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冲击地压矿井充填开采工作面采动应力激增与跌落机制 被引量:6
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作者 唐岳松 孙文超 +6 位作者 李增强 曹鹏 王伟 郑晓晨 张付强 陈明振 王兆会 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第S01期22-35,共14页
高应力、多断层是深部矿井冲击地压灾害频率走高的主要原因,充填开采作为降载减冲的最直接手段,依然无法根除冲击地压灾害的发生。为降低冲击地压对冲击倾向性煤层安全开采的影响,采用现场实测、理论分析和室内试验手段研究深部充填开... 高应力、多断层是深部矿井冲击地压灾害频率走高的主要原因,充填开采作为降载减冲的最直接手段,依然无法根除冲击地压灾害的发生。为降低冲击地压对冲击倾向性煤层安全开采的影响,采用现场实测、理论分析和室内试验手段研究深部充填开采条件下采动应力激增与跌落机制,探究坚硬顶板预裂爆破与大直径钻孔协同卸压效果。在高应力、多断层、不等宽煤柱和开采扰动多因素叠加影响下,充填开采工作面采动应力存在集中、激增与跌落现象,集中程度小于2.0,非断层影响区超前采动影响范围达到30 m,断层影响下增加至50 m,断层与煤柱叠加影响下增加至70 m;断层活化和围岩破坏引起应变能瞬间释放,转变为破坏煤岩动能,转换率达到17%;揭示了动载应力波产生原理,动载应力波与静态应力场叠加引起采动应力状态骤变;叠加前后若煤岩始终处于破碎状态,则它呈现压实硬化力学行为,发生应力激增现象;若煤岩由完整过渡至破碎状态,则它呈现脆性松脱力学行为,发生应力跌落现象;若煤岩始终处于完整状态,则它呈现弹性回弹力学行为,发生动载冲击现象。微震监测未发现10^(5)J以上的大能量事件,表明充填体支撑下坚硬顶板未发生大范围破断;断层导致微震事件非对称分布,进风巷侧呈现高频低能分布模式,回风巷侧呈现低频高能分布模式,因此,回风巷发生2次冲击地压监测预警,进风巷发生1次冲击地压监测预警;提出了坚硬顶板爆破预裂与大直径钻孔协同卸压技术,顶板岩层形成了大尺度爆破裂隙,有效控制了应力集中程度和应力增长速度,降低了深部开采冲击地压灾害风险。 展开更多
关键词 冲击地压 充填开采 采动应力 断层构造 微震监测
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千米深井超长工作面采动应力旋转特征及应用 被引量:39
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作者 王家臣 王兆会 +3 位作者 杨杰 唐岳松 李冰冰 孟庆保 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第3期876-888,共13页
千米深井超长工作面采动应力环境更为复杂,围岩破坏程度和控制难度升高,威胁开采安全。为提高该类采场围岩控制效果,采用理论分析、数值模拟和现场实测等综合研究手段,从采动应力旋转角度分析该现象对围岩稳定性的影响及其应用原则。结... 千米深井超长工作面采动应力环境更为复杂,围岩破坏程度和控制难度升高,威胁开采安全。为提高该类采场围岩控制效果,采用理论分析、数值模拟和现场实测等综合研究手段,从采动应力旋转角度分析该现象对围岩稳定性的影响及其应用原则。结果表明:千米深井超长工作面围岩裂隙发育程度升高,稳定性受到采动应力大小和方向的双重影响,含裂隙围岩存在优势裂隙扩展角,采动应力旋转造成围岩承载能力降低,采动应力旋转角度愈大,围岩稳定性愈差;采动后,121304工作面采动应力发生旋转,旋转轨迹与采动影响程度、工作面推进方向密切相关,距采空区边界愈近,采动应力旋转速度和旋转角度愈大;煤层和低位岩层最大主应力在平行和垂直于工作面推进方向的竖直平面内旋转,倾角减小,最小主应力则首先向平行和垂直于工作面推进方向的竖直平面内旋转,然后在上述平面内与最大主应力同步旋转,倾角增大;岩层位态升高,采动应力旋转角度先增大后减小,高位岩层采动应力旋转轨迹受121303工作面采空区影响,采动应力旋转轨迹向临近工作面采空区偏转;根据工作面推进方向与采动应力旋转轨迹的关系,提出围岩中存在一组、多组优势裂隙及裂隙随机分布条件下工作面推进方向确定原则,并分析了采动应力旋转现象对覆岩“砌体梁”结构稳定性的影响。 展开更多
关键词 千米深井 超长工作面 采动应力旋转 原生裂隙 围岩稳定
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深埋薄基岩采场覆岩冒落拱与拱脚高耸岩梁复合承载结构形成机理与应用 被引量:13
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作者 王兆会 唐岳松 +4 位作者 李猛 吴山西 孙文超 李家龙 水艳婷 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第2期563-575,共13页
焦作煤田赋存深埋厚冲积层薄基岩煤层,覆岩构成的特殊性导致顶板活动剧烈、地表下沉系数大,采场面临强矿压、突水溃沙威胁,沉陷区出现裂缝和积水,破坏房屋和农田。为提高深埋薄基岩采场围岩控制效果,以赵固二矿14030工作面为工程背景,... 焦作煤田赋存深埋厚冲积层薄基岩煤层,覆岩构成的特殊性导致顶板活动剧烈、地表下沉系数大,采场面临强矿压、突水溃沙威胁,沉陷区出现裂缝和积水,破坏房屋和农田。为提高深埋薄基岩采场围岩控制效果,以赵固二矿14030工作面为工程背景,采用室内试验、理论分析和现场实测等手段研究覆岩采动裂隙发育特征、顶板结构形态与承载机理,探究支架选型与灾害防控方法。结果表明:覆岩变形存在初始静止、慢速增长、快速增长和突变增长4个阶段,前2个阶段覆岩稳定,第3阶段因变形局部集中进入非稳定状态,第4阶段因非连续变形进入裂隙发育进程;采动裂隙萌生于高位厚冲积层,下行扩展导致基岩全厚断裂,形成覆岩冒落拱与拱脚高耸岩梁复合结构;覆岩连续变形受关键层控制,非连续变形由冲积层冒落裂隙主导;基于关键层沉降特征解释了采动裂隙萌生于高位厚冲积层的原因,揭示了裂隙下行扩展并贯穿岩层交界面的能量原理,采用断裂力学理论推导了基岩发生全厚剪切破断的力学条件;构建了冲积层冒落拱与拱脚高耸岩梁复合结构力学模型,提出了冒落拱极限承载能力与实际边界载荷计算方法,得到了冒落拱发生结构失稳的力学判据,采动应力旋转促进冲积层载荷向拱脚两侧传递,增强了冒落拱自稳能力;提出了基岩破断面恒定法向刚度条件下高耸岩梁承载能力计算方法,确定了保持岩梁平衡所需支架具备的支撑能力;基于厚冲积层冒落拱与拱脚高耸岩梁复合承载机理,提出了液压支架强度-刚度双参量选型方法和覆岩突水溃沙通道快速识别方法,实测结果表明赵固二矿14030工作面支架选型基本合理,突水溃沙通道识别则为顶板注浆钻孔参数确定提供了指导。 展开更多
关键词 薄基岩 厚冲积层 覆岩裂隙 冒落拱 高耸岩梁 承载机理
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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 被引量:11
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作者 王家臣 王兆会 +2 位作者 唐岳松 孙文超 冯云贵 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第10期3615-3627,共13页
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... 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布的原因;根据千米深井超长工作面基本顶分区破断与动态迁移模式,提出了工作面围岩区域化控制方法,中部峰值影响区液压支架采用成组协同移架方式,其他区域采用独立移架方式,提高了121304工作面围岩控制效果。 展开更多
关键词 千米深井 超长工作面 顶板微震 分区破断 区域化控制
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深埋厚冲积层薄基岩煤层开采地表沉降特征与预测方法 被引量:7
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作者 杨胜利 吴山西 +3 位作者 王兆会 唐岳松 李家龙 孙文超 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第2期523-537,共15页
煤炭地下开采导致上覆岩层的破断和运动,岩层运动传递至地表引发地表沉陷,改变地表形态,破坏地表连续性和生态环境。为降低采矿活动的负外部性,以赵固二矿为工程背景,综合运用室内试验、理论分析和现场实测等方法研究深埋厚冲积层薄基... 煤炭地下开采导致上覆岩层的破断和运动,岩层运动传递至地表引发地表沉陷,改变地表形态,破坏地表连续性和生态环境。为降低采矿活动的负外部性,以赵固二矿为工程背景,综合运用室内试验、理论分析和现场实测等方法研究深埋厚冲积层薄基岩煤层开采地表沉陷与覆岩运动的关系、地表沉陷演化特征和地表沉陷预测方法。结果表明:深埋薄基岩厚煤层开采覆岩运动存在关键层控制和厚冲积层主导2个阶段,第1阶段薄基岩呈现层状破断特征,关键层下缘离层现象明显,厚冲积层保持稳定;第2阶段采动裂隙萌生于高位厚冲积层,下行扩展导致薄基岩全厚破断,层间离层现象消失;得到了工作面推进过程中不同层位覆岩沉降曲线动态演化特征,发现厚冲积层对覆岩运动和地表沉陷具有强烈控制作用,冒落拱失稳导致覆岩沉降曲线呈现周期性突变现象;薄基岩全厚破断后整体下沉,厚冲积层冒落体下向压实,采动裂隙快速闭合,导致采空区上方垮落带和裂隙带岩层破坏后的碎胀系数小,地表下沉速度快,沉降系数高,最大下沉量达到开采厚度;将地表沉陷区划分为直接沉降和间接沉降2个区域,深埋厚冲积层薄基岩赋存条件下间接沉降区范围增大,构建了地表沉陷分区预测模型;对赵固二矿地表沉陷特征进行了预测,同时采用无人船搭载定位和声纳系统对赵固二矿地表沉陷盆地形态进行了实测和重构,预测结果和实测数据对比分析表明理论沉陷值的最大误差率为7.0%,平均误差率为2.4%,表明构建的地表沉陷分区预测模型适用于深埋厚冲积层薄基岩赋存条件,可为该类煤层开采地表沉陷治理提供借鉴。 展开更多
关键词 厚冲积层 薄基岩 岩层运动 开采沉陷 沉陷预测
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煤基固废制备充填材料配比优化试验研究 被引量:26
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作者 唐岳松 张令非 吕华永 《矿业科学学报》 2019年第4期327-336,共10页
为制备低成本、高强度的煤矿充填材料,以煤矸石做骨料,以粉煤灰、脱硫石膏、硅钙渣为胶凝材料制作试件,并对其进行单轴抗压强度、坍落度、扩展度指标测试,研究了充填材料配比优化前后的力学性能、各组分影响情况。结果表明,脱硫石膏、... 为制备低成本、高强度的煤矿充填材料,以煤矸石做骨料,以粉煤灰、脱硫石膏、硅钙渣为胶凝材料制作试件,并对其进行单轴抗压强度、坍落度、扩展度指标测试,研究了充填材料配比优化前后的力学性能、各组分影响情况。结果表明,脱硫石膏、硅钙渣在一定掺量范围内具有较强的胶凝作用;随着粉煤灰掺量增加,充填材料初期强度增长较慢,应控制其掺量不高于6.67%;粉煤灰与硅钙渣联合使用能激发硅钙渣的胶凝性能;煤矸石、粉煤灰、脱硫石膏、硅钙渣、水泥最优质量比为70∶6∶3∶12.5∶8.5。利用响应面法对结论进行了验证,试验结论与预测一致。 展开更多
关键词 煤基固废 充填材料 抗压强度 配比优化 响应面法
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大采高工作面支架刚度对煤壁稳定性的影响效应研究 被引量:5
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作者 韩宇峰 王兆会 唐岳松 《煤炭科学技术》 CAS CSCD 北大核心 2023年第3期1-9,共9页
大采高开采技术是我国厚煤层开采的主要技术选择之一,大采高工作面一次割煤高度增大,煤壁稳定性降低,煤壁破坏成为制约该类工作面生产潜能释放的关键因素。为提高大采高工作面围岩稳定性,实现厚煤层高效开采,采用理论分析、室内试验和... 大采高开采技术是我国厚煤层开采的主要技术选择之一,大采高工作面一次割煤高度增大,煤壁稳定性降低,煤壁破坏成为制约该类工作面生产潜能释放的关键因素。为提高大采高工作面围岩稳定性,实现厚煤层高效开采,采用理论分析、室内试验和现场实测等综合手段分析了支架刚度对煤壁稳定性的影响。结果表明:大采高工作面存在3种常见煤壁破坏形式:硬煤劈裂式、中硬煤剪切式和软煤塑性流动式;定义煤壁稳定性系数为煤壁极限承载能力与作用在煤壁之上的顶板载荷之差同顶板载荷之比,得到顶板载荷对稳定性系数分布特征的影响;建立顶板冲击力学模型,基于能量原理,提出了作用于煤壁之上的顶板载荷确定方法;分析了支架刚度对煤壁稳定性系数的影响,随着支架刚度的增加,作用于煤壁之上的顶板载荷降低,煤壁稳定性升高,顶板载荷及煤壁稳定性对支架刚度的敏感性逐渐降低;开展不同支架刚度条件下煤壁稳定性相似模拟试验,支架刚度为1.0、1.5、2.0 MN/m的条件下,煤壁极限承载能力分别为17、19、20 kN,煤壁的最大横向变形量分别为40、30、25 mm,煤壁破坏面积分别为0.41、0.32、0.21 m^(2),试验数据验证了理论分析结果的正确性;最后将提高支架刚度措施应用于乌兰木伦31402大采高工作面,煤壁稳定性得到有效控制。 展开更多
关键词 大采高工作面 煤壁破坏 厚煤层开采 煤壁压力 支架刚度
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厚煤层综放开采顶煤分区破坏特征研究 被引量:4
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作者 韩宇峰 王兆会 唐岳松 《煤炭科学技术》 CAS CSCD 北大核心 2022年第7期99-107,共9页
顶煤破坏机理是综放开采的一个基本理论问题,研究顶煤渐进破坏过程可为冒放性准确判别奠定基础。为提高顶煤冒放性预测精度,采用理论分析、数值计算和现场实测等手段对山西新柳煤矿顶煤分区破碎特征进行了研究。将液压支架简化为恒刚度... 顶煤破坏机理是综放开采的一个基本理论问题,研究顶煤渐进破坏过程可为冒放性准确判别奠定基础。为提高顶煤冒放性预测精度,采用理论分析、数值计算和现场实测等手段对山西新柳煤矿顶煤分区破碎特征进行了研究。将液压支架简化为恒刚度弹簧建立顶煤力学模型,借助Ritz法和最小势能原理得到了工作面前方和控顶区上方顶煤位移场和应力场,分析了考虑初始地应力和开挖卸荷效应的采动应力分布特征;定义顶煤破坏危险性系数为应力圆半径同圆心至强度曲线垂直距离之差,实现顶煤破坏危险程度的定量表征;根据破坏面上正应力大小将剪切破坏划分为压剪和拉剪2种形式,推导出2种剪切破坏模式之间的过渡条件;以顶煤破坏危险性系数k=0等值线、水平应力σ_(h)=σ_(ts)等值线和控顶区上方抛物线形拉剪破坏边界线为界,将顶煤划分为弹性状态→压剪破坏→拉剪破坏→拉伸破坏4个阶段;对综放开采顶煤渐进破坏过程进行了模拟分析,借助FISH语言对顶煤破碎分区进行提取,模拟结果同理论结果较为吻合,但控顶区上方顶煤漏斗形拉剪破坏区同拉伸破坏区之间存在一条狭窄的剪切-拉伸混合破坏带;最后对顶煤裂隙发育特征进行了实测,煤壁前方为闭合型剪切裂隙,煤壁后方为张开型拉伸裂隙,与理论分析所得顶煤分区破碎特征吻合,验证了顶煤分区破坏模型的准确性。 展开更多
关键词 综放开采 顶煤破坏分区 破坏危险性系数 顶煤裂隙 厚煤层开采
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综放工作面临空开采顶煤主应力旋转特征 被引量:3
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作者 韩宇峰 王兆会 唐岳松 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第S01期12-22,共11页
综放工作面采动应力场分区特征决定顶煤裂隙场发育特征,为获得临空开采条件下顶煤裂隙扩展的应力驱动机制,本研究采用数值模拟、理论分析和现场实测手段对该类综放工作面顶煤主应力分布特征进行分析。结果表明:顶煤渐进破碎过程受主应... 综放工作面采动应力场分区特征决定顶煤裂隙场发育特征,为获得临空开采条件下顶煤裂隙扩展的应力驱动机制,本研究采用数值模拟、理论分析和现场实测手段对该类综放工作面顶煤主应力分布特征进行分析。结果表明:顶煤渐进破碎过程受主应力大小和方向的双重影响,最大主应力升高和最小主应力降低促进顶煤破碎,后者碎煤效率为前者的3.0~4.5倍;煤层为含有大量原生裂隙的复杂地质体,裂隙煤体具有各向异性力学特征,主应力方向旋转必然改变顶煤力学行为,进而影响顶煤破碎难度和破坏裂隙扩展特征;非临空开采条件下,顶煤主应力分布呈现对称分布特征,主应力旋转轨迹在赤平投影图中集中为一簇,旋转幅度小;临空开采条件下,顶煤主应力分布呈现非对称特征,临空侧顶煤主应力集中程度明显高于实体煤侧,主应力旋转轨迹在赤平投影图中分为两簇,旋转幅度大;采动影响下,顶煤最大主应力向竖直方向旋转,最小主应力向水平方向旋转,根据主应力同平行于推进方向竖直平面之间的空间位置关系,将顶煤主应力方向旋转轨迹划分为4个阶段:面外旋转阶段、面外反向回旋阶段、面内反向回旋阶段和非协调旋转阶段;最后采用临空开采工作面两侧巷道围岩的非对称变形现象验证了顶煤主应力方向旋转轨迹的非对称分布特征。 展开更多
关键词 综放开采 主应力大小 主应力方向 旋转轨迹
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