采空区顶板大面积垮落的空气冲击灾害研究

基于近年来采场顶板大面积垮落所形成空气冲击灾害的频发性与严重性,在总结以往研究结果的基础上,用矿压理论与流体力学理论的分析方法,论证了长壁采场空气冲击灾害发生的客观条件、灾害模式、研究的重点内容、解决问题的途径以及最新研究进展.主要结论有:采场空气冲击灾害的发生条件与灾害模式是存在差异的;顶板垮落的空气冲击灾害过程存在共性,均需考察冲击时间、灾害程度以及防灾工程设计与防治等;应用非稳态可压缩流体的理论研究该问题.     

封闭采空区顶板垮落－空气冲击耦合模型与差分解法

基于牛顿第二定律和空气动力学原理,分析了矿山开采中突发性顶板垮落所伴随的飓风冲击灾害,建立了封闭采空区条件下顶板垮落-空气冲击的耦合模型,讨论了差分数值解法.借助数值解研究了封闭采空区条件下顶板块体运动速度的变化规律、冲击过程的作用时间,以及采空区所带巷道内压缩空气风流的速度变化规律.     

东升庙铜矿采空区围岩大面积垮落冲击波致灾原理与防治

为有效预防采空区围岩大面积垮落诱发的空气冲击灾害,以东升庙铜矿2号采空区为例,利用顶板垮落-空气耦合冲击力学模型、空气动力学理论、Matalab差分计算方法,对空气冲击灾害和阻波墙结构进行了研究。研究结果表明:冒落围岩在采空区底部激发的冲击波极限波速约为38m/s,已远远超过人体的伤害界限12m/s;冲击波在巷道内传播的衰减规律呈直线型,但在距离巷口100m范围内冲击波衰减很不明显,各巷道断面最大冲击波波速仅降了2～3m/s;爆破岩石堆阻波墙不能有效阻挡冲击波,仅能配合其他措施使用,而采用2. 7m厚的混凝土阻波墙可以起到防冲效果。研究成果符合工程实际应用,可以为同类矿山研究采空区空气冲击灾害做参考。     

大倾角伪俯斜采场顶板运移规律实验研究

为研究大倾角伪俯斜采场顶板垮落运移及其与支架相互作用关系。采用大比例三维物理相似模拟实验和数值计算相结合的研究手段,深入分析了伪俯斜采场初采阶段和正常回采阶段顶板应力演化与变形破坏规律,垮落顶板充填特征以及"支架-顶板"相互作用规律。结果表明,大倾角伪俯斜采场顶板应力分布与位移具有非对称性,顶板具有非对称"O-X"破断特征,且具有明显的时序特征,其中"O"破断顺序为:采空区侧边界—采煤工作面侧边界—上部边界—下部边界;"X"破断顺序为:工作面倾斜上方基本顶先发生破坏,随后基本顶沿顺时针方向依次破断。顶板周期性来压与垮落均具有分区特性与时序性,沿走向工作面各个区域顶板的垮落位置与支架相对位置不同,其中,工作面倾斜中部支架直接受到垮落顶板的作用,具体为"砸—压—推",而倾斜上部与下部垮落顶板仅在下滑过程中对支架产生倾向向下的推力,未出现明显的砸、压现象,上部作用最弱,破断顶板使支架发生不同程度的"倒"、"扭"现象;垮落顶板对采空区的充填可分为4个阶段,各个阶段交替转化的过程对工作面中、下部支架的稳定性产生了影响,矸石堆积区最终沿走向形成充填稳定区域与动态运移区域。为大倾角煤层伪俯斜采场岩层控制提供科学依据,也丰富了大倾角煤层采场岩层控制理论。     

大范围顶板岩体垮落冲击动载对 采场底板破坏的影响研究

为研究大范围顶板岩体垮落产生的冲击载荷对采场底板的破坏作用及其对底板突水的影响,本文基于动力基础半空间理论,将底板岩层等效为半空间无限体,建立顶板岩体垮落冲击采场底板的理论分析模型,推导出最大冲击动载应力的计算公式;并利用FLAC3D模拟分析了顶板垮落产生的冲击动载在底板中的传递规律以及底板岩层的动力响应特征。研究结果表明:顶板岩体垮落撞击采场底板,会产生远大于垮落岩体静态自重的冲击动载应力作用在底板上;冲击动载荷以应力波的形式在底板中传播,与采动应力叠加产生动态应力集中现象,会导致采场底板发生二次破坏,造成底板破坏深度显著增大,有效隔水层厚度减小,从而增加底板突水的危险性。     

采空区顶板垮落造成的冲击性灾害预测

大面顶板垮落事故是煤矿生产的重大灾害之一,当采空区顶板垮落时会造成空气气流极速冲出采空区,形成冲击气浪.建立采空区顶板大面积垮落时冲击气浪最大速度预测模式,为采取防范措施提供依据.     

采场顶板垮落特征监测分析及其结构弱化卸压实践研究

通过对综采工作面采场液压支架工作阻力的监测和数据采集，以大数据云图间接再现了采场顶板的垮落，分析解释了顶板垮落与采场实际矿压显现特征的关系。结果表明，上下端头三角岩体悬顶面积增大将导致超前煤壁煤岩体应力集中，基本顶呈现“O-X”型断裂规律，所开采煤层均表现出了明显的周期来压，但周期来压步距不大。进一步地，从减少回采两巷悬顶、控制相邻巷道变形和破坏坚硬岩层顶板避免弹性能积聚2个方面，探讨了顶板浅眼小孔爆破预裂、深孔爆破预裂、深孔常规水力预裂、长距离水平定向孔水力预裂措施的应用条件及其现实意义。现场应用结果表明，对于单一采场中边界顶板所采取的预裂等护巷措施，不能实现控制巷道最基本使用功能和有效减少巷道变形的目的，并给出了实施水力预裂的必要条件是具有坚硬完整岩层且能保证一定的压裂压力和压力波动。研究结果为从不同角度认识采场顶板垮落规律、合理选择顶板结构弱化卸压方式提供了方法和思路。     

采场坚硬顶板的弹性稳定性分析

借助板的弹性稳定理论，分析了采场坚硬顶板的稳定性，提出大面积顶板来压时采场顶板临界稳定参数模型。对防止顶极大面积垮落的灾害事故发生有一定的实际意义。     

长壁留煤柱支撑法开采顶板结构分析及应用

采用长壁留煤柱支撑法开采时会产生两个问题：一是煤柱尺寸留设过小，在限定的开采区域内会发生工作面切顶事故;二是煤柱尺寸留设过大，又会形成跨几个区域大面积顶板垮落事故.为了解决这两种顶板垮落问题，建立了＂连续梁＂力学模型，计算出不同位置、不同性质的煤柱受力状况，并运用RFPA2D软件对郭家湾煤矿采场围岩破坏进行了数值模拟，对顶板结构进行了分析，并得出两种问题顶板垮落的不同特征.据此，提出了设立关键点和关键区的监测方案，通过监测不同敏感区域的煤柱，来解决这两种顶板灾害问题.     

采空区顶板见方垮落的覆岩空间结构特征及形成条件

见方垮落是工作面采空区顶板的一种特殊形式垮落,基于覆岩空间结构理论及薄板结构模型,对其覆岩空间结构特征及形成条件进行研究。顶板见方垮落实质为某关键层初次整体垮落,形式呈正"O-X"破断,其形成条件极为苛刻,需顶板结构及强度、区段煤柱特性、采空区边界条件、工作面宽度、工作面推进距离等因素满足对应关系。判别工作面见方垮落时,需从采区内首采工作面开始,依次计算各工作面回采后关键层的破断情况。工作面宽度越大,关键层见方垮落所需的关键层厚硬程度更高,这是多数工作面所不能满足的,而将冲击地压工作面见方区域均划定为冲击危险区往往偏于保守。     

巨厚坚硬顶板变形及垮落的动态演化特征研究

义马煤田赋存一层巨厚坚硬岩层,是矿区诸多动力灾害的主要诱因。本文以义马煤田千秋矿21221工作面为工程背景,开展了顶板岩层冲击倾向性的实验测定,采用相似模拟和数值分析方法研究了工作面回采过程中巨厚坚硬顶板运动特征,分析了巨厚坚硬顶板垮落垂直位移动态演化规律,建立了采动应力分布与顶板运移的关系。研究结果表明:巨厚坚硬顶板破断过程可分为初始平静期、稳定运动期和整体垮落期三个阶段; 顶板垂直位移量在初始平静期变化小,稳定运动期基本集中在采空区,向上呈现梯形递减趋势,整体垮落期则急剧向上发展。巨厚坚硬顶板运动呈现离层、瞬间下沉、离层闭合、间歇性稳定、瞬间垮落压实的非稳定动态变化现象。在工作面回采过程中,巨厚坚硬岩层变形和运动对采场施加了持续且不稳定的下沉压力,其结构失稳导致采场矿压发生强突变和采动应力突降,是冲击地压发生的重要诱因。     

深井坚硬顶板回采巷道锚网索支护技术研究

针对谢一矿5121(s)B9b工作面坚硬顶板巷道受高地应力及动压影响较大,采场坚硬顶板在垮落时垮落步距大,来压强烈等特点,采用理论分析及现场实测相结合的方法,研究了顶板的垮落特征及其对回采巷道影响,对工作面运输巷采用了树脂加长锚固强力锚杆和锚索的组合支护方式,确定了锚杆索支护参数,并制订了合理的支护方案。现场实测表明,强力锚网索组合支护系统能够满足深部坚硬顶板巷道支护要求,巷道的最大变形率控制在6.1%以内,确保了掘进及回采期间的巷道安全。     

煤矿冲击地压与冒顶复合灾害研究

随着煤矿向深部发展,矿井动力灾害既表现出冲击地压的部分特征,又表现出冒顶的部分特征。2种典型的灾害打破以往冒顶与冲击地压的发生具有一种互为逆向性的认知规律,在深部高应力煤巷,特别是留顶煤巷道中出现了相互诱导、复合发生的新灾害类型。在总结山东、山西和新疆矿区典型巷道冲击致顶板(顶煤)动力灾害特征的基础上,提出了深部巷道冲击地压与冒顶复合灾害的概念、机理与分类,指出复合灾害机理关键点在于揭示巷道整体系统和破碎区子系统的稳定原理及其2者间的相互影响。建立了巷道发生复合灾害的力学模型,根据扰动响应失稳判据,提出并得到了巷道发生复合灾害的临界应力Pcr、临界软化区半径ρ_cr和最大容许采扰应力增量σ_max,厘清了灾害发生的主控因素,分析了煤岩冲击倾向指数K、支护强度ps、巷道半径ρ₀、煤岩强度σ_c等对灾害发生的影响规律,同时阐明了围岩塑性软化、破碎深度随地应力增加的发育规律。研究结果表明,破碎发育巷道的动力失稳主体为弹性区、软化区与破碎区构成的不稳定系统,垮落主体为破碎区;稳定的破碎区提升了巷道冲击启动临界值,使其启动难度增大,但破碎区的发育又易引起顶煤垮落;巷道稳定支护是解决复合灾害的关键,科学合理支护既能有效调控围岩破碎防冒,又能提升冲击启动临界值。通过理论研究,揭示了巷道冲击地压与冒顶复合灾害的发生机理,阐明了巷道软化与破碎区及其稳控支护对深部破碎发育巷道动力灾害防治的重要性。     

采空区冲击灾害防治研究

矿体在开采结束后,其采空区顶板会在高应力状态下积聚大量的弹性能,并在一定的条件下突然释放,形成冲击灾害。建立了采空区顶板大面积垮落时冲击气浪最大气流速度和破坏载荷预测理论模式,大大简化了冲击灾害发生时的理论分析、推导过程,为防灾工程提供了科学、简便的设计依据,对矿山安全生产和灾害预防具有重要意义。     

急倾斜短壁综放采场围岩采动应力演化规律

以新疆龙泉煤矿3-3c急倾斜煤层水平分段短壁综放开采为工程背景,通过物理相似模拟实验和数值计算相结合的研究方法,分析了多分段采场围岩变形破坏规律,量化表征了第一主应力大小、方向演化特征,揭示了采动应力传递演化机理,确定了急倾斜煤层短壁综放开采合理阶段高度。研究结果表明：急倾斜煤层短壁综放采场围岩应力传递路径呈非对称偏转特征,沿采空区上方顶板形成非对称应力包络拱,采空区倾斜中上部岩体应力释放,分段底部靠近顶板侧岩体应力集中。开采一分段至三分段过程中,顶板垮落高度与裂隙发育增幅较小,应力拱高度与采高比值相近,第一主应力集中峰值较小、应力偏转程度较低,多分段采场围岩结构稳定性较好。开采至四分段,顶板发生大面积垮落,垮落矸石冲击底板诱发滑移破坏,发生围岩大范围链式灾害,应力拱高度突增,拱高与采高比值增大。确定合理阶段高度为3个分段高度30 m左右,能有效防止围岩失稳突变诱发链式灾害,从源头消弭采场动力灾害的产生。     

不同厚度岩层破断模式实验研究

顶板破断是采场矿压显现的根本原因,现有很多成果是基于梁或薄板模型而来,而顶板的厚度直接影响了顶板的破断行为。自主研制了采空区顶板破断模拟实验装置,在均布载荷作用下对四边固支不同厚度顶板进行了破坏实验研究。实验结果验证了薄板基本以沿长边的"O-X"型断裂模式为主,而厚板不仅有沿长边的"O-X"型和沿短边的"O-X"型断裂模式,还有"O-?"型的断裂方式。研究结果表明:薄板破断主要受到最大弯曲应力的影响。随着板厚度增加,横向剪切力的作用在加强,此时厚板的破坏主要受到弯曲和剪切耦合作用,导致其破坏行为更为复杂。     

应用UDEC进行顶板“三带”范围划分的数值模拟研究

顶板岩层垮落带与导水断裂带高度的划分,是进行瓦斯抽采及"三下"采煤等煤矿安全分析的重要影响因素。运用UDEC数值模拟软件,模拟赵庄煤矿3304综采工作面采动过程;结合岩层破断的理论分析,依据模拟结果中煤层顶板破坏特征及位移场的变化规律,确定受采动影响造成的顶板岩层垮落带与导水断裂带最大高度位置。结果表明:不同高度顶板岩层的最大下沉值随着顶板与煤层之间距离的增加而逐渐减小,直至基本稳定不变;通过分析煤层上方不同高度顶板岩层最大下沉值的变化规律,获得顶板岩层垮落带与导水断裂带高度分别为21.2 m和76.7 m,而现场分析结果为25.15 m和78.19 m,与数值模拟结果接近。     

复杂地质条件下巷道垮落失稳分析及预防

以潘二煤矿1811(1)首采工作面胶带运输巷顶板垮落控制为背景,采用理论分析和数值分析方法,对复杂地质条件下破碎带、断层及裂隙发育等异常区域大断面巷道顶板垮落失稳机理进行了分析。提出处理及预防巷道顶板垮落的措施,在生产实践中取得良好的效果。     

冲沟地貌间隔式开采顶板破断机制分析

针对南梁煤矿冲沟地貌间隔式开采后采空区顶板破断垮落问题,根据矿井地质条件,采用了弯曲薄板理论,建立四边固支弹性矩形薄板模型,计算分析了薄板应力分布特征,认为最大拉应力在矩形薄板长边(工作面长度方向)中心位置处,最大拉应力值8 MPa。对比实验室测试结果得出确定南梁煤矿20305工作面开采后其采空区顶板发生垮落破断,为该矿井在下组煤开采、支架选型、顶板支护及巷道布置提供理论依据。     

厚煤层一次采全高低位厚硬岩层垮落致冲机理与防治

基于某矿31103工作面煤层及顶板的基本参数,结合该工作面已发生冲击事件,发现低位厚硬岩层垮落是该矿发生冲击地压的主要原因.为此,以防治低位厚硬岩层垮落诱发冲击地压为目的,选取该矿31103回采工作面顶板垮落控制为工程背景,采用现场调研、理论分析等方法,研究了厚煤层一次采全高低位顶板支托层与随动层的运动规律,建立了采空...