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急倾斜夹持煤体承载特征及地面斜井压裂防冲方法
1
作者
于斌
李勇
+8 位作者
彭明贤
高瑞
杨文连
李明
邰阳
尚子榆
丁俊
苗伟东
赵鸿杰
《煤炭学报》
北大核心
2025年第6期2773-2788,共16页
我国西北部地区作为“一带一路”沿线的重要枢纽,同时作为国家煤炭资源的主产区,其能源安全保障意义重大。受复杂地质构造演化影响,该区域广泛发育急倾斜煤层。独特的地质赋存条件导致这类煤层开采过程中形成特殊的顶底板“夹持”结构,...
我国西北部地区作为“一带一路”沿线的重要枢纽,同时作为国家煤炭资源的主产区,其能源安全保障意义重大。受复杂地质构造演化影响,该区域广泛发育急倾斜煤层。独特的地质赋存条件导致这类煤层开采过程中形成特殊的顶底板“夹持”结构,采场冲击地压灾害频发。然而,当前对“夹持”作用下煤体应力与能量分布仍缺乏定量分析,现有防治技术存在明显局限。为此,构建了基于Timoshenko梁理论的急倾斜悬臂顶板弹性支撑力学模型,结合Winkler弹性地基支撑力与挠度的定量关系,推导出煤体荷载与能量分布解析式,量化分析了顶板悬臂长度、厚度及倾角对两者的影响。创新提出了地面斜井区域压裂改造“夹持”结构、调控应力环境的冲击地压防治新方法,初步明确了该方法的防冲机理与效果。研究表明:煤体荷载与能量峰值随顶板悬臂长度和厚度的增加显著提升。悬臂长度由15m增至45m,煤体峰值荷载增长13倍,能量增加168倍;顶板厚度由10m增至22m,荷载与能量峰值分别增至11.5×10^(9)N和3.9×10^(10)J,且峰值位置向远离煤壁端偏移。相比之下,岩层倾角对煤体荷载与能量分布影响较小。地面斜井区域压裂通过构建网格化裂缝,将完整顶板分割为规则岩段,使覆岩运动模式由传统悬顶结构周期性破断转变为压裂岩段沿裂缝面滑移失稳,从根本上弱化了顶底板对煤层的“夹持”作用,并将顶板破断动载由突发性冲击转变为渐进式释放,有效削弱了冲击地压风险。压裂后形成“采动-压裂”协同破裂效应,使致冲关键层提前破断,消除大跨度悬顶结构,缩短悬顶时间,煤层剪切应力峰值降低41.9%。此外,压裂裂缝的“通道”效应促进覆岩裂隙发育高度增加31.4m,垮落矸石量增多,碎胀性作用下采空区充填质量增强,形成更稳定的“矸石-顶板”承载体系,有效抑制顶板弯曲变形,促使覆岩应力通过矸石向底板岩体转移。
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关键词
急倾斜煤层
冲击地
压
煤体荷载与能量
地面
斜井
区域
压
裂
覆岩
裂
隙
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职称材料
顶板不同区域压裂程度覆岩采动响应特征
被引量：
4
2
作者
邬建宏
潘俊锋
+4 位作者
冯美华
陆闯
高家明
闫耀东
马宏源
《煤炭学报》
EI
CAS
CSCD
北大核心
2024年第11期4351-4364,共14页
为了获得顶板不同区域压裂程度下覆岩活动规律及其响应特征,进而为区域压裂防治顶板主导型冲击地压提供借鉴。首先根据地面区域压裂施工期间的微震监测结果,刻画了微震缝网的平面扩展形态,并依据微震缝网对工作面的覆盖程度进行区域划分...
为了获得顶板不同区域压裂程度下覆岩活动规律及其响应特征,进而为区域压裂防治顶板主导型冲击地压提供借鉴。首先根据地面区域压裂施工期间的微震监测结果,刻画了微震缝网的平面扩展形态,并依据微震缝网对工作面的覆盖程度进行区域划分;然后基于理论分析揭示了区域压裂超前释放累积应力和能量、覆岩结构调控控制载荷源以及压裂层自身“缓冲吸能”作用机理;之后分析了不同回采区域的微震事件迁移特征、日总能量频次特征、能量频次核密度分布特征及工作面超前和倾向的采动影响范围;最后对比分析了不同回采区域的矿压显现宏观特征及支架工作阻力变化特征。研究结果表明:微震活动时空响应特征与区域压裂程度有着密切联系,压裂充分区、压裂不充分区和未压裂区3个回采区域分别呈现“高频次、低能量”“高频次、高能量”和“高频次、高能量”微震响应特征,微震能量频次核密度分布与其具有一致性,区域压裂后微震活动度和丛集效应降低,且微震事件分布呈现从工作面前方向工作面后方迁移和聚集的趋势;覆岩采动影响范围与区域压裂程度成反比,区域压裂能够缩小悬臂长度,切断载荷传递路径,从而减小超前和倾向采动影响范围,压裂充分区和压裂不充分区与未压裂区相比,超前采动影响范围分别减小20.6%、14.7%,倾向采动影响范围分别减小21.5%、10.0%;区域压裂能够有效缓和矿压显现强度,区域压裂对厚硬岩层整体性及其强度进行弱化,使覆岩破断块体减小且能够有序及时垮落,压裂充分区和压裂不充分区与未压裂区相比,周期来压规律不明显、来压强度低,持续来压时间缩短,来压时间间隔增大,来压次数减少;综合不同回采区域覆岩采动响应特征,在针对厚硬顶板开展水平井区域压裂施工时,应确保区域压裂缝网有效覆盖工作面及巷道两侧煤柱区域,且避免在工作面形成未压裂区。
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关键词
地面区域压裂
厚硬顶板
区域
压
裂
程度
采动影响范围
覆岩响应特征
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职称材料
题名
急倾斜夹持煤体承载特征及地面斜井压裂防冲方法
1
作者
于斌
李勇
彭明贤
高瑞
杨文连
李明
邰阳
尚子榆
丁俊
苗伟东
赵鸿杰
机构
重庆大学煤矿灾害动力学与控制全国重点实验室
太原理工大学矿业工程学院
甘肃靖煤能源有限公司
中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室
出处
《煤炭学报》
北大核心
2025年第6期2773-2788,共16页
基金
国家自然科学基金青年资助项目(52204127)
国家自然科学基金面上资助项目(52274135)。
文摘
我国西北部地区作为“一带一路”沿线的重要枢纽,同时作为国家煤炭资源的主产区,其能源安全保障意义重大。受复杂地质构造演化影响,该区域广泛发育急倾斜煤层。独特的地质赋存条件导致这类煤层开采过程中形成特殊的顶底板“夹持”结构,采场冲击地压灾害频发。然而,当前对“夹持”作用下煤体应力与能量分布仍缺乏定量分析,现有防治技术存在明显局限。为此,构建了基于Timoshenko梁理论的急倾斜悬臂顶板弹性支撑力学模型,结合Winkler弹性地基支撑力与挠度的定量关系,推导出煤体荷载与能量分布解析式,量化分析了顶板悬臂长度、厚度及倾角对两者的影响。创新提出了地面斜井区域压裂改造“夹持”结构、调控应力环境的冲击地压防治新方法,初步明确了该方法的防冲机理与效果。研究表明:煤体荷载与能量峰值随顶板悬臂长度和厚度的增加显著提升。悬臂长度由15m增至45m,煤体峰值荷载增长13倍,能量增加168倍;顶板厚度由10m增至22m,荷载与能量峰值分别增至11.5×10^(9)N和3.9×10^(10)J,且峰值位置向远离煤壁端偏移。相比之下,岩层倾角对煤体荷载与能量分布影响较小。地面斜井区域压裂通过构建网格化裂缝,将完整顶板分割为规则岩段,使覆岩运动模式由传统悬顶结构周期性破断转变为压裂岩段沿裂缝面滑移失稳,从根本上弱化了顶底板对煤层的“夹持”作用,并将顶板破断动载由突发性冲击转变为渐进式释放,有效削弱了冲击地压风险。压裂后形成“采动-压裂”协同破裂效应,使致冲关键层提前破断,消除大跨度悬顶结构,缩短悬顶时间,煤层剪切应力峰值降低41.9%。此外,压裂裂缝的“通道”效应促进覆岩裂隙发育高度增加31.4m,垮落矸石量增多,碎胀性作用下采空区充填质量增强,形成更稳定的“矸石-顶板”承载体系,有效抑制顶板弯曲变形,促使覆岩应力通过矸石向底板岩体转移。
关键词
急倾斜煤层
冲击地
压
煤体荷载与能量
地面
斜井
区域
压
裂
覆岩
裂
隙
Keywords
steeply inclined coal seam
rockburst
load-energy distribution in coal
ground inclined well regional frac-turing
overlying strata fractures
分类号
TD324 [矿业工程—矿井建设]
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职称材料
题名
顶板不同区域压裂程度覆岩采动响应特征
被引量：
4
2
作者
邬建宏
潘俊锋
冯美华
陆闯
高家明
闫耀东
马宏源
机构
煤炭科学研究总院开采研究分院
中煤科工开采研究院有限公司
出处
《煤炭学报》
EI
CAS
CSCD
北大核心
2024年第11期4351-4364,共14页
基金
国家重点研发计划资助项目(2022YFC3004604)
中煤科工开采研究院有限公司科技创新基金资助项目(KCYJY-2024-QN-03)。
文摘
为了获得顶板不同区域压裂程度下覆岩活动规律及其响应特征,进而为区域压裂防治顶板主导型冲击地压提供借鉴。首先根据地面区域压裂施工期间的微震监测结果,刻画了微震缝网的平面扩展形态,并依据微震缝网对工作面的覆盖程度进行区域划分;然后基于理论分析揭示了区域压裂超前释放累积应力和能量、覆岩结构调控控制载荷源以及压裂层自身“缓冲吸能”作用机理;之后分析了不同回采区域的微震事件迁移特征、日总能量频次特征、能量频次核密度分布特征及工作面超前和倾向的采动影响范围;最后对比分析了不同回采区域的矿压显现宏观特征及支架工作阻力变化特征。研究结果表明:微震活动时空响应特征与区域压裂程度有着密切联系,压裂充分区、压裂不充分区和未压裂区3个回采区域分别呈现“高频次、低能量”“高频次、高能量”和“高频次、高能量”微震响应特征,微震能量频次核密度分布与其具有一致性,区域压裂后微震活动度和丛集效应降低,且微震事件分布呈现从工作面前方向工作面后方迁移和聚集的趋势;覆岩采动影响范围与区域压裂程度成反比,区域压裂能够缩小悬臂长度,切断载荷传递路径,从而减小超前和倾向采动影响范围,压裂充分区和压裂不充分区与未压裂区相比,超前采动影响范围分别减小20.6%、14.7%,倾向采动影响范围分别减小21.5%、10.0%;区域压裂能够有效缓和矿压显现强度,区域压裂对厚硬岩层整体性及其强度进行弱化,使覆岩破断块体减小且能够有序及时垮落,压裂充分区和压裂不充分区与未压裂区相比,周期来压规律不明显、来压强度低,持续来压时间缩短,来压时间间隔增大,来压次数减少;综合不同回采区域覆岩采动响应特征,在针对厚硬顶板开展水平井区域压裂施工时,应确保区域压裂缝网有效覆盖工作面及巷道两侧煤柱区域,且避免在工作面形成未压裂区。
关键词
地面区域压裂
厚硬顶板
区域
压
裂
程度
采动影响范围
覆岩响应特征
Keywords
surface area fracturing
thick and hard roof
regional fracturing degree
scope of mining impact
response characteristics of overlying rock
分类号
TD803 [矿业工程—矿山开采]
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职称材料
题名
作者
出处
发文年
被引量
操作
1
急倾斜夹持煤体承载特征及地面斜井压裂防冲方法
于斌
李勇
彭明贤
高瑞
杨文连
李明
邰阳
尚子榆
丁俊
苗伟东
赵鸿杰
《煤炭学报》
北大核心
2025
0
在线阅读
下载PDF
职称材料
2
顶板不同区域压裂程度覆岩采动响应特征
邬建宏
潘俊锋
冯美华
陆闯
高家明
闫耀东
马宏源
《煤炭学报》
EI
CAS
CSCD
北大核心
2024
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