工作面开采煤壁超前支承应力演化规律分析与计算

基于极限平衡理论和煤体的极限承载能力,推导出了工作面煤壁超前支承应力影响范围的表达式。以此为出发点,分别对工作面开采阶段覆岩层中关键层破断前后煤壁超前支承应力演化规律进行了分析与计算。通过理论计算分析和实际工程验证结果表明,上覆岩层中关键层破断后,其工作面煤壁超前支承应力的峰值大小和影响范围较关键层破断前小。     

软岩岩层厚度、刚度和水平应力对关键层应力的影响

为了进一步研究采场上覆岩层的移动规律,对影响关键层上载荷分布的因素进行分析.采用FLAC如软件模拟了不同的软岩岩层厚度、刚度和水平应力对关键层上载荷峰值的影响.通过模拟,发现关键层上覆软岩岩层的厚度、层刚度和水平应力对关键层的载荷峰值都有影响,且不同的水平应力在关键层破断前后会产生不同的影响.在初次来压前,水平应力加速了采空区的上方关键层的破断,但延缓了煤壁前方关键层的破断.初次来压后对关键层的破断影响很小.通过此次研究可以对关键层的破断以及采场的周期来压进行预测,对于采场覆岩的控制具有一定的指导意义.     

采场覆岩破断与应力演化的梁拱二元结构及岩层特性影响机制

长壁采煤方法在我国井工煤矿得到了广泛应用,其回采过程伴随着覆岩运移破断与采动应力演化的耦合作用过程.针对这一伴生性科学问题,以典型地层的采场覆岩为例,揭示了采动应力场宏观形态的演化特征及产生机理,阐释了厚硬岩层对于宏观应力场演化的影响机制.研究结果表明,覆岩破断表现为梁拱二元结构,即:上覆岩层破断后块体堆积形态外表似梁,而以裂隙带为代表的覆岩呈应力拱式传力机制,无论是破断前还是破断后,以关键层为代表的厚硬岩层都是采动应力场内重要的承载骨架.究其原因,一是岩层内部主应力迹线呈拱形分布特征;二是同步弯曲的岩层组内各岩层的弯矩、最大弯曲正应力均与岩层自身的厚度、刚度呈正比关系,故此关键层等厚硬岩层的受力明显高于厚度小、刚度低的邻近岩层,致使其破断前后形成拱形、反拱形等主体承载结构,对覆岩运移破断及采场矿压显现有显著影响.     

关键层位置与采高对支承压力影响规律的研究及应用

工作面超前支承压力不仅受采高影响,与覆岩关键层位置也密切相关。通过理论分析和UDEC2D数值模拟的方法研究了采高和关键层与煤层的距离对超前支承压力的影响规律。结果表明:在关键层厚度保持不变的前提下,关键层与煤层的距离一定时,采高越大,工作面超前支承压力峰值越小,峰值位置距离煤壁越远;采高一定时,关键层与煤层的距离越近,工作面支承压力峰值越大。当关键层与煤层距离大于一定值后,关键层对工作面支承压力峰值基本无影响。该结论对于超前段巷道的支护以及瓦斯抽采钻孔的优化布置具有一定的指导意义。     

工作面面宽对煤层群开采瓦斯卸压运移“三带”范围的影响

为了进一步完善煤与瓦斯共采理论,促进煤与瓦斯双能源安全高效开采,基于关建层理论,采用相似模拟、数值模拟和理论分析的方法,研究了工作面面宽对煤层群开采瓦斯卸压运移"三带"范围的影响规律。结果表明:在不同工作面面宽条件下,覆岩关键层的移动、破坏形态将对瓦斯卸压运移"三带"范围起到明显的影响作用。如果随着工作面面宽的加大导致覆岩关键层完全破断,则导气裂隙带高度将突增至该关键层上方一层未发生破断的关键层之下,若关键层未完全破断,则导气裂隙带高度稳定在该关键层之下;卸压解吸带高度止于上覆岩层中尚未破断且下方存在离层裂隙的关键层之下,其最大高度止于主关键层之下。研究结果的可靠性得到了工程实测的验证。     

刀柱残采区上行长壁开采支承压力时空演化 规律研究

针对大同矿区刀柱残采区安全上行开采问题,通过相似模拟试验分析了刀柱残采区形成时和上行长壁开采过程中采场支承压力时空演化规律,提出了上行采动影响下超前采动煤柱的基本概念,基于关键层理论建立了超前采动煤柱的应力模型,解析了超前采动煤柱所受的平均支承压力,并结合晋华宫煤矿进行了分析验证。结果表明:1)超前采动煤柱是指:下伏残采区中受上行工作面超前支承压力影响的遗留刀柱煤柱。2)下部残采区形成过程中,刀柱煤柱的支承压力显著高于边界煤柱处,其整体呈现增长趋势,但增长速率逐渐减小;上行长壁开采过程中,超前采动煤柱的支承压力峰值在主关键层初次破断时达到最大,主关键层初次破断后明显减小。3)受主关键层运动影响,各刀柱煤柱受力依次经历了"微增长—快速增长—急速降低—保持低应力—应力反升"5个阶段。4)晋华宫煤矿9号煤层上行长壁开采,预计主关键层初次破断时超前采动煤柱承受的平均支承压力为40.5～47.2 MPa。     

高位硬厚关键层下开采环境对采动应力分布影响特征研究

上覆高位硬厚关键层下开采,采动应力会异常集中。采用数值模拟的方法,研究了上覆硬厚关键层条件下采动应力演化规律,并分析了开采环境对采动应力的影响。研究表明:随工作面回采距离不断增加,工作面前方支承压力不断增长,但增速逐渐放缓,破断后工作面支承压力迅速降低。工作面边界条件和硬厚关键层厚度对采动应力的影响作用较为明显,表现为随相邻采空区数目的增加,破断前应力峰值逐渐增加,破断后应力逐渐降低;随硬厚关键层厚度的增加,工作面前方支承压力峰值逐渐减小,破断后支承压力峰值降低幅度逐渐增加。研究结果可为高位硬厚岩层下开采时冲击地压的预测与防治工作提供一定的理论基础,对于保证工作面的安全生产具有一定的指导意义。     

工作面过空巷基本顶超前破断压架机理及控制技术研究

基本顶超前破断及压架研究对工作面过空巷、进入回撤通道安全保障有重要意义。通过相似模拟得到了工作面过大断面空巷基本顶超前破断前后覆岩破断特征、围岩应力及支架载荷。研究表明:在基于圣华煤业复采工作面围岩条件的相似模拟实验中,工作面通过12 m宽不支护空巷时,基本顶会发生超前破断。导致基本顶上方亚关键层随基本顶破断、滑落,支架上载荷由4 000 kN激增到12 500 kN再到16 200 kN,支承应力升高并前移。从理论上研究了超前程度、围岩条件、开采技术对破断后基本顶稳定性的影响,结果表明:随超前破断距离增大,阻止关键块所需阻力成倍增加;随自由空间高度的增加、块度的增加,基本顶结构稳定性降低;亚关键层破断会导致所需支架阻力激增,单从提高支架阻力来维持超前破断后基本顶结构稳定性不可行,应当从防止基本顶超前破断来预防切顶压架事故。提出了针对此类工作面的控制技术,现场应用效果明显。     

大采高采场顶板运移破断特征的数值模拟研究

基于大采高采场采动引起的覆岩运移破断问题,主要对大采高工作面开采过程中顶板的运移变形与破断失稳规律进行数值模拟研究,结果表明:亚关键层下部岩层属于冒落带,亚关键层上部到主关键层范围属于裂隙发育带,主关键层上部岩层属于弯曲变形带;当关键层从稳定转变为破断失稳时,其变形量陡增;工作面开采高度和关键层数量对覆岩运移变形以及稳定性的影响效果显著。     

上覆煤层开采后下伏煤层卸压机理分析

以开滦唐山矿Y485工作面受上覆5#煤层采空影响为背景,基于关键层理论,采用数值模拟和现场实测研究了上覆煤层开采后下伏煤层的卸压机理。结果表明:覆岩中往往存在多层关键层,会对工作面支承压力产生影响。卸压开采后上覆关键层发生破断,下伏煤层工作面回采时仅在层间关键层的影响下支承压力的影响范围和峰值显著降低。唐山矿上覆5#煤层工作面回采后,仅在层间关键层的影响下,下伏9#煤层Y485工作面超前支承压力影响范围由73 m减小至38 m,超前支承压力峰值与工作面煤壁的距离由29 m减小至20.5 m。当两煤层间存在厚硬关键层时,开采上覆煤层对下伏煤层进行卸压时,下煤层工作面支承压力峰值的最大值是无关键层时的2.34倍,下煤层回采时仍产生了显著的应力集中。     

浅埋煤层长壁开采超前支承压力变化特征

利用数值模拟、相似模拟及现场实测的综合研究手段,以浅埋煤层开采顶板运动规律为基础,针对浅埋深长壁工作面超前支承压力分布规律及变化特征进行了研究。研究结果表明,浅埋深工作面超前支承压力分布规律与常规埋深煤层的类似。但由于浅埋煤层顶板运动的特殊性,其工作面超前支承压力的变化特征与常规埋深煤层之间有明显区别。浅埋深工作面超前支承压力峰值变化受基本顶破断与断裂带导通地表的周期性发生影响存在大小周期性变化。同一采高条件下,浅埋深工作面超前支承压力峰值在基岩层全部破断前的趋势是增大,但在基岩层全部破断后,峰值变化则基本遵循大小周期的变化规律。同一煤层,不同采高条件下,基岩层未全部破断的浅埋深工作面的超前支承压力峰值要大于基岩层破断后的浅埋深工作面的超前支承压力峰值。     

浅埋深厚积岩复合关键层作用下工作面围岩活动规律

在多关键层的复合效应作用下,工作面回采过程围岩应力和支架顶板受力具有特殊性。以昌汉沟矿为研究对象,对浅埋深厚积岩复合关键层作用下工作面围岩活动规律进行研究。通过关键层理论,确定工作面上方19 m处的细砂岩为亚关键层,工作面上方47.5 m处的粗砂岩为主关键层。采用RFPA数值模拟,对上覆岩层规律进行模拟,结果表明:亚关键层和主关键层控制工作面的上覆岩层运动,上覆岩层的破坏和移动特征总体表现为"两带"。通过对支架载荷监测得到:采场来压呈现出非均匀性周期变化,亚关键层破断引起小周期来压,主关键层破断引起大周期来压。     

大采高采场覆岩破断演化过程及支架阻力的确定

基于煤岩体"强度参数-应力环境-节理弱面"破坏控制条件研究了大采高采场覆岩变形破断特征,并通过室内试验再现采动引起覆岩破断后运动演化过程,最后根据顶板结构形态对支架工作阻力确定方法进行了理论分析。研究表明:覆岩薄弱岩层冒落取决于层间离层裂隙的发育范围,基本顶表现出固支梁变形破坏特征,断裂线位置则取决于剪切错动裂隙的发育范围;软弱岩层中受拉应力区贯通分布,坚硬岩层中呈孤岛式分布,分布形态同离层和剪切错动裂隙的发育范围相关;层间拉伸张开型裂缝则呈小范围正梯形滞后工作面发育,剪切闭合型裂缝呈大范围倒梯形超前工作面发育;大采高采场下位基本顶破断后形成单关键块结构,更高位基本顶可形成静定三铰拱结构,采场顶板控制关键为前者的稳定性;以单关键块结构形成条件为基础给出直接顶范围确定方法,基于能量守恒原理、直接顶性质提出顶板压力确定公式,直接顶力学参数对其影响程度依次为:黏聚力塑性模量内摩擦角。     

特厚煤层综放工作面端部结构及侧向支承压力演化机理

为揭示特厚煤层综放工作面侧向支承压力演化机理,以塔山矿8206工作面为工程背景,通过相似材料试验、数值模拟及理论力学分析,建立采空区端部覆岩运动模型,对采空区稳定前后端部结构特征及侧向支承压力演化规律进行研究。结果表明：采空区稳定前低位关键层以悬臂梁结构存在,高位关键层形成砌体梁结构,侧向支承压力峰值达41.6 MPa,影响范围68 m;采空区稳定后,低位关键层悬臂梁结构破断,实体煤侧断裂贯通形成三角形滑移区,侧向支承压力峰值降低至32.09 MPa,但影响范围增加至99 m;悬臂梁破断后块体的稳定性主要取决于破断块体的高长比、破断角以及摩擦面之间的摩擦因数;三角形滑移区破断稳定后部分载荷转移至采空区是侧向支承压力降低的根本原因,但受稳定前高侧向支承压力的影响,煤体塑性区范围扩大,致使稳定后侧向支承压力影响范围增大。     

综放采场支承压力与覆岩裂隙演化关系研究

为了研究近水平厚煤层采动影响下支承压力分布与裂隙场演化的关系,采用相似模拟实验对五阳煤矿工作面回采过程中煤岩体内支承压力变化及覆岩裂隙演化进行了模拟。研究结果表明,工作面回采后,上覆煤岩体内产生冒落带、裂隙带和弯曲下沉带,冒落带高度22 m,裂隙带高度46 m;工作面回采过程中,支承压力呈动态变化,工作面前方支承压力可分为原岩应力区、应力降低区、应力波动区、应力集中区和应力升高区。采空区支承压力变化受关键层影响,关键层破断之前裂隙较为发育,采空区中部在关键层破断后被压实,裂隙密度减小,但切眼和工作面附近裂隙密度依然很大。     

分布式光纤监测的采场巨厚复合关键层变形试验研究

为了深入探究采场上覆巨厚复合关键层的移动变形规律,以义马矿区的地质条件为背景,利用计算机软件(KSPB)判别覆岩关键层位置;根据高位关键层与工作面推进长度的空间位置关系,结合符拉索夫厚板理论对其进行力学分析与计算;搭建三维立体模型(3.6 m×2.0 m×2.0 m)进行物理模拟试验,采用压力传感器测试采场支承压力,分布式光纤传感技术(BOTDA)监测覆岩动态变形过程,多点位移计测试岩层内部位移,并将3种测试结果进行综合对比分析。结果表明:复合关键层破断距理论计算值与物理模型试验测量值基本一致,传感光纤频移峰值在数值、位置、形状上的变化可反映覆岩关键层弯曲变形、破断、回转的动态演化过程;当工作面1推进至960 m时,40 m厚亚关键层一细砂岩(煤层上方112 m位置)中的传感光纤V_(11)出现了4次频移峰值,分别为438.98,313.85,304.27和288.97 MHz,发生了4次破断,初次破断距为368 m,周期破断距为186 m,处于垮落带;160 m厚亚关键层二下组巨厚砾岩(煤层上方225 m位置)中的传感光纤V_(12)出现了1次频移峰值,为165.94 MHz,仅发生1次破断,初次破断距为736 m,但结构未失稳,处于裂隙带;250 m厚主关键层上组巨厚砾岩(煤层上方386 m位置)中的传感光纤V_(13)最大频移峰值为38.61 MHz,远远小于光纤V_(11)和V_(12)的频移峰值,仅发生微小弯曲变形,处于弯曲下沉带。工作面2覆岩变形规律与工作面1趋势基本一致,但关键层在工作面1的破断距离比工作面2大。随开采范围增大,巨厚复合关键层自下而上逐步发生破断,会出现同步和非同步破断现象,增大了采场围岩失稳的不确定及控制难度,易诱发矿井动力灾害。     

采动巷道侧向高低位厚硬顶板破断模式试验研究

陕蒙地区冲击地压显现大多发生在二次采掘扰动影响下,煤层上方厚硬岩层结构破断诱发工作面采场附近动压显现已成为煤矿生产中重大安全隐患。为阐明采动巷道上覆高低位厚硬岩层破断对区段煤柱受力以及巷道围岩稳定性的影响,建立高低位厚硬岩层破断结构的力学模型,得到破断扰动影响下区段煤柱结构变形特征及应力分布特征,以巴彦高勒煤矿11盘区煤样试样为研究对象,利用自行设计的高位岩层模拟加载装置,借助非接触式全场应变测量系统的数字散斑相关分析方法,对高低位厚硬岩层在区段煤柱上方不同破断位置组合下区段煤柱及低位岩层的应力变形特征进行了试验研究。分析了上覆高低位厚硬岩层侧向不同断裂位置组合下区段煤柱受力特征及应力传递机制,建立了巷道上部厚硬顶板不同断裂位置与结构整体失稳荷载的力学模型。结果表明:高低位厚硬顶板岩层破断将会引起煤柱采空区应力集中,高低位厚硬岩层不同的破断位置组合,对下部岩层的运动变形和区段煤柱应力分布和巷道围岩稳定影响显著。区段煤柱整体结构稳定性与破断点位置密切相关,煤体在回转作用下破坏所需的应力大小与高位岩层顶板破断点对采空区顶煤的力矩负相关。随着破断点远离区段煤柱,区段煤柱受力由压剪逐渐转化为采空区煤顶传递的压弯作用。高低位厚硬岩层顶板破断的相对位置影响低位顶板的破断情况,当低位破断点处于高位破断点以内,低位顶板随高位顶板破断1次,反之则低位岩层顶板将会随着高位岩层破断回转发生2次破断。随着高位顶板的破断,采动巷道及煤柱上覆岩层应力减小,区段煤柱稳定性下降,冲击地压风险增大。试验研究为陕蒙地区深部厚硬顶板条件下采动巷道动力灾害防治和区段煤柱设计优化提供了参考。     

洛河组砂岩含水层下大采高工作面导水断裂带演化规律

针对旬耀矿区厚煤层大采高工作面上覆洛河组砂岩含水层下的安全采煤问题,采用理论分析、相似材料试验和数值模拟研究了某矿1109大采高工作面覆岩破断及裂隙演化规律。研究表明:上覆岩层经历了直接顶破断、基本顶初次破断与周期破断、亚关键层初次破断与周期破断5个阶段,破断发生引起工作面煤壁上方裂隙密度和开度发生跃变,采空区覆岩裂隙经历孕育、产生、张开、闭合、压实5个动态阶段;从开切眼到充分采动过程中,在裂隙带的上部、工作面煤壁上方及开切眼上方裂隙较为发育,裂隙区近似"抛物线"状,采空区中部覆岩裂隙闭合而边界处裂隙不易闭合;工作面充分采动后,导水断裂带发育高度82~85 m,未导通上覆洛河组砂岩。     

不同采高下深埋厚煤层综放采场的数值模拟研究

为了研究不同采高对采场顶煤与顶板运动规律的影响,采用UDEC数值模拟软件,研究了不同机采高度条件下,煤岩体中超前支承压力、剪切应力和塑性区的分布规律。结果表明:随着采高增大,顶煤和机采煤中超前支承压力峰值位置均向煤层深部转移,剪切应力集中分布区域和煤壁上方顶煤中的最大剪切应力也均会增大。     

巨厚岩层下重复采动采场支承压力分布规律数值分析

以鲍店煤矿10采区为背景,利用UDEC数值软件,研究高位硬厚岩层下近距离煤层开采超前支承压力及硬厚岩层底部应力变化规律。结果表明:上煤层开采时,超前支承压力及影响范围在硬厚岩层破断前达到最大值,硬厚岩层破断后,超前支承压力峰值呈周期性变化,变化范围较小,在硬厚岩层底部离层空间两端出现应力集中现象。下煤层开采时,超前支承压力集中程度高于上煤层工作面,在应力峰值外侧未趋于稳定,出现波浪形变化,硬厚岩层底部未形成显著的应力集中现象。