采场“砌体梁”结构的关键块分析

在“砌体梁”全结构力学分析基础上,将影响采场工作面安全生产的“砌体梁”关键块体部分简化为三铰拱式结构。此结构的基本失稳形式有两种,即滑落（Ｓ）失稳和回转（Ｒ）变形失稳。块体的回转角、长高比、岩性及负载岩层的高度是影响结构稳定的主要因素。在详细分析这些影响关键块体结构稳定性因素及范围基础上,初步建立起了采场围岩结构的Ｓ－Ｒ稳定理论。用此理论可就开采时上覆岩层对工作面的影响、压力变化及需控岩层范围等问     

大倾角大采高采场覆岩应力路径时空效应

为揭示大倾角大采高采场覆岩变形破坏的时空演化特征及应力路径效应,以2130煤矿25221工作面为研究背景,采用3DEC数值模拟方法,在对覆岩变形破坏时空演化特征的综合厘定与分析的基础上,提出了大倾角采场上覆岩层在采动应力作用下的扰动分区,量化了采场沿工作面走向、倾向及不同层位覆岩采动应力路径的空间演化规律,揭示了采场空间不同区域覆岩采动应力与断裂失稳过程中的对应关系。研究结果表明：在大倾角大采高开采中,重力-倾角效应作用下矸石呈现非均匀充填特征,导致覆岩垮落形态及顶板承载拱在采场空间均呈现出典型的跨层迁移转化特性,包络面内中上部区域“倒三角临空面+倾斜砌体结构+高位梯阶岩层”形成空洞现象,“高位梯阶岩层”失稳易诱发“倾斜砌体结构”同时断裂,对支架形成较大的冲击动载荷。工作面煤层开采导致采场上覆岩层的三向采动应力大小、方向均发生了显著变化。沿工作面走向,覆岩最大主应力演化先增大再减小,最小主应力则先减小再反向增大,最大和最小主应力沿推进方向的垂直平面内向采空区旋转,上覆岩层的极限平衡状态界面沿工作面倾斜方向呈非对称展布。沿工作面倾向,煤柱侧上方岩层产生应力集中,工作面上方岩层卸荷,覆岩层...     

大采高工作面冒落带动态分布特征及确定方法

根据大采高工作面采空体积大及其矿压活动特点,将工作面覆岩分为直接顶内有结构岩层和无结构岩层两类,考虑采空区冒落矸石自重压缩和结构岩层失稳向采空区施加荷载,建立了两类结构不同开采阶段冒落带动态分布方程,揭示了采空区冒落带动态分布特征。结果表明:大采高工作面覆岩采空区冒落带呈明显的动态变化特征;冒落带高度变化与覆岩结构岩层厚度、容重、工作面开采时间、冒落矸石初始碎胀系数及压缩模量相关;基本顶砌体梁结构破断前冒落带在短时间内急剧增大,并达到极值,该阶段冒落带矸石自重压缩增加了采空高度使冒落带进一步增加;基本顶砌体梁结构回转载荷和直接顶内结构岩层滑落失稳施加的动荷载,对采空区矸石压缩作用受岩层厚度、容重及持续时间决定;整体下沉阶段冒落带高度随开采时间的增加而缓慢下降,一定时间后趋于稳定。     

千米深井超长工作面采动应力旋转特征及应用

千米深井超长工作面采动应力环境更为复杂,围岩破坏程度和控制难度升高,威胁开采安全。为提高该类采场围岩控制效果,采用理论分析、数值模拟和现场实测等综合研究手段,从采动应力旋转角度分析该现象对围岩稳定性的影响及其应用原则。结果表明:千米深井超长工作面围岩裂隙发育程度升高,稳定性受到采动应力大小和方向的双重影响,含裂隙围岩存在优势裂隙扩展角,采动应力旋转造成围岩承载能力降低,采动应力旋转角度愈大,围岩稳定性愈差;采动后,121304工作面采动应力发生旋转,旋转轨迹与采动影响程度、工作面推进方向密切相关,距采空区边界愈近,采动应力旋转速度和旋转角度愈大;煤层和低位岩层最大主应力在平行和垂直于工作面推进方向的竖直平面内旋转,倾角减小,最小主应力则首先向平行和垂直于工作面推进方向的竖直平面内旋转,然后在上述平面内与最大主应力同步旋转,倾角增大;岩层位态升高,采动应力旋转角度先增大后减小,高位岩层采动应力旋转轨迹受121303工作面采空区影响,采动应力旋转轨迹向临近工作面采空区偏转;根据工作面推进方向与采动应力旋转轨迹的关系,提出围岩中存在一组、多组优势裂隙及裂隙随机分布条件下工作面推进方向确定原则,并分析了采动应力旋转现象对覆岩“砌体梁”结构稳定性的影响。     

浅埋近距离多煤层采空区下厚关键层破断特征及支架工作阻力确定

针对浅埋近距离多煤层中间厚关键层破断呈现的大小周期来压现象,以神东补连塔煤矿上煤层采空区下大采高工作面为背景,采用现场实测与理论分析等方法对多煤层工作面厚关键层破断特征及矿压显现规律进行了研究。结果表明:多煤层中间厚关键层在矿山压力和自身弱面结构影响下将以分层方式垮落;根据关键层判别方法、钻孔岩芯和工作面矿压显现综合判断,垮落位置位于该岩层中部,上位厚关键层顶板形成"砌体梁"结构,下位厚关键层顶板形成"悬臂梁"结构;"砌体梁"结构对工作面矿压影响减弱,"悬臂梁"结构成为支架作用力的主要力源;正常回采时影响支架稳定的最危险状态是悬臂梁与砌体梁组合同时破断,对工作面顶板管理带来一定的困难;厚关键层在特殊情况下会产生整层破断形成"台阶岩梁"结构,应提前采取应对措施。     

大采高液压支架结构优化设计及适应性分析

针对大采高工作面动载矿压显现、煤壁易片帮等问题,基于红柳林煤矿7.0 m大采高开采实践,建立了大采高工作面顶板岩层断裂的"悬臂梁+砌体梁"结构模型及支架与围岩的简化动力学模型,确定了7.0 m大采高液压支架合理工作阻力;对比分析了大采高液压支架架型、护帮结构对围岩的适应性,进行了大采高液压支架结构优化设计及适应性分析。研究结果表明:将大采高工作面"砌体梁"结构上方岩层作为动力学模型的边界条件,以支架立柱的抗冲击特性要求为理论判据,通过动力学仿真计算可得大采高支架的合理工作阻力。两柱掩护式大采高支架较四柱支撑掩护式支架具有支护强度大、四连杆稳定机构受力状态好、质量轻等优点;护帮板与伸缩梁分体结构的护帮力、合力作用位置及可靠性均优于护帮板与伸缩梁连体结构;设计采用抗冲击双伸缩立柱、高压升柱系统等,提高了大采高液压支架对围岩的适应性。     

大采高综采工作面矿压显现规律数值模拟研究

大采高工作面矿压显现特点是设备选型的重要依据。以三元煤矿2301大采高综采工作面为工程背景,通过理论分析、数值模拟相结合的方法,研究了2301大采高综采工作面顶板运移规律及矿压显现特点。理论计算和数值模拟表明,大采高综采工作面基本顶破断时可形成明显的砌体梁结构;上覆岩层中6 m厚的砂岩对其他岩层的运动起主导作用,为工作面关键层。研究也得到了工作面超前支承压力影响的范围及峰值点位置。研究结果对于三元煤矿大采高综采工作面的安全高效生产具有较高的理论意义和实践价值。     

浅埋煤层大采高工作面支架工作阻力确定

通过对大采高工作面推进过程中支架压力监测,得出工作面周期来压规律。根据覆岩破断特征,揭示了大采高工作面周期来压是由上覆岩层垮落带中形成"悬臂梁"结构造成的。建立关键层"悬臂梁"、"砌体梁"平衡方程,给出了确定大采高工作面支架工作阻力的计算方法。     

煤矿特大采高工作面开采显著特点研究

以上湾煤矿第二个8.8m特大采高工作面12402为工程背景,从形成“砌体梁”结构的理论条件出发,侧重研究了特大采高工作面较难形成“砌体梁”结构的原因,认为特大采高工作面剧烈影响范围更广及采空区Δ值更大,“两更大”可造成形成“砌体梁”结构所必须的水平推力T不足,从而导致破断后的岩块不易形成“砌体梁”结构,而非仅采空区Δ值大一方面的原因。大断面切眼为特大采高工作面又一显著特点,考虑到已掘完的切眼需“闲置”较长一段时间,分析了切眼周边的应力状态,用于指导生产实际,以减小围岩蠕变对正常开采的影响。利用研究得出的“两更大”,对工作面初采期间的生产组织、机尾段的生产组织提出了部分建议,并认为前期开采所形成的大型采空区群对后续工作面的影响程度、目前留设25m宽的区段煤柱的合理性以及上湾矿原岩地应力场的测量应是下一步的研究重点。     

大采高综采面坚硬顶板破断特征相似模拟研究

为保障神农煤业15102工作面安全高效回采,采用相似模拟的方法,研究了大采高综采面坚硬顶板破断特征。研究表明,工作面推采初期,低位岩层逐渐出现离层,垮落岩块充实采空区,随着工作面推辞,低位岩层层间裂隙逐渐闭合,高位覆岩出现层状垮落,工作面推采结束后,在工作面端头形成传递岩梁结构,研究成果为工作面开采工艺和支架选型提供参考。