《工矿自动化》“深部开采覆岩破坏与地压灾害多源信息监测及预警技术”专题

来源：工矿自动化

随着我国矿产资源开采逐步向深部转移，确保深部资源安全高效开采，已成为我国亟待解决的战略科技问题。针对深部环境下采动岩层运动引起的安全问题，掌握深部环境下采动岩层的运动规律，加强覆岩破坏与地压灾害智能化实时监测预警技术研究，是提升矿山灾害智能防控水平、保障深部资源安全高效开采的关键。为总结交流科研成果，进一步推动深部环境下采动灾害智能防控技术攻关，助力煤炭行业高质量发展，《工矿自动化》编辑部特邀中国矿业大学朱卫兵教授、中国矿业大学（北京）杨胜利教授担任客座主编，中煤科工开采研究院潘俊锋研究员、西安科技大学解盘石教授担任客座副主编，于2024年第12期组织出版了“深部开采覆岩破坏与地压灾害多源信息监测及预警技术”专题。衷心感谢各位专家学者的大力支持！

行业视野: 工矿自动化
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非均厚特厚煤层开采高位组合悬臂板结构运动致灾机制

作者(Author)：朱卫兵, 郭春雷, 罗讯, 柴发英, 谢建林, 柴毅

摘要：非均厚特厚煤层开采会显著影响采场顶板破断结构形式，进而对工作面矿压显现造成极大影响。为了揭示甘肃某矿深部特厚煤层开采顶板大能量事件发生机理，采用数值模拟、物理模拟、钻孔探测及内部岩移监测方法，研究了非均厚特厚煤层开采顶板破断结构形式及致灾机制。结果表明：40 m累计采厚区域的裂隙发育高度远大于20 m采厚区域，导致后者上方易形成高位组合悬臂板结构，确定该结构破断运动是造成顶板灾害发生的主要原因，并得到了模拟结果的验证。根据4个地面钻孔钻进过程中的冲洗液漏失及掉钻情况，发现首采4 m厚油页岩解放层的裂隙发育高度仅为75 m，位于亚关键层2底界；煤二层20，40 m采厚区域的裂隙发育高度分别为289，504 m，大致位于亚关键层4和主关键层底界，揭示了不同采厚区域顶板采动裂隙发育差异，进一步证实了高位组合悬臂板结构的客观存在。结合ZY1地面钻孔内部岩移光纤断点高度变化与大能量事件之间的关联，明确了高位组合悬臂板破断结构运动引发采场强矿压显现的致灾机制。研究结果可为类似非均厚煤层赋存或特厚煤层分层开采条件下的工作面安全高效生产提供参考。

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2024年第12期

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交叉扇形断顶爆破防治临空回采巷道冲击地压技术

作者(Author)：潘俊锋, 刘少虹, 马文涛, 高家明, 马宏源

摘要：针对冲击地压临空回采巷道超前支护区域频繁发生冲击地压问题，以某严重冲击地压矿井为例，在深入分析41次冲击地压发生规律基础上，建立了本面采空区与侧向采空区上覆顶板连通作用工程力学模型，揭示了其诱发冲击机理，提出了交叉扇形断顶爆破防冲技术。研究结果表明：临空巷道侧向支承压力、侧向采空区支承压力、工作面超前支承压力和巷道交叉对冲击地压具有显著影响，叠加因素越多，发生冲击地压的概率越大，本面采空区与侧向采空区上覆厚硬顶板连通叠加作用是主控因素；本面采空区与侧向采空区上覆厚硬顶板连通形成直角扇形悬顶结构，大面积悬顶为冲击启动提供静载荷，达到极限垮断时提供动载荷，是冲击地压启动的载荷来源；临空巷道内超前支承压力影响区域是冲击危险性最高的区域，在该区域内实施交叉扇形断顶爆破卸压技术，可有效缩短侧向采空区、本面采空区连通直角扇形悬顶长度，降低动载荷源强度。研究为临空巷道回采期间冲击地压频繁发生提供了防治思路与方法。

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急倾斜中厚煤层双斜开采顶板垮落堆积与应力演化特征

作者(Author)：伍永平, 许英瑞, 解盘石, 王红伟, 郎丁, 皇甫靖宇, 强旭博, 杜玉乾, 王乐辰, 茹笑辉, 王正富

摘要：俯伪斜开采降低工作面倾角能力有限，倾角60°以上急倾斜中厚煤层长壁综合机械化开采方法亟待突破。以华蓥山煤业股份有限公司绿水洞煤矿3212工作面为工程背景，在俯伪斜开采的基础上提出了双斜开采的采煤方法，并采用物理相似模拟、数值模拟等方法，分析了双斜开采顶板破断矸石充填滑移堆积规律及应力演化过程。结果表明：双斜开采工作面布置需要与矿井开采设计相协调，工作面两巷维护难度大，其中回风巷侧受采动应力影响大，而运输巷与工作面支架的协调配合难度大；双斜开采由于其异形采空区顶板结构，垮落步距更大，其矸石垮落堆积呈倒三角形且存在周期性滑移特征，并且由于大块矸石堆积造成工作面上部和中部的非均匀来压现象；双斜开采原岩应力随工作面的推进逐渐增大，工作面倾斜上部、中部、下部来压强度不同，一般倾斜中上部来压大于下部，但倾斜下部支承压力应力集中系数大于工作面中上部，双斜开采顶板应力演化特征受工作面形状和推进距离的影响，并由于巷道调斜角作用，应力释放范围呈现由倾斜上部至下部逐渐变小的非对称特征。

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采动下淋水软岩巷道围岩变形破坏特征

作者(Author)：解盘石, 房嘉睿, 胡博胜, 张波, 张希, 段思宇

摘要：在采动影响及淋水浸蚀双重作用下，软岩巷道围岩变形破坏严重，且淋水使锚固剂失效，造成锚杆及锚索锚固力衰减，承载能力下降，严重影响工作面安全生产。针对该问题，采用物理相似模拟实验、数值模拟实验与现场实测相结合的研究方法，分析了淋水软岩巷道围岩在采动影响及不同支护参数条件下的破坏情况，揭示了采动下淋水软岩巷道围岩变形破坏特征并给出了合理的支护参数。实验结果表明：① 采动影响下软岩巷道围岩变形破坏形态具有非对称性，且在淋水条件下，巷道围岩破坏范围进一步增大。② 锚索长度从9 m增加至10 m，巷道围岩破坏范围减小了4.3%；使用12.2 m长锚索支护顶板时，两帮破坏范围大于使用9 m锚索与10 m锚索，主要原因为12.2 m锚索贯通至顶板含水层，导致水体渗流加剧，巷道围岩进一步软化；使用9.2 m长锚索+4.2 m短锚索联合支护时，相较前3种支护参数，巷道围岩破坏范围减小，水体渗流情况明显改善。现场应用结果表明，采用9.2 m长锚索+4.2 m短锚索联合支护时，顶板下沉量、两帮变形量、底板鼓起量比采用原支护参数时分别减小77.5%，65%，76.5%，有效提高了巷道围岩抵抗变形破坏的能力。

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复合坚硬顶板强矿压显现特征及主控层位确定

作者(Author)：李延军

摘要：煤层上方复合坚硬顶板结构间的相互作用关系复杂，水力压裂复合顶板的卸压主控层位难以明确。以乌审旗蒙大矿业有限责任公司纳林河二号矿井31104−1工作面为工程背景，综合采用物理相似模拟、理论分析、工程试验的研究方法，分析了复合坚硬顶板破断与能量演化规律，揭示了复合坚硬顶板强矿压形成机理，明确了水力压裂的主控层位。研究结果表明：复合坚硬顶板工作面开采初期，顶板垮落范围集中于低位坚硬顶板，其周期性破断形成工作面周期来压；高位坚硬顶板受下部垮落矸石支撑作用难以充分垮落，工作面推进至一次见方位置时，高位坚硬顶板协同间隔岩层整体切落，工作面产生强矿压现象；采用定向预裂高位坚硬顶板后，工作面覆岩呈现典型的“三带”结构，上方顶板及时破断下沉，工作面见方位置较预裂低位坚硬顶板声发射振铃计数减少了38.36%，微震事件集中分布区能量降低至1 000～2 000 J，且现场实测顶板微震事件总能量、单刀能量及事件数较预裂低位坚硬顶板时分别降低了62.17%，71.92%，56.32%，表明高位坚硬顶板为卸压主控层位，预裂高位坚硬顶板能有效抑制工作面强矿压现象。

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上分层遗留区段煤柱下斜交工作面综放开采覆岩结构演化特征

作者(Author)：刘用, 王红伟, 吴学松, 田程鹏, 关荣福, 聂云枭, 范志伟, 曹沛沛

摘要：特厚煤层分层综放开采上下分层工作面斜交布置时，下分层综放工作面间歇性过上分层遗留区段煤柱导致覆岩破断运动及矿压显现规律复杂，围岩控制困难，制约了煤矿安全生产。以甘肃华亭煤电股份有限公司砚北煤矿250203下综放工作面为工程背景，采用物理相似模拟实验、数值计算、现场实测相结合的方法，研究了上分层遗留区段煤柱下斜交工作面综放开采覆岩运移规律及应力分布演化特征，阐明了下分层综放工作面开采扰动下上分层遗留区段煤柱失稳特征及围岩支承压力变化规律，定义了斜交工作面覆岩内场和外场，揭示了下分层综放工作面过遗留区段煤柱覆岩结构演化特征。研究结果表明：① 下分层综放工作面开采诱发上分层遗留区段煤柱失稳导致覆岩大尺度空间垮落，扰动区内顶板结构渐次演化，形成“低位倒台阶组合悬臂梁+高位大结构砌体梁”组合结构。② 在工作面距区段煤柱15 m时，区段煤柱最大垂直应力达到46.7 MPa，较下分层未开采时增大了9.9%，煤柱形变现象较为明显；工作面位于区段煤柱正下方时，区段煤柱应力集中区域呈近似“月牙状”分布。③ 随着下分层综放工作面与上覆遗留区段煤柱斜交位置变化，外场覆岩破断形态呈近似对称梯形，结构动态失稳导致内场垮落形态呈“非对称双拱”、“对称双拱”、“单拱”演化过程。研究结果对特厚煤层分层综放工作面安全开采具有指导意义。

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厚直接顶作用下切顶深度对沿空留巷稳定性影响分析

作者(Author)：王飞, 王绪强, 石新禹, 许慧聪

摘要：切顶卸压沿空留巷稳定性主要受切顶参数影响，而厚直接顶作用下沿空巷道合理切顶参数的确定较为复杂。以陕西陕煤黄陵矿业有限公司一号煤矿1009工作面辅运巷为工程背景，采用理论分析、数值计算及现场监测相结合的方法，在明确巷道留设工艺为“补强支护+切顶卸压+巷旁支护+巷内临时支护”的基础上，分析了厚直接顶作用下沿空留巷工艺流程及合理参数，研究了切顶深度为7.5，8.5，9.5 m条件下工作面矿压显现规律及巷道应力和位移特征，确定了沿空巷道合理切顶深度，并通过现场监测确定了成巷效果。结果表明：巷道切顶深度直接影响成巷效果，切顶角度一定时，切顶深度越接近于直接顶厚度，垮落矸石对顶板支撑力越大，岩层稳定性越强；随着切顶深度增大，工作面来压步距减小、来压强度降低，巷道应力集中峰值和顶板位移下沉量减小；确定切顶深度为8.5 m，此时留巷完成后巷道应力集中峰值和最大位移分别为13.6 MPa、235 mm。现场监测结果显示，进入正常留巷段后巷道最大下沉量为252 mm，让压锚索最大载荷为412 kN，垛式支架最大工作阻力为41.9 MPa，巷道稳定性较好，留巷效果显著。

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巨厚煤层分层开采覆岩导水裂隙带高度演化及其预测研究

作者(Author)：孟海伦, 程香港, 乔伟

摘要：目前导水裂隙带发育高度的研究大多针对的是单一煤层开采导水裂隙带高度，而对于巨厚煤层开采覆岩导水裂隙带发育高度预测研究较少。基于新疆侏罗系煤田巨厚煤层地质条件，选取新疆准南煤田硫磺沟煤矿（9−15）08典型工作面参数，通过数值模拟和分形几何理论分析，定量评价巨厚煤层在综放分层开采条件下覆岩裂隙场的发育特征和演化规律，并构建了基于粒子群优化支持向量机回归（PSO−SVR）的巨厚煤层分层开采导水裂隙带高度预测模型。研究结果表明：① 巨厚煤层分层开采时，老顶范围内坚硬岩层和亚关键层呈铰接结构，整体上覆岩变形破坏呈拱式结构。② 受采动影响，顶板覆岩破断垮落，横向裂隙不断发育生成，且垂向裂隙向上发育，导水裂隙带持续上升，分形维数快速上升。而随着工作面的持续推进，上覆岩层裂隙中横向裂隙被上覆岩层压实，裂隙开度降低，分形维数逐渐降低。③ 分层开采时裂隙分形维数总体呈现为升维、降维、稳定和波动4个阶段。④ 选用平均绝对误差（MAE）、平均偏差（MBE）和相关指数R2等指标对PSO−SVR模型进行了评估，其相关指数R2＞0.90，MAE＜6.5 m，−0.5 m＜MBE＜0.5 m，表明建立的PSO−SVR模型能够用于分层综放开采导水裂隙带高度预测。⑤ 将9−15（08）工作面数据代入PSO−SVR模型中，预测值与实测值绝对误差为12.52 m，相对误差为4.86%，表明PSO−SVR能够有效、准确地进行巨厚煤层开采导水裂隙带高度预测。

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