“两硬”条件下综放面支架围岩关系

依据对忻州窑矿８９１６综放面矿压的观测，论述了“两硬”条件下综放面矿压显现特征、支架初撑力与阻力的关系和悬梁式力学模型。结论是“两硬”条件下综放面既保持了坚硬顶板的显现特征，又具有放顶煤垫层的特性，支架合理工作阻力应以悬梁力学模型为基础，用垫层效应系数来修正。     

采场围岩整体力学模型及应用研究

 博士学位论文摘要　运用实验相似材料模拟、数值分析、理论分析等方法, 对采场支架2围岩关系中的老顶砌体梁结构的“S2R ”稳定条件, 直接顶岩层的破断角, 直接顶变形破坏特征, 直接顶内的应力场、位移场分布特征, 采场支架工作阻力2围岩下沉量关系等进行了细致深入的研究, 在此基础上建立了采场围岩整体力学模型, 给出支架临界工作阻力的确定方法。论文视直接顶为可变形体, 发现直接顶岩层破断角的大小与直接顶的强度及高度有关, 软弱直接顶的破断角为83°, 要远远大于坚硬直接顶的破断角(49°)。直接顶越坚硬, 破断角越小。随直接顶高度的增加, 坚硬直接顶破断角有一极限值。当直接顶高度为6 倍采高时, 此破断角的极限值为60°。直接顶顶部破断角的极限位置位于支架尾部垂直正上方, 不可能出现在此位置之后。分析了不同直接顶高度时的变形破坏特征, 得到传统的P 2$ l 双曲线关系并不适用于直接顶的高度成倍增加以后的情况。由此提出直接顶“临界高度”的概念, 即将老顶的给定变形压力为零时的直接顶的最小高度定义为直接顶的临界高度, 并将直接顶按临界高度分为三类: 零刚度、似零刚度、中间型刚度。应用弹性力学中能量原理分析了非零刚度直接顶的支架工作阻力与顶板下沉量的关系曲线为严格单调减少并且下凸的曲线, 具有类似于双曲线的变化性质, 即支架工作阻力与支架变形呈严格的非线性反变关系。由于综放开采条件下P 2$ l 双曲线关系不明显, 故应用顶板最大下沉量判别直接顶(含顶煤) 的稳定性已失去意义。论文首次应用离散元方法的最新成果UDEC 程序分析了综放开采端面顶板稳定性和支架工作阻力的关系。结果表明, 当端面距在一定范围之内时, 综放面端面顶板冒落状况与支架工作阻力及支护角度(即水平支护力) 密切相关; 加大支架工作阻力, 可以控制端面顶板的冒落。经计算得到的综放支架工作阻力P 和端面顶板下沉量$ ld 呈类双曲线关系, 完全不同于它的P 2$ l 关系。根据支架围岩的总体规律, 建立了采场直接顶为似刚度、似零刚度和中间型刚度三种条件下采场支架围岩的整体力学模型。在此基础上, 论述了支架合理工作阻力的确定原则。提出利用综放支架工作阻力2端面顶板下沉量曲线确定综放支架临界阻力的方法。对阳泉4 矿的计算结果表明, 当端面距为0. 5 m 时, 计算所得支架临界阻力和实测结果较为接近; 而当端面距为1 m 或1. 5 m 时, 支架临界阻力值却有较大幅度的提高。因此支架载荷为其额定工作阻力的一半时, 此时对端面空顶距的要求较高; 当支架载荷接近其额定工作阻力时, 则可以加大空顶距, 端面也不致于发生冒顶。因此在综放面实测的工作阻力尽管很小, 但从控制端面顶板的角度出发, 在设计综放支架时仍不能降低其工作阻力。     

巷道放顶煤法的顶煤破碎机理研究

在总结现场试验效果的基础上,应用断裂力学理论分析了急倾斜煤层巷道放顶煤顶煤破断裂纹的扩展和破碎机理.通过建立力学模型,探讨了急倾斜煤层放顶煤开采的影响因素,并得出了较为理想的开采条件是煤层倾角为70°左右、厚度大于临界厚度且裂纹发育.该结论对推广这一采煤方法具有较大的现实意义.     

对铺网支架技术改造的探讨

为满足我矿当前分层综采改放顶煤综采工艺的实际情况,本文结合BC7A400-17/35铺网支架的结构特点、质量状况等,对其进行放顶煤支架技术改造.     

综放工作面围岩结构分析

从系统稳定的观点出发，分析了综放工作面围岩的力学特性、结构特点及其平衡条件，讨论了直接顶与顶煤不同刚度组合对系统稳定的影响以及支架的工作特性，建立了综放采场的围岩力学模型。由此可对综放开采的矿山压力现象作出解释，并为支架的选型设计及矿山压力控制提供了依据。     

利用综采放顶煤液压支架实现长壁工作面采空区充填系统的研制与应用

随着煤炭资源的逐渐减少,煤矿开采企业都在寻求如何最大限度的开采矿山内煤炭资源,从而来提高煤炭资源开采率,以求减少资源浪费情况的出现。在此背景之下,综采放顶煤技术应运而生,迅速的成为了现阶段煤炭资源开采效率最高的采煤技术,并在国内得到了广泛的应用。笔者结合实践工作经验,在本文中对综采放顶煤在我国的发展以及其液压支架的施工技术进行论述,并通过综采放顶煤方法中的液压支架技术实现对矿井内长壁工作面采空区充填系统的研制与应用进行了探讨。     

基于高精度微震监测的特厚煤层综放面支架围岩关系

基于高精度微地震监测技术,结合岩石力学理论、矿山压力理论和现场宏观现象,对特厚煤层综放工作面的岩层运动与支架载荷关系进行了研究。研究结果表明,正常情况下,特厚煤层综放工作面的基本载荷来源于厚度大于10 m的顶煤、厚度约30 m的下位直接顶和部分厚度为20 m左右的上位直接顶;冲击载荷来源于老顶的断裂冲击,老顶在工作面前方断裂并强迫其下位岩层断裂,从而在支架上形成冲击载荷,这也是特厚煤层综放工作面设计支架支撑能力13000 kN/架但被压死的主要原因。指出了特厚煤层综放工作面支架选型的方向是:支架的基本支撑能力能够承担顶煤和部分直接顶的作用力,通过缩小支架控顶距、加大支架可缩量等措施,可减小冲击对支架的影响。     

特厚煤层卸压综放开采顶煤破碎及运移规律实验研究

为了实现20m以上特厚煤层的安全高效开采,提出特厚煤层卸压综放开采技术。采用60∶1的大比例相似模拟实验方法,研究20m以上特厚煤层卸压综放开采顶煤垮落破碎及运移特征、顶煤位移场和矢量场演化特征、支架阻力的影响等。研究结果表明:卸压开采阶段,顶煤顶板垮落空间形态呈近似梯形,支架上方台阶状顶煤悬臂梁结构的破断和失稳具有周期效应,上位顶煤位移中位顶煤位移下位顶煤位移,基本顶初次来压后出现切顶压架事故。综放开采阶段,短悬臂梁结构最终破碎成散体结构,且中位顶煤的总位移大于上位顶煤。由于支架的支撑作用,下位顶煤中产生明显的竖直裂隙,受支架影响的顶煤厚度约为10cm。顶煤位移场、矢量场演化特征和实验结果一致。为我国20 m以上特厚煤层开采技术开发奠定了理论基础,具有重大科学意义与应用价值。     

坚硬顶板控制放顶方式及合理悬顶长度的研究

 基于坚硬顶板长壁工作面初次跨落步距大、周期断裂悬顶长,对采场安全危害严重的特点,系统研究工作面顶板初次断裂的3种控制放顶方式和周期断裂的合理悬顶长度。通过建立两端固支岩梁力学模型,分析并比较采用循环浅孔拉槽、中部拉槽和端部拉槽等3种爆破控制放顶方式缩短坚硬顶板工作面初次断裂步距的拉槽深度与爆破工程量。结果表明,就爆破工程量而言,端部拉槽最小,中部拉槽次之,循环浅孔拉槽最大。通过顶板周期断裂悬臂岩梁力学模型的建立及其分析,基于工作面支架的设计工作阻力,推导顶板周期断裂的合理悬顶长度与工作面支架设计支护阻力,以及上覆岩层荷载和工作面控顶距之间的关系式。研究结果在晋城七岭煤矿15102工作面成功应用,可以为相应条件下坚硬顶板控制放顶提供理论依据与应用指导。     

综放开采顶煤三维变形、破坏的数值分析

针对大同矿务局局忻州窑矿8911面综放开采煤岩变形破坏的全过程，利用岩石力学数值分析方法对放顶煤三维采场的顶煤、顶板活动进行了系统的研究，得到了三维模型的应力、变形及单元破坏数值分析结果。研究表明：大同矿务局煤层强度较高，在支承压力作用下难于破碎，需进行弱化处理后才能有效放出。综采放顶煤过程中，支承压力具有明显的分区特征，顶煤的始动点就是支承压力峰值位置，位于煤壁前方5－7m处，并得到现场实测结果的验证。     

Numerical simulation of the top coal caving process using the discrete element method

How to understand the top coal caving process and increase the top coal recovery ratio is one of the urgent problems to resolve for longwall top coal caving technology. This paper discusses a new theory and technology of top coal caving with vibration. The vibration device is mounted on the shield beam of the top coal caving support. The vibrator destroys the arch structure formed during the top coal caving process, which results in the smooth top coal caving process, and in this way the top coal recovery ratio is increased. The distinct element method (DEM) numerical software particle flow code in 2 dimensions (PFC2D) is used for the numerical simulation. It is proven that the vibration can easily destroy the arch structure which is formed during the top coal caving process. The parameters about when the arch structure would be formed during the top coal caving process have been obtained. The movement of the top coal caving process under the vibration condition makes a more stable layer uniform caving performance. The aim of the top coal caving with vibration technology, to increase the top coal recovery ratio and to lower the waste content rate, has been achieved.     

综放开采端面顶板稳定性的数值模拟研究

由于直接顶（含顶煤）厚度的成倍增加,综放采场顶板下沉量与支架工作阻力并不存在类双曲线关系,因而用顶板最大下沉量判断直接顶稳定性已失去意义,应用ＵＤＥＣ程序分析了工采端面顶板稳定性与支架工作阻力及端面距的关系,得到当端面距在一定范围之内时,端面顶板冒落情况下与支架工作阻力及支护角度这上关,支架工作阻力Ｐ和端面板下沉量△ｌｄ呈类双曲线关系,在此基础上提出支轲工作阻力新的确定方法。     

Stress analysis of longwall top coal caving

Longwall top coal caving (LTCC) is a relatively new method of mining thick coal seams that is currently achieving high productivity and efficiency in application, particularly in China. The technique is similar to traditional longwall mining in that a cutting head slices coal from the lower section of the coal seam onto a conveyor belt installed in front of the hydraulic support near the cutting face. In modern LTCC an additional rear conveyor belt is located behind the support, to which the flow of the caved coal from the upper part of the seam can be controlled by a moveable flipper attached to the canopy of the support. The mining method relies on the fracturing of the top coal by the front abutment pressure to achieve satisfactory caving into the rear conveyor.This paper develops a yield and caveability criterion based on in situ conditions in the top coal in advance of the mining face (yield) and behind the supports (caveability). Yielding and caving effects are combined into one single number called caving number (CN), which is the multiplication result of caving factor (CF) and yield factor (YF). Analytical derivations are based on in situ stress conditions, Mohr–Coulomb and/or Hoek–Brown rock failure criteria and a non-associated elastoplastic strain softening material behaviour. The yield and caveability criteria are in agreement with results from both numerical studies and mine data.The caving number is normalised to mining conditions of a reference Chinese mine (LMX mine) and is used to assess LTCC performance at fourteen other Chinese working longwalls that have had varying success with the LTCC technology. The caving number is found to be in good agreement with observations from working LTCC mines. As a predictive model, results of this analytical/numerical study are useful to assess the potential success of caving in new LTCC operations and in different mining conditions.     

浅埋综放L工作面开采方法及其矿压实测研究

 根据路天煤矿16#煤层的具体条件,提出并成功实践L形巷道布置的开采方法。通过现场实测分析,研究L工作面浅埋综放开采时顶煤和顶板的垮落特征、支架的工作阻力、地表塌陷规律及填埋碾压技术等,分析L工作面顶板破裂扩展及分块垮落顺序,建立浅埋综放开采的拱–台阶岩梁组合力学模型,揭示浅埋综放的覆岩移动规律及破煤机制,并给出维护顶板稳定的支架阻力计算公式。研究结果表明：(1) L工作面开采方法是一种高效、安全、高回收率的采煤方法,采露头煤或者露天转井工开采时可以借鉴;(2) 在合适的煤层条件下,浅埋深放顶煤开采在技术上是可行的;(3) 周期来压步距随覆盖层厚度的增加呈增大的趋势;(4) 工作面中部周期来压显现明显;(5) 地表变形垮落可分为4个阶段,填埋碾压应分2个阶段进行;(6) 为提高端面顶板和煤壁的稳定性,应提高支架初撑力。研究结果对类似条件下的开采方法及矿压规律研究具有积极的指导意义。     

特厚煤层智能化综放开采技术与装备瓶颈综述

由于特厚煤层综放开采过程中工作面容易变形问题,需要加强开采岩层的结构研究,以提高出采率,降低开采中的安全事故发生率,采用智能化开采可以解决这些问题。本文主要概述了特厚煤层的智能化综放开采工艺与技术装备实践,分析了放煤的智能化、巷道智能化快速掘进、工作面直线度智能控制3个方面的技术与装备瓶颈,展望了可能的发展方向。本文提出通过解决采掘失调技术难题和实现新技术融合,有望突破特厚煤层智能化综放开采工艺与技术装备瓶颈,最终全面实现特厚煤层智能化综放开采的目标。希望通过此文为我国特厚煤层的安全、高效开采事业提供一定的技术支撑及参考。     

急倾斜煤层放顶煤顶煤破碎与放煤巷道变形机理分析

在总结现场试验的基础上 ,应用弹塑性力学及矿压理论分析了急倾斜煤层放顶煤法顶煤破碎过程 ,揭示了放煤巷道的矿压显现与顶煤破碎的内在联系 ,提出了顶煤的破碎机理 ,对完善和推广这一开采方法具有较大的理论和现实意义。     

特厚煤层分层放顶煤相似材料模拟试验研究

 借助相似材料模拟试验的研究方法, 讨论了华亭矿区白草峪井田煤5 特厚煤层的放顶煤问题。试验认为: 分3层放顶煤的开采方法是可行的, 分2 层放顶煤的方法是不可行的; 分3 层放顶煤时回收率能够达到要求, 而分2 层时回收率较低。同时也得出放顶煤的最佳分层厚度为12～15 m , 最佳采放比为1∶3 。以上结论为白草峪井田的开采设计提供了重要依据。     

综放沿空巷道围岩系统混沌动力学特征研究

厚煤层综采放顶煤开采的沿空巷道顶、帮均为煤体或煤柱，其稳定性问题十分突出。以南屯煤矿综放沿空巷道为原型，进行围岩稳定性的离散元数值模拟，提取表征系统动力学性态的变量及时间序列，通过功率谱分析、分维数提取和最大Lyapunov指数计算，研究围岩系统的混沌动力学特征。综放沿空巷道围岩变形力学过程是一个混沌力学过程，具有对煤柱宽度及支护条件等初始条件的敏感依赖性。当煤柱宽度小于3m时，功率谱具有连续的噪声背景与宽峰特征，关联维数均为分数，最大Lyapunov指数一般大于0，系统处于混沌运动状态；当煤柱宽度为3～4m时，锚杆支护后功率谱的宽峰特征消失，频谱成分也不丰富，关联维数均为分数，最大Lyapunov指数由正变负，系统由混沌运动向定常运动转变，是系统动力学性态变化的拐点：当煤柱宽度大于5m时，系统处于定常运动状态。采用功率谱分析法和最大Lyapunov指数法，可以评价综放沿空巷道的混沌动力学特征。     

综放开采支承压力与卸压瓦斯运移关系研究

富含瓦斯厚煤层综放开采后，煤岩体中的卸压瓦斯运移规律与其渗透性密切相关，而支承压力变化又对渗透性有很大的影响，即采场卸压瓦斯的运移规律明显受支承压力的影响。分析了采动影响下煤岩卸压瓦斯的流动特性，并根据靖远煤业公司魏家地矿110综放面的矿压观测及瓦斯监测结果，分析得到综放采场前方支承压力及其作用下渗透系数随工作面距离变化的曲线，进而得出综放面支承压力与卸压瓦斯运移的关系，为有效防治综放开采工作面瓦斯事故和合理抽取并利用瓦斯资源提供了理论依据。