急倾斜薄煤层工作面采场应力及顶板垮落变形规律研究

基于赵家坝煤矿1921急倾斜薄煤层工作面煤层赋存条件及工程地质条件,采用理论分析和数值模拟的方法,研究急倾斜薄煤层工作面采场应力及顶板垮落变形规律。结果表明:急倾斜薄煤层采场应力分布具有明显的区域化特征,超前支撑压力整体呈现工作面中部大于上部、下部的受力特征;上覆岩层变形破坏范围位于直接顶上方15 m内,顶板下沉曲线向工作面下方偏移;采场顶板塑性变形区域在整个采动范围内呈现明显的不对称性,塑性发育区域主要位于采空区中上部顶板中。     

急倾斜中厚煤层顶板破断特征及覆岩移动规律研究

为了研究急倾斜中厚煤层综采工作面开采过程中顶板破断特征、覆岩垮落规律及支架受力情况，以石洞沟煤矿31111工作面为工程背景，采用相似模拟实验研究了急倾斜中厚煤层矿山压力与岩层移动规律，获得急倾斜煤层开采顶板、底板、支架的应力分布规律，顶板岩层断裂与移动规律，并揭示了急倾斜煤层开采基本顶断裂的“厂”型结构；同时还进行了采动影响下采区巷道矿山压力与显现研究，获得急倾斜煤层群开采下部煤层采区巷道合理布置的区域。研究成果为该矿31111工作面综采液压支架选型、工作面岩层控制以及下部煤层采区巷道位置选择提供了重要参考依据。     

急倾斜煤层坚硬底板应力分布特征和岩移控制

 为了研究急倾斜煤层充填开采底板岩层移动的控制效果,基于龙湖煤矿南二采区急倾斜煤层的赋存条件,采用离散元UDEC数值计算,分析了急倾斜煤层采空区不充填和充填开采不同方式下底板岩层移动和应力分布特征。结果表明：急倾斜煤层开采底板岩层应力卸载区、应力降低区和支承压力区均呈非对称抛物线拱型分布;急倾斜煤层开采应力卸载角和卸载拱拱高均随煤层采厚的增加呈增大趋势;急倾斜煤层充填开采可以有效降低底板岩层卸载区、支承压力区范围和减小底板岩移,有利于急倾斜煤层采场围岩的稳定。     

急倾斜煤层水平分段开采顶板应力演化规律数值模拟研究

针对急倾斜煤层开采难题，以甘肃某矿1^#煤层为研究对象,采用FLAC3D数值模拟软件模拟3个分段开挖25、50、75、100 m过程的应力分布情况，分析了3个分段走向、倾向方向的应力分布特征，研究顶板应力演化规律，为有顶板灾害危险的急倾斜煤层进行顶板防治提供依据，为能安全高效开采急倾斜煤层提供新思路。研究表明:急倾斜煤层水平分段开采顶板应力呈非对称性分布；沿走向方向一定范围内，顶板应力随距工作面煤壁距离的增大而增大；倾向方向围岩应力随距采空区距离的增大而增大，到一定范围后基本稳定；随着工作面推进，采场围岩破坏卸压，应力被释放，且应力释放区域逐渐扩大；随着煤层开挖，第1分段底板上部与第3分段顶板下部有应力集中现象，煤层顶板下滑垮落。     

特厚急倾斜煤层水平分层开采岩层及地表移动机理

以窑街矿区三矿地质条件为原型,采用相似材料模型试验方法,研究了特厚急倾斜煤层水平分层开采岩层移动机理和地表移动规律。结果表明,特厚急倾斜煤层水平分层开采时,浅部开采阶段岩层以应力拱结构控制岩层移动,深部开采阶段岩层以铰接岩梁结构控制岩层移动;根据覆岩破坏形式,将采动岩层移动分为松散岩块区和层状岩层区。揭示了特厚急倾斜煤层水平分层开采具有显著的重复开采和变方向传播的特征;随着工作面自上向下逐层布置回采,地表移动盆地具有向顶板侧扩展和下沉值不断累计的特点,最终形成一个整体的移动盆地。研究结果可为地表及岩层移动预测模型的建立提供依据,从而指导类似条件下煤炭资源的合理开发。     

不同煤层倾角对围岩及顶底板影响的数值模拟

以安徽某煤矿倾角煤层采煤工作面的开采为工程背景,通过FLAC3D大型模拟软件对不同煤层倾角采煤工作面开采后采场围岩及顶底板矿压分布规律进行研究。研究结果表明:倾角对煤层工作面开挖后采场围岩应力分布、支承压力的分布有显著影响。倾角煤层工作面开采后,采场顶板岩层的变形、破坏和运动形式不同于一般煤层工作面且采场顶板应力分布是不对称的。     

急倾斜厚煤层水平分段综放覆岩破坏模式实验研究

急倾斜厚煤层水平分段综放开采覆岩破断形式不同于近水平煤层开采,以青海江仓矿为工程背景,并借助改进的相似模拟实验台和FLAC3D数值模拟软件,系统的分析了大段高(采放比1∶8)水平分段开采顶煤与采场上覆岩层的运移规律和破坏模式。研究表明:急倾斜厚煤层水平分段综放开采过程中顶板发生"倾倒-滑塌"式破坏,呈现台阶状破坏断面,底板也会产生滑移现象;随着开采分段的逐步向下延伸,覆岩破坏后向下的位移增大,对顶煤及采空区残留的矸石形成明显冲击,成为采场围岩控制的重点。     

“上柱-下垮”复合残采区中部残煤开采可行性评价

针对白家庄煤矿"上柱-下垮"复合残采区中部残煤的安全开采问题,采用实验手段研究了多重采动影响下中部残煤采场岩层的垮落特征、应力分布规律及塑性区分布范围,结合弹塑性力学理论分析了上下煤层开采造成的损伤破坏范围,对中部残煤开采可行性进行了研究。研究表明:(1)上下煤层的采动影响并未破坏中部残煤的宏观连续性,且在中部残煤开采过程中,上覆岩层结构相对稳定;(2)采场岩层的支承压力与塑性区的分布范围基本一致,二者皆可以评价上下煤层开采后层间岩层的损伤破坏范围,其损伤范围包含整个上位层间岩层和下位层间岩层的局部范围;(3)中部残煤主要受上部煤层开采影响,处于上部煤层开采损伤破坏范围之内,因此在中部7号残煤开采过程中,其采场顶板稳定性较差,应采取合理有效的顶板控制措施保证安全生产。     

大倾角煤层开采围岩空间非对称结构特征分析

基于目前大倾角煤层开采研究成果和工程实践,结合理论分析、相似材料模拟实验、多元数值仿真技术结果,建立了大倾角煤层采场力学模型。分析认为,采场围岩具有非对称应力特征,岩层破坏易形成倾向堆砌和反倾向堆砌结构,且岩层沿倾向不同区域存在不同的破坏结构形式;同时,大倾角煤层采场存在三维“似壳”力学结构,其倾向和走向剖面包络形状可以用包含煤层倾角、开采高度、工作面倾斜长度、顶板岩性等参数非线性二次函数来表示。     

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。