关键词关键块不发生滑落现象的最小支撑力,依次进一步推算出关键层不同层位所需最小支持力的大小,发现关键层层位越高,所需最小支撑力越小。(3)物理相似试验得到关键层层位对初次来压步距、周期来压次数和平均周期来压步距无影响或影响甚微;层位越高,关键层垮断步距越大,关键层越晚破断,关键层破坏时对于关键层及上覆岩层乃至地表的破坏越小,关键层及上覆岩层乃至地表的下沉量也越小;并且在重复采动下关键层层位对覆岩运动及裂隙演化的影响较小。(4)数值模拟得到关键层层位越高,关键层垮断步距越大,垮断时覆岩下沉量也越小;关键层处裂隙越少,对关键层上覆岩层及地表造成的裂隙也越小,关键层垮断步距越大,垮断时覆岩下沉量也越小;关键层越厚越高,关键层垮断步距越大,垮断时覆岩下沉量也越小;并且在重复采动时,关键层层位、层厚对于覆岩运动及裂隙演化规律则不会产生较大影响。

关键词：重复采动覆岩运动裂隙演化关键层顶板结构力学模型

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关键层的复合效应及其对矿压显现的影响

采矿与安全工程学报 2016年第2期33卷 220-225页

作者：付宝杰高明中涂敏张平松安徽理工大学能源与安全学院煤矿安全高效开采省部共建教育部重点实验室安徽淮南232001 中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室江苏徐州221116 安徽理工大学地球与环境学院安徽淮南232001

为分析相邻关键层组合运动对采场矿压产生的影响,揭示关键层复合效应产生的机理,利用并行电法测试技术系统研究了两关键层临近赋存顶板破坏特征及其破断规律,并通过与该测试段工作面矿压数据相互印证,确定关键层复合效应使采场来压步距... 详细信息

为分析相邻关键层组合运动对采场矿压产生的影响,揭示关键层复合效应产生的机理,利用并行电法测试技术系统研究了两关键层临近赋存顶板破坏特征及其破断规律,并通过与该测试段工作面矿压数据相互印证,确定关键层复合效应使采场来压步距呈一大一小周期性变化。由此,建立了该类型采场覆岩的空间结构模型,按该模型中关键块体结构关系计算得出的工作面支架工作阻力值与实测结果基本吻合,这为同类地质条件下采场围岩控制提供依据。

关键词：关键层复合效应空间结构矿压显现

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关键层耦合作用下露井联采边坡滑动深度分析

煤炭学报 2014年第S2期39卷 354-358页

作者：丁鑫品王俊李伟刘博文煤炭科学技术研究院有限公司安全分院北京100013 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室(煤炭科学研究总院) 北京100013 北京市煤矿安全工程技术研究中心北京100013

通过理论分析和相似材料模拟实验,提出了控制露井联采边坡稳定的"关键层"概念,研究了"关键硬岩层"与"关键弱层"耦合作用下的露井联采边坡变形破坏机理。建立工程力学模型,推导出了关键层耦合作用下露井联采边坡滑动深度的预计公式,以平... 详细信息

通过理论分析和相似材料模拟实验,提出了控制露井联采边坡稳定的"关键层"概念,研究了"关键硬岩层"与"关键弱层"耦合作用下的露井联采边坡变形破坏机理。建立工程力学模型,推导出了关键层耦合作用下露井联采边坡滑动深度的预计公式,以平朔矿区安家岭露天矿北端帮井工开采引起的边坡滑动为工程实例,对公式的适用性进行了验证,结果表明,预计结果与相似材料模拟实验结果、现场位移监测结果三者基本吻合。通过研究,实现了露井联采边坡潜在滑移深度的合理预计,为露井联采时空关系优化、边界参数合理确定、边坡变形监测与失稳治理等工作提供了依据。

关键词：露井联采边坡稳定耦合作用关键层破坏机理

关键层对特厚煤层综放开采地表沉陷规律的影响研究

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煤炭科学技术 2019年第9期47卷 229-234页

作者：高超徐乃忠何标庆邓伟男天地科技股份有限公司开采设计事业部北京100013 龙岩学院资源工程学院福建龙岩364000

特厚煤层综放开采一次性采全高,其采放煤层厚度大,垮落带和裂隙带高度亦相应增大,使得覆岩“两带”发育直接波及到覆岩上部、对地表沉陷起重要控制的厚硬关键层,其移动变形与地表沉陷特征密切相关。为从覆岩内部岩层移动变形角度探究关... 详细信息

特厚煤层综放开采一次性采全高,其采放煤层厚度大,垮落带和裂隙带高度亦相应增大,使得覆岩“两带”发育直接波及到覆岩上部、对地表沉陷起重要控制的厚硬关键层,其移动变形与地表沉陷特征密切相关。为从覆岩内部岩层移动变形角度探究关键层对特厚煤层综放开采地表沉陷的控制影响作用,应用工程类比法与数值模拟综合确定了东坡煤矿914工作面“两带”高度发育情况,通过关键层理论计算了各亚关键层和主关键层破断距与层位,应用3DEC模拟了关键层对地表沉陷规律的控制影响作用。研究结果表明:应用工程类比法结合数值模拟塑性分区法可综合确定“两带”高度发育情况;上覆岩层及地表的移动变形受厚硬岩层的影响控制,表现为上覆岩层破断特征具有组合移动性、传播至地表呈突陷性;关键层内岩梁破断长度越短,地表沉陷盆地边缘越平缓、地表沉陷影响范围越大;受关键层破断距与破断形式差异的影响,地表下沉盆地开切眼侧较陡、终采线侧相对较缓。

关键词：特厚煤层综放开采关键层岩层移动地表沉陷

基于微震与电磁辐射耦合的主关键层破断及断裂跨距差异性分析

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采矿与安全工程学报 2021年第6期38卷 1152-1157页

作者：崔栋歌朱川曲李青锋吴昊湖南科技大学煤矿安全开采技术湖南省重点实验室湖南湘潭411201 湖南科技大学资源环境与安全工程学院湖南湘潭411201 湖南科技大学矿业工程研究院湖南湘潭411201

针对22116工作面弱冲击倾向性的特点,采用液压支架监测,揭示主关键层破断对工作面周期来压的影响,并结合微震与电磁辐射耦合监测,研究回采工作面微震与电磁辐射耦合事件的分布特征和分析主关键层断裂跨距差异性的成因。结果表明:主关键... 详细信息

针对22116工作面弱冲击倾向性的特点,采用液压支架监测,揭示主关键层破断对工作面周期来压的影响,并结合微震与电磁辐射耦合监测,研究回采工作面微震与电磁辐射耦合事件的分布特征和分析主关键层断裂跨距差异性的成因。结果表明:主关键层在破断失稳过程中,弹性能突然释放,形成强烈的震动并释放大量的震动冲击波,震动波传播到采场周围的煤岩体区域引发扰动,从而导致了矿震活动的产生。在结构差异性与载荷和工作面推进速度共同作用下,周期来压步距表现出非均值性。当工作面发生来压时,其能量释放急剧增加,并逐渐趋于平缓,但是能量释放的周期性变化和周期来压又不是完全一致的,存在相对滞后,微震事件数和能量释放量成正比且同样具有滞后现象。主关键层的断裂跨距与上覆岩层性质和厚度有关,软弱层越厚,断裂跨距越小,故在非平原均值的山区,主关键层断裂跨距同样表现出非均值性。

关键词：微震电磁辐射来压步距关键层