煤体强度及倾角对大采高煤壁稳定性的影响研究

运用弹性力学理论分析了大采高工作面煤壁失稳机理,建立了大采高工作面的失稳判别准则。应用PFC模拟了不同煤体强度条件下煤层倾角对大采高煤壁稳定性的影响,发现工作面俯仰角对煤壁稳定性的影响随着煤体强度的增加而减弱,但对煤壁失稳形式影响较小。     

大倾角大采高采场塑性区分布及主控因素分析

大倾角大采高工作面煤壁临空高度大，自由运移空间广，自稳平衡性差，煤壁在工作面内并非独体，其会与围岩及支架等介体组成承载结构，且采动行为间密切联动，倾角效应极易促使煤壁所处应力环境异化，诱使其响应行为复杂化，增加煤壁及围岩稳定性控制难度，制约工作面安全高效生产。为解决大倾角大采高工作面煤壁稳定性控制难题，综合采用理论分析、数值计算法进行研究。研究得出大倾角煤层大采高工作面塑性区内应力呈指数曲线状递增，煤壁邻域存在非对称拱状残余应力影响区，塑性区广度分区异化，广度由大到小依次为上部、中部、下部，分布形态呈梯级拱状，塑性区内煤体会重复性承压，并会随塑性区扩展增强；采高增大，煤壁邻域残余支承压力降低，煤壁前方煤体承压强度、位移幅度及受扰动范围均会增加；倾角效应下煤壁应力及运移分区式发展，其中，应力由大到小依次为下部、上部、中部，位移由大到小依次为中部、上部、下部，此外，伪斜布置下工作面倾角会诱使煤壁失稳模式转换，伪斜角大时，工作面倾角小，支承压力压缩分力作用增强，主要发生外凸片落式破坏，反之，则为采动应力及煤体自重倾向分力耦合性侧压下滑移失稳。综合分析可知，倾角及采高耦合作用下煤壁采动性状区域...     

大采高工作面煤壁片帮的多因素敏感性分析

以西部矿区大采高工作面煤壁片帮现场监测为基础,将煤壁片帮过程细分为煤壁发生破坏与煤壁破坏体发生失稳2个阶段。通过对煤壁片帮的应力路径效应分析,研究得出了煤壁发生破坏与煤壁破坏体发生失稳的内部与外部影响因素。研究了各主要影响因素与煤壁破坏深度、超前支承压力峰值大小及超前距离之间的关系,并通过引入正交试验方法,进行了各主要影响因素对煤壁片帮不同阶段的单目标多因素敏感性分析。确定了煤壁发生破坏的影响因素敏感性排序依次为煤体的内摩擦角内聚力抗拉强度采高埋深支护强度;煤壁破坏体发生失稳的影响因素敏感性排序依次为煤壁破坏面的内摩擦角内聚力抗拉强度护帮强度埋深支护强度。基于大采高工作面煤壁片帮影响因素的敏感性分析结果,提出了基于内因与外因相结合的大采高工作面煤壁片帮防治措施。     

成庄矿5310大采高工作面仰采、薄煤区阶段矿压规律研究

通过采用现场观测与分析、实验和理论分析相结合的综合方法,分析成庄矿5310大采高工作面薄煤区、仰采段等条件下矿压显现特征,确定工作面周期来压步距和强度,工作面片帮、冒顶规律和影响因素,为顶板管理措施制定提供依据;分析成庄矿5310大采高工作面采场支承压力分布规律、影响范围、峰值位置和强度;提出成庄矿5310大采高工作面过薄煤区、仰采段等条件下回采工艺、顶板管理措施,定性和定量研究工作面基本参数与矿山压力显现特征、支架稳定性、支架受力、煤壁片帮、顶板稳定性等之间的关系。     

深部大采高工作面支承压力分布特征及影响因素分析

以城山煤矿145工作面地质和开采条件为工程背景,通过煤岩力学分析、FLAC~(3D)数值模拟分析了采高、埋深对于大采高工作面支承压力的影响。结果表明:煤壁前方支承压力分布及工作面矿压显现规律受采高影响较大,采高越大,支承压力峰值系数基本不变,但峰值点离煤壁越远、影响剧烈范围越大;煤壁前方超前支承压力的分布规律和开采深度关系不大,主要取决于工作面采高和顶板岩层组成结构。     

深埋薄基岩大采高工作面矿压规律研究

为了解释某矿11050工作面端面漏顶、煤壁片帮严重等剧烈矿压显现现象,采用数值模拟和现场实测,研究了深埋薄基岩厚松散层条件下大采高工作面煤壁前方支承压力分布规律以及顶板来压规律,研究结果表明煤壁前方支承压力随采高增大,峰值点并不一定增大,但支承压力影响范围增大;工作面来压步距变短,工作面中部的支架载荷大于上部和下部,工作面下部支架的动压系数大于上部和中部。     

大倾角煤层长壁大采高工作面煤壁稳定性的采厚效应

煤壁片帮是制约大倾角煤层大采高工作面安全高效开采的主要灾害之一,为分析采厚对煤壁稳定性的影响,综合采用数值计算、理论分析和现场实测的方法,研究了不同采厚条件下大倾角大采高工作面煤壁应力、位移分布特征,建立了煤壁垂向力学模型,确定了煤壁失稳临界条件,揭示了采厚变化对煤壁稳定性作用机理。研究表明:工作面煤壁垂直位移量远大于水平位移量,沿工作面倾向中下部区域煤壁水平位移量小于上部区域,下部区域煤壁垂直应力大于中上部区域。随着采厚增加,工作面前方煤体垂直应力不断向深部转移,应力峰值及其距煤壁距离增大,煤壁垂直应力值和垂直位移量不断减小,前方煤体垂直位移量增幅增大,煤壁水平位移量增加,且发生较大水平位移范围向深部延伸,发生煤壁片帮的机率增加。     

6.5m厚煤层一次采全高工作面煤壁稳定的研究

为了解决6.5m厚煤层一次采全高工作面煤壁稳定性问题,提出了煤壁塑性区的形成与扩展和工作面支架支护强度是影响此类工作面煤壁稳定性的两个主要因素,然后结合平面应变条件下的LadeDuncan强度准则,建立了煤壁塑性区宽度计算公式,并通过数值计算对上述影响因素进行了模拟研究,最后提出了采用加大支架护帮板支护阻力和煤壁注浆加固等方法来控制煤壁片帮失稳,现场试验表明,上述方法有效地解决了王庄矿一次采全高工作面煤壁稳定性的技术难题。     

6.5m厚煤层一次采全高工作面煤壁稳定的研究

为了解决6．5m厚煤层一次采全高工作面煤壁稳定性问题,提出了煤壁塑性区的形成与扩展和工作面支架支护强度是影响此类工作面煤壁稳定性的两个主要因素,然后结合平面应变条件下的Lade‐Duncan强度准则,建立了煤壁塑性区宽度计算公式,并通过数值计算对上述影响因素进行了模拟研究,最后提出了采用加大支架护帮板支护阻力和煤壁注浆加固等方法来控制煤壁片帮失稳,现场试验表明,上述方法有效地解决了王庄矿一次采全高工作面煤壁稳定性的技术难题。     

大采高工作面采高合理性研究及煤壁片帮防治

通过数值模拟分析得出阳煤一矿S8310大采高综采工作面的合理采高为6.5m;通过对产生煤壁片帮的原因分析,针对性地提出防止片帮的控制方法,为提高大采高工作面煤壁的稳定性,减少片帮打好了安全技术基础。     

大采高工作面煤壁片帮机理与控制措施

工作面采高增大后,推进中在剧烈载荷作用下,煤壁的稳定性较差。针对大采高工作面煤壁片帮现象严重的问题,以山西斜沟煤矿大采高工作面地质条件为背景,结合工作面煤壁的受力模式,对煤壁的两种片帮方式进行了分析,从而得到工作面煤壁的片帮特征。根据现场片帮情况的统计,煤壁片帮主要的两个位置分别为煤壁的最高点与煤壁高度为3.5 m位置处,该结果验证了理论分析的准确性。通过数值模拟方法,分析了工作面不同采高、煤壁支护强度、推进速度下的煤壁片帮情况,并有针对性地提出了煤壁控制措施。根据现场工作面推进中的煤壁宏观监测情况,在采取该煤壁控制措施后,煤壁片帮情况有了较大的改善,工作面稳定性有了很大提升,表明该煤壁控制措施具有着较好的应用效果。     

特厚煤层大采高综放开采机采高度的确定与影响

为了确定大采高综放开采合理的机采高度,基于理论分析与数值模拟计算方法,研究了不同机采高度对支架工作阻力、顶煤冒放规律、煤壁稳定性的影响。研究结果表明：大采高综放开采机采高度的确定应充分考虑采放比、煤壁稳定性、矿压显现、顶煤采出率及设备投资等。支架所需支护强度、顶煤采出率、煤壁片帮程度与机采高度成正相关性,但并不是简单的线性关系。由于受顶煤赋存条件及采出率等因素影响,相同采高大采高综放开采煤壁片帮几率要高于大采高综采。大采高综放开采是煤炭开采技术的新突破,是实现特厚煤层安全高效开采的有效途径。     

超大采高工作面液压支架与围岩耦合作用关系

针对金鸡滩煤矿坚硬厚煤层赋存条件,提出了8.2 m超大采高一次采全厚开采方法,分析了超大采高工作面液压支架与围岩的强度、刚度、稳定性耦合关系及控制方法,研制了ZY21000/38/82D型超大采高液压支架及新结构。基于液压支架与围岩耦合作用关系,采用理论分析与数值模拟方法研究了超大采高液压支架合理工作阻力确定的“双因素”控制法;通过建立脆性坚硬厚煤层煤壁片帮的“拉裂-滑移”力学模型,得出了控制煤壁片帮发生滑移失稳的液压支架临界护帮力;分析了销轴铰接间隙对超大采高液压支架稳定性的影响及控制方法。通过创新研制大缸径抗冲击双伸缩立柱、三级协动护帮装置等新结构,保证了超大采高液压支架与围岩系统的稳定性控制。     

大采高综采工作面煤壁稳定性及控制研究

为研究大采高工作面煤壁片帮问题及其控制方法，以甘肃某煤矿大采高综采工作面条件为研究背景，采用数值模拟和力学分析相结合的研究方法，开展大采高煤壁应力、位移分布特征和煤壁片帮控制研究。由数值模拟结果可知煤壁应力集中系数为2.14,煤壁最大位移位于煤壁上部区域，距离底板3.5～4.2 m,确定煤壁片帮高度2.1 m,约0.33倍的采高。通过建立煤壁梯形滑块力学模型，分析煤壁失稳极限平衡时的受力状态，计算得到煤壁护帮强度不小于0.365 MPa。研究成果可为该矿井及相似条件矿井控制煤壁片帮提供理论指导。     

煤矿冲击矿压动静载叠加诱发原理及其防治

煤矿冲击矿压动力灾害日趋严重,且浅部也出现了该现象。理论研究了动载与静载叠加诱发冲击矿压的能量和应力条件,系统地提出了动静载叠加诱发冲击矿压的原理,并分析了煤矿动静载特征,根据应变率对煤矿载荷状态进行了界定,试验研究了煤岩力学特性与应变率的关系以及动静叠加作用下煤的破坏形态。结果表明：随着应变率增大,煤岩强度、弹性模量呈指数关系增大,当静载占比较大时,煤岩呈剪切破坏;当动载占比较大时,煤岩呈现劈裂甚至爆裂破坏。当动静叠加接近煤岩强度时,单轮或多轮动载作用可诱发煤岩冲击破坏;当动静叠加远小于煤岩强度时,多轮动载虽然能使煤岩产生损伤但难以诱发冲击破坏。动静叠加诱发冲击矿压表现为2种类型：① 高静载型,深部开采时,围岩静载较高,矿震产生的微小动载增量可使叠加载荷超过煤岩冲击破坏临界而诱发煤岩冲击破坏;② 强动载型,浅部开采时,围岩静载较小,强矿震的冲击动载较大,叠加载荷超过煤岩冲击破坏临界导致煤岩冲击破坏。基于冲击矿压的动静载叠加诱发原理,讨论了冲击矿压监测及防治思路和方法。     

上湾煤矿8.8 m综采工作面煤壁稳定性分析

随着大采高开采技术、综采设备研发制造水平的不断提高,综采工作面开采高度不断突破,向8 m及以上超大采高发展。大采高开采技术实现了采煤工作面高产高效,提高了煤炭回采率,但是随着开采高度的不断增加,煤壁片帮问题愈发凸显,大采高综采工作面煤壁稳定性已严重制约煤矿安全高效生产。针对上湾煤矿8.8 m工作面开采后的煤壁片帮情况,采用煤壁稳定性分析软件及FLAC^3D软件对影响工作面煤壁稳定性因素进行类比分析、理论分析及数值模拟分析,得出该工作面煤壁较为稳定,但仍需在合理选择支架支护强度的前提下,尽量保证液压支架护帮范围达到5 m,以适应8.8 m超大采高工作面的护壁要求。     

硬煤工作面煤壁破坏与防治机理

高强度、大采高开采条件下,硬煤煤壁破坏的频率及程度逐渐严重,为提高该类工作面煤壁稳定性,实现安全、高效开采,采用室内试验、理论分析及现场实测综合手段对硬煤煤壁破坏形式、发生机理及影响因素进行分析。软煤、硬煤在单轴压缩条件下分别表现为静态、动力破坏,泊松比不同是煤体出现不同破坏形态的内在原因,三轴抗压试验表明围压可有效改变硬煤破坏的静-动转化;将煤壁、顶板及支架组成的平衡系统抽象出2种边界条件,根据煤体弹模、泊松比及边界条件的不同提出压剪、拉剪及拉裂3种煤壁破坏形式,硬煤多发生后2种破坏形式;推导出拉剪、拉裂型破坏的发生判据,得到拉剪型破坏起裂角、拉裂型破坏深度的确定方法及影响因素;拉剪型破坏对各影响因素的敏感度依次为黏聚力、顶板压力、支架阻力、抗拉强度,采高、护帮板压力及护帮高度对煤壁稳定性的影响不明显,拉裂型破坏对各影响因素的敏感度依次为抗拉强度、采高、顶板压力、支架阻力和控顶距等。     

大倾角大采高综采工作面煤壁非对称受载失稳特征

煤壁片帮是大倾角厚煤层综采亟待解决的关键问题之一,以2130煤矿25221大倾角大采高综采工作面为研究背景,采用理论分析、数值计算、物理相似材料模拟实验和现场监测相结合的综合研究方法,系统研究了大倾角大采高综采工作面煤壁的受载与失稳特征。结果表明,在大倾角大采高煤层开采中,受采高增大影响,围岩运动的幅度和剧烈程度较一般采高大倾角煤层开采时明显增大,覆岩垮落充填的非均匀特征进一步增强,煤壁支承压力的非对称特性亦明显增大;采动过程中煤壁的力学性质逐步劣化,伴随着裂隙的扩展、演化和贯通,煤壁开裂并形成滑移体,当滑移体周围约束解除或支承压力增大时,滑移体沿滑移面滑移,形成煤壁片帮;在工作面倾向,中部区域是煤壁片帮的高发区域,上部次之,下部最少,与煤壁的非对称受载特征相吻合;在垂直煤层方向,煤壁变形亦非对称,煤壁位移量中上部大于下部,靠近顶板区域易发生煤壁片帮;在煤壁重力倾向分量影响下,煤壁片帮易向倾向上部煤体蔓延。基于上述分析,并结合2130煤矿25221工作面的生产实际,提出了大倾角大采高综采工作面煤壁片帮防治措施。     

煤体强度对煤壁稳定性的影响研究

在特殊地质条件下，对大采高工作面维护煤壁稳定使用改变采高、提高支架阻力等手段效果不明显，因此，从提高煤体强度的角度对煤壁稳定性展开研究。基于莫尔-库伦准则对大采高工作面煤壁稳定性进行理论分析，揭示了煤体强度与煤壁受力的关系|利用数值模拟软件对煤体强度有差异的煤壁稳定性进行规律总结，最后利用相似模拟实验模拟验证数值模拟结果。结果表明：煤壁的拉裂和剪切破坏都与煤体自身物理力学性质有关，煤壁发生破坏时的极限垂直应力与内摩擦力及内聚力均成正比关系，其中内聚力对煤壁稳定性的影响效果最为明显，内摩擦角对其影响相对较小，煤体强度的增大对煤壁稳定性有显著的影响|在相似模拟实验中，内聚力增大1.0MPa时，煤壁发生破坏的临界压力增加1.64MPa，破坏高度减小1.7m，破坏深度减少0.7m。     

回采速度对坚硬顶板运动释放能量的影响机制

坚硬顶板破断释放的弹性能是冲击矿压的主要能量源之一,针对回采速度对坚硬顶板破断释放能量的影响机制,运用理论分析结合现场监测手段,对垮落带内的顶板悬臂梁结构,建立了基于弹性地基假设的三角增压载荷悬臂梁模型,推导得到回采速度控制下顶板梁的下沉量、弯矩及弯曲弹性能密度的解析解。对距煤层较近的低位未触矸破断式砌体梁结构,建立回采速度影响下的回转角与破断步距及破断释放能量的解析式,并进行讨论得到结论:加快回采速度使顶板悬臂梁的悬臂长度L和峰值应力集中系数a增加,使峰值距煤壁位置x0减小,3者均能造成顶板弯曲变形能增大,释放弹性能增加,且悬臂长度L和应力集中系数a影响效果更为明显;高速回采造成采空区充填程度低,促使关键块B的回转角增大,造成关键块A的破断步距增大,破断释放的能量也大幅增加,甚至促使原本为低位未触矸破断的砌体梁结构变为高位悬臂梁结构,其破断释放的弹性能更大,大能量矿震产生的动载易叠加高静载煤体诱发冲击,同时使超前段顶煤支护失效,造成冒顶事故;通过对关键层及围岩结构的判别,证实了两种坚硬顶板的破断模式,且微震监测表明坚硬顶板破断释放大能量矿震与回采速度有明显的正相关性,并得到坚硬顶板条件大采高工作面临界回采速度为4 m/d,科学指导了胡家河矿的开采强度优化。