浅埋厚煤层大采高工作面顶板岩层断裂演化规律的模拟研究

根据神东矿区上湾矿1 - 2 煤层的赋存条件,运用1∶50的大比例相似模拟试验,研究了 5.5 m 大采高综采工作面顶板垮落特征、顶板断裂位置及顶板垮落带和裂缝带“两带”高度等。研究结果表明：① 直接顶岩层分层垮落形成松散块体,难以充满采空区;② 由于一次采出的煤层厚度大幅度增加,原有直接顶远不能充填满采空区,基本顶的下位岩层分层垮落后,不能形成铰结结构,采高的增大使得直接顶的范围变大;③ 周期来压前,顶板的断裂位置一般超前工作面 7.65 m ;④ 顶板垮落带和裂缝带“两带”的高度呈现台阶式上升。     

浅埋煤层群大采高采场初次来压顶板结构及支架载荷研究

以陕北榆神矿区浅埋近距离煤层群下行开采为背景,通过物理模拟研究了下煤层工作面初次来压的顶板结构特征。近距离煤层下煤层开采时,间隔岩层顶板一般具有单一关键层,顶板初次破断形成"非对称三铰拱结构",结构上的载荷层为上煤层采空区垮落顶板。上煤层垮落顶板结构在下煤层采动后活化,与下煤层三铰拱结构共同形成"非对称三铰拱梁与拱壳载荷结构"。通过建立浅埋煤层群下煤层关键层固支梁力学模型,修正了基本顶极限垮距计算公式,确定了下煤层顶板结构块的参数。建立了煤层群下煤层开采初次来压的支架载荷计算模型,揭示了工作面顶板动压机理。基于动静载荷作用,提出了初次来压的合理支架工作阻力确定方法,为浅埋近距离煤层群开采的顶板初次来压控制提供了理论依据。     

大采高工作面顶板结构分析与支架工作阻力确定

为掌握大采高工作面顶板破坏结构及矿压显现规律,计算分析了不同采高下顶板垮落规律并采用动载荷法确定支架的合理工作阻力。研究结果表明:大采高工作面基本顶悬顶面积增大,矿压显现明显;采高小且直接顶厚时,下位直接顶垮落后可充满采空区,上位直接顶破断并充当承载层,初次来压和周期来压时工作面矿压显现不明显;对比不同采高围岩塑性区分布规律,采高小,下位直接顶垮落充满采空区,上位直接顶不能承载上覆岩层质量弯曲下沉,在拉应力作用下屈服;采高增大至直接顶全部垮落充满采空区对基本顶形成支撑,基本顶形成承载结构,围岩破坏面较少;大采高开采时,基本顶悬顶面积增大造成工作面煤壁前方支承压力增大,直接顶破坏面较多;垮落带和裂隙带高度随采高增大几乎呈线性增长。根据对工作面支架工作阻力进行计算确定ZY15000/33/72D型液压支架符合现场工作面实际生产需求。     

木瓜煤矿中厚煤层采场覆岩破断规律研究

木瓜煤矿10-201工作面主采9号煤层厚度较大,为了解采场覆岩破断规律,借助UDEC数值模拟软件进行研究,结果表明工作面回采20 m时,直接顶岩层全部垮落充填采空区,初次来压步距为35 m,周期来压步距为20 m,裂隙带发育高度为45 m。通过现场监测工作面液压支架工作阻力变化情况及采场“两带”高度观测,得出结论:工作面推进20 m后,直接顶岩层全部垮落充填采空区,初次来压步距为38 m,周期来压步距为20 m,裂隙带发育高度为47 m,与数值模拟结果基本吻合。     

水体下急倾斜煤层开采覆岩破断规律

为了给水体下急倾斜煤层开采防水煤柱的留设提供依据,采用数值计算和相似模拟的方法,考虑顶板水与岩层的耦合作用,对水体下急倾斜煤层开采的覆岩破断和导水裂隙的演化规律进行了研究,结果表明急倾斜煤层顶板的垮落沿工作面方向呈不对称分布,直接顶垮落后向下移动,工作面的上端形成冒落空洞;顶板在采空区上下边界煤柱侧断裂形成的断裂线随着垮落层位的增高而向上山方向移动;在顶板垮落初期,主要是沿煤层法线方向的移动,垮落后期顶板向下抽冒特征明显;导水裂隙的产生在竖直方向上的发育高度大于垂直岩层方向,同时沿煤层产生一定深度的裂隙漏斗。研究结论为水体下急倾斜煤层开采时防水煤岩柱的留设提供借鉴。     

煤层间距对采空区下顶板运动规律影响特征分析

为了尽可能地避免上、下采空区的贯通,采用了数值模拟的方法,针对不同煤层间距下,随着采空区下工作面的不断推进,研究上覆岩层的离层空间、动压显现特征以及"三带"裂隙高度。模拟结果表明,随着煤层间距不断增加,在工作面上方顶板岩层中的拉伸破坏单元逐渐的增多,加剧了采空区下坚硬顶板的垮落和断裂,同样减小了顶板的断裂步距。     

急倾斜煤层开采与开拓巷硐群扰动效应数值模拟分析

针对王家山煤矿急倾斜煤层开采与开拓巷硐群工程越界对地方煤矿安全开采问题,建立了急倾斜煤层开采与开拓巷硐群数值计算模型,分析了覆岩移动变形与应力演化规律。研究结果表明：急倾斜煤层开采,采空区上方煤层先破坏、垮落,顶板沿层理面法向发生弯曲、离层,采空区上部煤体先垮落,呈拱形结构,抑制了上覆煤岩体向采空区的垮落和移动;工作面采高5.2m,顶板发生垮落,底板也会发生滑移,顶板一侧的沉陷大于底板一侧的,在底板一侧出现断崖式现象,但垮落带发育高度小于工作面距井田边界的距离;巷硐群最大位移均发生在泥岩、煤层等软弱岩层以及断层破碎带区域,其扰动效应增加;在软弱岩层时巷道最大影响圈边界增加,影响边界贯通,但最大裂隙带高度为11.5m,裂隙带上脚未发育至井田边界标高。因此,工作面开采与开拓巷硐群对地方煤矿开采没有影响。     

采动岩层与地表移动的“四带”划分研究

基于采场覆岩"垮落—断裂—弯曲下沉—地表沉陷"一体化过程,研究了岩层破坏与移动特征。根据裂隙带内岩层裂隙发育程度的不同而导致的岩层移动差异,将裂隙带划分为块体铰接带似和连续带,提出了采空区上覆岩层的"冒落带、块体铰接带、似连续带和弯曲下沉带"的"四带"划分,采用顶板铰接结构的形成条件、岩体稳定性系数和岩层裂隙分维数给出四带划分方法。     

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。     

大倾角煤层开采覆岩运移规律数值模拟研究

通过对大倾角煤层顶板的破断情况进行力学分析,建立UDEC二维模型,分析不同煤层倾角条件下上覆岩层的运移规律。结果表明:大倾角工作面上部区域顶板比下部更易断裂,且倾角越大现象越明显。受直接顶矸石滑落影响,工作面下部区域基本顶有矸石支撑,采空区上部区域易形成空顶,促进了采空区上端头基本顶的断裂垮落。上覆岩层下沉量随岩层倾角增大而逐渐减小,在煤层倾角大于40°后发生突变,上覆岩层下沉曲线由"V"形变为"U"形,采空区中部区域上覆岩层下沉量迅速减小。