急倾斜特厚煤层水平分段综放开采冲击矿压机理

我国急倾斜特厚煤层开采冲击矿压越发凸显,且灾害显现特殊。为了揭示急倾斜特厚煤层水平分段开采冲击矿压机理,建立覆岩力学模型,分析了覆岩运动、能量释放、煤层应力分布等规律;采用工作面液压支架工作阻力监测数据,分析了工作面支架工作阻力与动载系数分布规律;利用微震监测得到的矿震空间分布,分析了岩层运动和能量释放规律。研究结果表明:急倾斜特厚煤层水平分段开采,顶板倾向破断步距与煤层倾角呈非线性正相关关系,当煤层倾角大于60°时,破断步距出现陡增;覆岩下位坚硬岩层破断后在倾向上可暂时形成平衡结构,随着下位分段开采和放煤,平衡结构可发生破断旋转、断块跌落、结构挤压俯冲等3种类型的失稳冲击过程,对工作面形成动态冲击;在顶底板夹持作用下,工作面煤体靠近顶底板侧将形成非对称倾向支承压力分布,靠近顶板侧为封闭夹持状态,应力集中程度高,靠近底板侧为开放夹持状态,煤体易破坏卸压而处于塑性状态,在非对称支承压力作用下,工作面中部至顶板侧底煤受强烈剪切应力作用,且处于底板弹塑性交界区,易于失稳冲击;急倾斜特厚煤层水平分段综放开采,覆岩破断步距大,顶板破断和失稳冲击的瞬间释放能量强,扰动底煤高应力区诱发冲击矿压显现,揭示了急倾斜特厚煤层水平分段综放开采夹持冲击型冲击矿压机理。工作面液压支架工作阻力监测表明工作面中部至顶板侧动载系数最大达到3.25,表明覆岩形成了悬空式结构失稳;矿震监测结果表明工作面中部至靠近顶板侧底煤容易积聚弹性变形能,底板侧容易释放能量,顶板活动易形成动载扰动。研究结果得到了监测验证。     

急倾斜煤层端面顶板稳定性分析

急倾斜顶板矿压显现规律复杂,并且急倾斜煤层在形成过程中由于受到构造运动的强烈挤压,煤层及其顶底板中节理、裂隙等软弱面比较发育,易失稳垮落,支护不当时易发生片帮与冒顶事故。针对急倾斜煤层开采端面顶板破碎情况严重影响安全生产,以陈蛮庄煤矿3402工作面为工程背景,进行顶板孔观测、构建顶板力学模型、理论分析、数值模拟等,进一步分析了急倾斜煤层端面顶板稳定性。研究结果表明:急倾斜煤层工作面顶板比较破碎,易造成顶板垮落事故,影响液压支架的支护能力,进而引起频繁的煤壁片帮,造成安全事故;工作面上部由于充填不充分,应力集中程度仍然随着工作面推进距离的增加而增大。造成急倾斜煤层端面顶板破坏程度较严重;针对急倾斜煤层端面顶板破断特征规律,通过建立急倾斜煤层采场的物理模型,经过理论公式计算出顶板初次来压步距L,最大拉应力与顶板岩层抗拉强度比较得出急倾斜煤层顶板破碎的根本原因。     

急倾斜水平分段放顶煤开采应力分布规律及冲击地压防治北大核心

为了揭示急倾斜煤层水平分段放顶煤开采应力场分布特征及冲击地压显现规律,以王家山煤矿东一采区为工程背景;理论分析了急倾斜水平分段开采冲击地压显现特征,数值模拟分析了急倾斜煤层水平分段开采应力场演化规律;揭示了急倾斜煤层水平分段开采矿震动载扰动诱发底煤冲击地压显现的规律。结果表明:随着开采分段数增加,工作面采动应力持续增大,顶板巷应力集中程度高于底板巷,最大主应力由原水平方向分布转为沿垂直煤层倾向分布,导致顶板巷周围煤体水平应力集中程度高;工作面煤体水平应力场倾向方向呈现先增大再减小的趋势,且顶板侧水平应力明显高于底板侧水平应力,应力峰值与开采深度呈线性正相关关系,顶板巷冲击危险性明显较高。根据冲击地压发生规律,针对性制定了急倾斜水平分段开采冲击地压防治方案并进行了防治实践,监测表明防冲效果显著。     

急倾斜特厚煤层多分层同采巷道冲击地压成因及控制技术研究

以甘肃华亭煤矿601,602回采工作面冲击地压回采巷道为研究背景,通过现场原岩应力场测量以及上覆围岩结构的力学分析,确定冲击地压发生的力源主要是向斜构造应力场与多分层同采导致的叠加应力场形成的复合应力场,上覆岩层"悬臂梁"结构失稳导致的冲击载荷是诱发冲击地压发生的结构性动力因素;基于此,提出以"错峰调压+爆破切顶+强力支护"为核心的急倾斜特厚煤层分层同采巷道冲击地压控制技术,通过错峰调压来降低回采巷道围岩煤岩体受超强采动影响造成的应力集中程度,爆破切顶控制上覆岩层"悬臂梁"结构的形态,强力支护使回采巷道围岩煤岩体与支护材料形成具有"高强度、强让压、整体性"支护体系。最后确定华亭煤矿同采工作面不宜超过2个,回采工作面间的错距不得小于500 m;在602工作面回风巷道布置钻孔应力计对爆破效果进行检验,结果表明巷道围岩煤岩体内部的集中应力在措施后呈阶段性降低的趋势,从而认为该控制技术可有效防止急倾斜特厚煤层分层同采导致的冲击地压灾害的发生。     

急倾斜煤层开采应力及裂隙演化规律研究

在急倾斜煤层的开采过程中,应力集中和裂隙发育威胁着工作面的安全生产。借助FLAC~(3D)三维数值软件对乌东煤矿进行了急倾斜煤层开采数值模拟,对煤岩体及顶板应力及裂隙演化规律进行了研究。结果发现:煤岩体垂直应力会沿着走向呈现明显"横三区"分布,但回采巷道顶、底部垂直应力分布规律恰好相反;顶板的应力集中程度会随距离煤层的垂直距离的增大而逐渐降低;工作面顶板破坏前期以剪切破坏为主,逐渐发展为拉伸破坏,最终导致顶板垮落。上述研究对回采巷道下部的卸压区域的瓦斯抽采工作具有一定的理论指导意义。     

深部倾斜煤层采动底板破坏演化特征分析

为研究深部倾斜煤层底板破坏特征及破坏深度,以羊东煤矿8469工作面为研究对象,采用理论分析、数值模拟和现场实测相结合的方法,对煤层采后底板应力分布规律、塑性区发育特征及破坏深度进行了研究。通过数值模拟与理论分析可知:煤层开采后,作用在周围煤岩体上的支承压力产生不同的应力分区。沿煤层走向方向,应力呈对称性变化,形状近似马鞍状,在工作面两端处产生应力集中;沿煤层倾向方向,倾斜剪切力的存在使底板岩体由采动破坏转变成滑移破坏,塑性破坏区和应力变化大致呈勺型分布形态,最大应力集中区出现在工作面下侧。随着工作面向前推进,底板破坏范围相应增大,但推进255m后,破坏深度不再增加。现场实测表明,底板浅部岩层最早受到扰动,且受到的扰动程度最高。扰动范围随最大注水量的减少而增加,在底板下25m范围内的岩层受影响较小。由此可知,该工作面底板破坏深度为25.0～29.2m。     

深部急倾斜煤层开采灾害防控及力学行为研究

针对深部煤层开采动力灾害量级大、破化程度高、防治难等问题,采用理论分析的方法,首先依据王家山煤矿深部急倾斜煤层开采过程中煤岩体的微震数据,采用CMEAS算法对微震台网进行优化,获得了最优台网布局;其次,构建了微震多参量综合预警指标体系,并根据现场的实际情况,统计分析开采过程中监测数据的危险判断标准;最后,在最佳微震台网体系下,基于现场微震监测数据,探究出开采过程中工作面顶底板岩层及正前煤层震动时空演化规律。另外,采用数值计算方法模拟工作面开采过程中的煤岩体位移场和应力场的变化情况、周边断层的活化模式,得到了因深部开采扰动而导致的力学响应规律。     

急倾斜充填开采下充填巷道及工作面围岩变形规律

为了研究急倾斜煤层充填开采时围岩变形规律,采用数值模拟和理论分析的方法对急倾斜煤层充填开采时不同充采体积比情况下的充填巷道及工作面围岩变形及应力进行了研究。研究表明:随着充采体积比的增大,充填巷道围岩变形没有明显变化,而应力集中现象有了明显的减小;工作面顶底板所受的应力没有明显变化,反而对顶底板的变形有了较为有效的控制;最后给出了实际生产中所注意的一些问题。     

急斜工作面支架稳定性分析

随着急倾斜工作面采矿活动的进行,工作面在倾斜方向会产生底板破坏滑移。根据倾斜砌体结构理论,支架在倾向正压状态下,以及受到底板滑移破坏作用会发生失稳。为研究该种失稳方式,借助边坡失稳问题分析方法,求出底板安全系数F。在安全系数F1情况下,分析工作面支架在倾向正压以及底板破坏滑移共同作用下的失稳模式。得出支架滑移和顺向倾倒两种失稳模式。采用数值模拟分析急倾斜工作面底板破坏滑移区域,发现底板应力主要集中在工作面中上部,并且当倾角越大,工作面底板破坏越严重。研究结果表明,工作面中上部是支架在倾向正压及底板滑移共同作用下发生失稳的高发区。     

急倾斜煤层放顶煤开采火灾成因及防治研究

通过现场统计及相似模拟实验,对急倾斜水平分段放顶煤开采火灾成因进行了深入研究。研究表明:急倾斜煤层开采过程中的围岩动态运移与发火区域有关。综放工作面发火均集中在顶板侧煤层,工作面每次发火均不是本水平煤层自燃所致,而是由工作面上部靠顶板侧采空区首先发火,并随放顶煤过程进入工作面所致。围岩变形破坏生成的裂隙供氧通道是造成采空区靠顶板侧发火的主要原因。堵塞漏风供氧通道以便切断采空区残煤自然发火的外部因素是保证急倾斜煤层分段放顶煤安全高效开采的关键措施之一。     

倾斜煤层软岩巷道底鼓机理分析及控制技术

 以清水营煤矿110202工作面辅助运输巷为研究对象,分析倾斜煤层巷道底鼓的主要因素,并根据巷道外接圆理论和郎肯土压力理论,建立倾斜煤层巷道底鼓力学模型,推导出倾斜巷道底板围岩压力公式,得出倾斜巷道底鼓力学机制：巷道顶板和两帮松动岩体的垂直应力向底板传递产生水平挤压应力,在底板形成主被动塑性区,被动塑性区内的底板围岩压力大于围岩强度时,底板破坏并向巷道临空区移动,形成底鼓。提出倾斜煤层巷道底鼓控制的“顶板—两帮—底板”系统结构支护方式,并运用到清水营煤矿110202工作面辅助运输巷,数值模拟结果显示：该方法能够有效的控制倾斜煤层巷道底鼓的发生。     

急倾斜特厚煤层水平分段开采煤岩应力演化规律数值模拟研究

急倾斜特厚煤层赋存条件非常特殊,为揭示急倾斜特厚煤层开采过程中灾害的致灾机理,基于COMSOL Multiphysics数值模拟软件对乌东煤矿45#急倾斜特厚煤层水平分段开采条件下,岩体及煤体的应力演化规律进行数值模拟研究,研究结果表明：煤层顶板附近的岩层应力较大,靠近煤层底板处的岩层应力变化不大|覆岩局部区域内产生了应力集中现象|工作面煤体的应力集中多分布在靠近顶板处的煤体,而靠近底板处的煤体其应力集中程度较顶板小|工作面煤体的轴向应力的分布分为塑性区、弹性区和原岩应力区三个区,工作面煤体沿走向方向上的侧向应力随距离工作面的距离增加而减小。     

峻德煤矿倾斜煤层开采沿空侧巷道诱冲机理研究

针对峻德煤矿倾斜煤层开采期间沿空侧巷道冲击地压频发的问题,采用现场调研、微震监测、物理相似模拟和数值模拟相结合的方法开展了研究,结果表明:倾斜煤层工作面开采期间靠近沿空侧巷道的覆岩关键层更容易破断产生剧烈动载扰动;随着煤层倾角减小,沿空侧巷道煤柱帮应力集中程度减小,实体煤帮应力集中程度增大,应力集中由煤柱帮内向实体煤帮内转移;在动静载叠加作用下导致巷道两帮煤体失稳破坏诱发冲击地压,且不同倾角煤层冲击启动区域不同。研究结果对倾斜煤层工作面后续回采阶段卸压防冲工作具有一定的指导作用。     

近距离煤层大倾角工作面采空区下安全开采技术研究

 以近距离煤层大倾角工作面采空区下开采为研究背景,针对煤壁片帮、顶板冒落及支架、运输机下滑的机理进行了分析。文章认为,上覆煤层采空区遗留煤柱造成应力集中,采场二次采动破坏加剧了工作面煤岩体的变形,其整体强度降低,煤层倾角及底板破坏深度对支架及运输机下滑的影响比较大,文章提出了针对性的安全开采控制技术,实现了工作面的安全开采,对类似条件下工作面安全开采提供了有益的指导作用。     

急倾斜煤层伪俯斜走向长壁工作面煤壁破坏机理

急倾斜煤层走向长壁工作面煤壁和底板容易发生破坏,严重影响工作面的正常推进。通过理论建模、底摩擦实验、数值计算等方法,研究了煤层顶板破断与冒落矸石滑动特征,揭示了不同煤层赋存和开采条件下煤壁破坏机理,并提出了防治煤壁破坏与底板滑移的具体措施。研究发现:急倾斜煤层走向长壁工作面顶板冒落的矸石会对采空区形成不同程度的充填,自下而上依次为“密实充填段”、“不均匀充填段”、“非充填段”3段,而工作面中上部区域由于充填不充分,动压现象明显,容易造成严重的煤壁片帮和底板滑移现象,支架的工况随之也会变差,成为整个工作面围岩稳定性最脆弱的区域,严重影响到工作面的安全高效生产,是采场围岩控制的重点区域;工作面底板稳定性显著影响煤壁的稳定性,实际生产中发现,在煤层赋存和开采条件不同时,煤壁破坏一般会呈现出“塑性-流动”、“挤出-滑移”、“剪切-滑移”3种破坏模式;工作面采用伪俯斜布置不仅可以显著提高煤壁和底板的稳定性,也可以有效阻止液压支架倾倒和下滑,还可以避免工作面飞矸发生,配合整体推刮板输送机和“柔性加固煤壁”等技术可以实现急倾斜煤层走向长壁工作面安全高效开采,有效解决急倾斜煤层机械化开采所面临的一系列岩层控制难题。     

大倾角煤层长壁开采覆岩空间活动规律研究

针对大倾角煤层长壁开采覆岩变形、破坏和运移规律复杂,对工作面安全开采影响大等问题,采用现场实测、数值模拟和相似材料模拟,研究总结了大倾角煤层长壁开采直接顶、基本顶和高位岩层空间的变形、破坏和运移规律。结果表明:大倾角煤层走向长壁机械化开采过程中,沿倾斜方向采场顶板低位岩层与高位岩层均呈现出非对称力学特征,且破坏运移呈现出时序性和不均衡性。沿工作面倾斜方向中、上部区域内"三带"特征明显,且层位较高,而下部则顶板岩层没有明显的"三带"特征或"三带"形成的层位较低且不完整;多区段、多煤层开采时,上覆岩层影响程度远大于单一煤层,且具有一定冲击性。     

厚硬顶板下大倾角软煤开采灾变机制与防控技术

针对潘四东煤矿11513大倾角工作面煤壁片帮、支架滑移倾倒和顶板大面积来压问题,通过理论分析、数值模拟和现场实测的研究方法对厚硬顶板下大倾角软煤开采的灾变机制和防控技术开展研究。研究结果表明:在厚硬顶板下大倾角软煤开采初期,围岩塑性破坏主要集中在煤壁和底板岩层;邻近工作面区域煤岩体位移表现出煤壁挤出位移量>底板鼓起位移量>顶板下沉位移量的特征;由于厚硬顶板的存在,随工作面推进距离的增大,煤壁挤出位移量逐渐增大,煤壁片帮失稳的概率倍增。根据厚硬顶板下大倾角软煤开采围岩位移和变形破坏特征,结合现场观测提出厚硬顶板下大倾角软煤开采2种灾害模式,一是以“片帮-冒顶”为主导,诱发“支架-围岩”系统发生大范围失稳的动态互馈的时发性灾害,二是厚硬砂岩破断诱发冲击动力显现的瞬发性灾害。基于厚硬顶板下大倾角软煤开采灾变机制,采用厚硬顶板深孔预裂爆破初次放顶技术,控制厚硬顶板运动;采取煤壁注浆加固、支架防倒防滑以及“铺金属网+工字钢”辅助液压支架管理破碎直接顶等措施,防治煤壁片帮和破碎顶板漏冒,保证“支架-围岩”系统的稳态工作。通过对支架工作阻力和煤壁片帮统计分析发现,11513工作面采取系列防治措施后,煤壁得到有效控制,初次来压时,支架工作阻力较为富裕,安全阀开启较少且支架无明显倾倒滑移现象,实现了厚硬顶板下大倾角软煤的安全高效开采。     

急倾斜煤层工作面应力分布与破坏特征数值模拟

根据新铁煤矿49#下右六片急倾斜煤层走向长壁综采工作面煤岩赋存条件以及回采工作面采空区冒落矸石的充填特征,应用FLAC3D软件模拟在采空区中下部矸石自溜充填后工作面采动煤岩应力分布规律及顶底板破坏特征。研究结果表明:急倾斜煤层开采过后,工作面上下端部垂直应力集中系数最大,应力集中现象非常严重且在采空区后方距工作面煤壁15 m附近上下端部垂直应力达到最大值;在采空区后方随着距工作面煤壁距离的增加,剪切应力先减小,然后增加,最后趋于稳定,在采空区后方距工作面煤壁34～38 m区域剪切应力最小;工作面顶板塑性破坏剧烈,塑性破坏形式多样,工作面底板破坏较小,破坏形式简单,顶板上端部破坏高度小,顶板下端部破坏高度大。     

急倾斜煤层矸石充填采场围岩运移规律数值模拟分析

急倾斜煤层矸石充填开采可以有效的抑制煤层及顶底板动力现象，有利于提高“支架-围岩”系统稳定性。在对急倾斜煤层矸石充填开采围岩移动变形的影响因素分析的基础上，运用UDEC数值模拟软件，对不同煤层倾角、埋深、充填率和充填体强度条件下，围岩的运移规律进行了研究。研究表明：随着煤层倾角的增加，顶板变形量和扰动范围减小，而底板移动变形逐渐增加|埋深越深，围岩的应力集中程度和最大下沉值越高|随着充填率和充填体强度的增加，采场围岩的移动变形量减少，稳定性增强。该研究可以为急倾斜煤层安全高效开采提供借鉴。     

急倾斜矿山综采分段充填工作面底板破坏机理研究

以豫西某煤矿工作面为背景,对急倾斜煤矿综采分段充填工作面底板受力和支承压力分布进行了分析,并借助FLAC3D有限元差分软件对煤层开挖引起分段充填工作面底板的应力分布、位移变化和塑性区扩展情况进行模拟分析,研究了急倾斜矿山综采分段充填工作面底板破坏机理。研究表明:采空区充填体可以对直接顶起到支撑作用,并对底板的滑移变形起到控制作用;随着工作面开挖深度的增加,急倾斜矿山综采分段充填工作面底板中部和中部偏下的位置最容易发生破坏;工作面塑性区域集中在底板中下部,且随着煤层开挖工作面的加深,底板塑性区的深度和范围均逐渐增加,地层受煤层开采的影响区域也逐渐扩大。