浅埋煤层长壁开采顶板结构稳定性分析

针对浅埋煤层单一关键层长壁开采时顶板岩体结构的破断特征,建立了顶板岩体关键层塑性状态下的结构模型。利用机动法确定了老顶岩板初次来压时载荷的上限值和塑铰线的位置,得到了顶板岩体关键层的最小破断跨距。根据浅埋煤层初次来压期间顶板控制的关键区域在采区工作面中部的特点,探讨了空间顶板结构动态平衡下的特性,提出了老顶破断后塑性铰接体系非稳定的必充条件,给出了几何非线性结构在不同回转运动状态下的稳定性准则。     

浅埋煤层长壁开采顶板结构稳定性分析

针对浅埋煤层单一关键层长壁开采时顶板岩体结构的破断特征，建立了顶板岩体关键层塑性状态下的结构模型。利用机动法确定了老顶岩板初次来压时载荷的上限值和塑铰线的位置，得到了顶板岩体关键层的最小破断跨距。根据浅埋煤层初次来压期间顶板控制的关键区域在采区工作面中部的特点，探讨了空间顶板结构动态平衡下的特性，提出了老顶破断后塑性铰接体系非稳定的必充条件，给出了几何非线性结构在不同回转运动状态下的稳定性准则。     

浅埋煤层覆岩关键层结构分类

以神东矿区浅埋煤层开采为工程背景,对浅埋煤层覆岩关键层结构的类型及其破断失稳特征进行了研究.结果表明,浅埋煤层覆岩关键层结构类型可分为单一关键层和多层关键层结构;单一关键层结构又分为厚硬单一关键层结构、复合单一关键层结构、上煤层已采单一关键层结构3种类型.单一关键层结构是导致浅埋煤层特殊采动损害现象的地质根源,浅埋煤层单一关键层结构采动破断运动不仅对工作面矿压产生影响,同时会影响顶板涌水溃沙和地表沉陷.关键层破断块体结构承担的载荷层厚度大而不能满足砌体梁结构不发生滑落失稳的条件,从而导致关键层破断块体滑落失稳,这是导致神东矿区浅埋煤层单一关键层结构工作面易出现台阶下沉和压架出水等采动损害问题的力学机理.确定了神东矿区浅埋煤层覆岩关键层结构类型的判别方法.     

浅埋薄基岩高强度开采工作面初次来压基本顶结构稳定性研究

为了更合理地进行浅埋采场围岩控制设计,针对工作面出现的顶板沿煤壁大范围切落压架等异常矿压现象,对其发生机理进行了理论分析,得到载荷层厚度、采高、工作面长度的增加导致基本顶破断岩块的高长比增大;由最小势能原理得到了基本顶岩块发生回转失稳的极限位置,由于破断岩块的高长比增加,岩块回转过程中水平挤压力变化曲线斜率减小,而铰接面高度变化曲线斜率增大,铰接结构达到极限平衡位置所需回转的角度增大,导致基本顶结构不容易出现回转失稳,而极易发生滑落失稳。根据浅埋高强度采场顶板结构所特有的失稳形式,提出了确定支架合理工作阻力的动载荷法,并对乌兰木伦井田31402工作面初次来压进行了分析。     

组合关键理论的应用及其参数确定

论证了判定采场主关键层的充分条件应为顶板来压强度条件。推导出组合关键层弹性模量、承受载荷和极限跨距的计算公式,完善了组合关键层理论。分析了单一主关键层、组合关键层断裂失稳类型判断曲线,指出已往献中所出现的差错,并提出了正确的断裂岩块失稳类型判断曲线,为组合关键层在浅埋煤层顶板控制中的正确应用提供了依据。揭示了地表厚松散层浅埋煤层组合关键层自身不能形成三铰拱式平衡的机理。     

大采高工作面顶板破断与失稳形式研究

利用弹性力学理论,将大采高工作面顶板简化为梁结构,分析基本顶初次破断和周期破断后岩块的失稳形式,研究影响顶板结构稳定性的主要因素,指出了结构产生滑落失稳和回转失稳的条件,阐述了大采高工作面顶板结构的失稳形式。结果表明,基本顶破断后岩块的高长比对结构的稳定性起关键作用,保证了大采高工作面的安全生产。     

浅埋超大采高工作面覆岩“切落体”结构模型及应用

针对浅埋煤层矿压显现强烈,易于发生切顶压架事故的问题,以神东矿区浅埋煤层为例,统计分析了7个矿、30余个综采工作面矿压数据,结果认为,与普通埋深及深部煤层相比,浅埋煤层工作面液压支架载荷大、周期来压步距短、动载系数大。采用钻孔位移计实测分析了上湾矿8.8 m超大采高工作面覆岩破断及地表岩移特征,破断位置位于工作面后上方,各层位测点呈整体同时破断,破断范围快速波及地表,当工作面推进11 m后,距顶板26 m处测点最大下沉量227 mm,当工作面推进296 m后,地表最大下沉量5.89 m。对比分析覆岩破断与液压支架工作阻力的对应关系,认为覆岩破断后没有直接与采空区矸石接触,而是形成某种结构并产生缓慢下沉现象。采用相似模拟方法分析了上湾矿8.8 m超大采高工作面覆岩破断及运动规律,认为正常情况下,呈整体同时破断的块体能够相互铰接并形成结构,当支护质量不足或者遇到地质异常区时,结构易发生整体滑落失稳,导致工作面压架事故。基于以上认识,提出了浅埋超大采高工作面覆岩"切落体"结构模型,分析了切落体结构的稳定条件及失稳类型,认为浅埋煤层覆岩呈整体切落式破断,形成以滑落失稳为主的铰接结构。研究得到了液压支架合理工作阻力计算公式,并以上湾8.8 m工作面为例进行了验算,结果表明,基于"切落体"结构计算的支架工作阻力能够满足工作面顶板支护要求。"切落体"结构为浅埋煤层液压支架合理工作阻力确定提供了理论依据,丰富了浅埋煤层开采岩层控制理论。     

关键层理论在采场底板突水危险性评价中的应用

基于岩层控制中的关键层理论,采用砌体梁理论对底板关键层破断块体的稳定性进行了分析,从而对采场底板突水危险性做出评价。结果表明,底板关键层破断岩块的高长比越小,其形成的砌体梁结构抗滑落失稳的能力越大;关键层破断后互相咬合中间上浮量达△时,就形成了岩块结构的变形失稳。所以根据底板关键层破断岩块的高长比及岩块间咬合中间上浮量,可以判断采场底板突水的危险性。     

地表厚松散层浅埋煤层组合关键层的稳定性分析

把关键层理论应用于地表厚松散层浅埋煤层,并利用推导出的组合关键层岩柱回转接触面尺寸,分析其滑落失稳和回转伯稳的关系即“Ｒ－Ｓ”稳定性,给出了组合关键层岩柱不同断裂度的最大回转角。得出地表厚松散层浅埋煤层顶板管理的主要问题是组合关切２层岩柱的油落失稳,即覆岩全厚度沿煤壁的台阶切落;讨论了地表松散层厚度对组合关键层岩柱稳定性的作用。     

浅埋煤层长壁开采顶板岩层的后屈曲性态

根据浅埋煤层顶板岩层的赋存特点和长壁开采时关键层的变形破断特征，应用初始后屈曲理论探讨了开采过程中顶板关键层的后屈曲性态，得出了老顶初次来压时顶板的临界载荷和破断步距，确定了顶板破断后的极限下沉量和回转角，并以神东矿区大柳塔1203工作面为例给出了工程实例.研究发现，顶板上覆厚松散沙层对关键层的后屈曲性态有影响；顶板从破断至极限下沉其平衡路径不稳定.应用初始后屈曲理论可揭示浅埋煤层长壁开采顶板岩层的分叉点平衡构形及后屈曲平衡路径的稳定性，是确定非完善结构位移场的一种有效方法.     

建筑荷载作用下采空区顶板岩梁稳定性分析

为了给煤矿塌陷区土地的治理利用提供理论依据,对建筑荷载作用下采空区顶板岩梁的稳定性进行了分析研究。采空区顶板岩梁突变失稳过程是比较典型的偏离平衡态的非线性过程,将浅部开采老采空断裂的顶板岩梁概化为三铰拱式力学结构模型。通过力学分析,建立了顶板岩梁力学系统的总势能方程,利用突变理论,构建了采空区顶板岩梁失稳的尖点突变模型,获得了采空区顶板岩梁突变失稳的条件,并通过工程算例进行了分析和验证。研究结果表明,煤矿塌陷区地基的稳定性不仅与采动岩体受地面建筑荷载的影响程度有关,也与老采空区顶板岩层的稳定性有关。采空区顶板岩梁在地表建筑荷载扰动下,若满足稳定的条件,则顶板岩梁回转后仍然处于稳定平衡状态。否则,采空区顶板岩梁将发生突变失稳。     

多采空区下坚硬厚层破断顶板群结构的失稳规律

为弄清多采空区下坚硬顶板群结构的破断失稳对工作面矿压的影响,根据大同矿区多采空区坚硬厚层破断顶板群的赋存条件,采用理论分析、相似模拟实验和现场实测分析相结合的研究方法,对多采空区破断顶板群结构的失稳规律及其对工作面来压的影响进行了研究探讨。研究表明,多采空区下坚硬厚层破断顶板群结构的失稳具有一定的概率特征;采用威布尔多参数分布函数对破断顶板群结构的失稳形式具有很好的描述,并建立了近距离煤层群多采空区顶板群结构的失稳模型,确定了大同矿区坚硬顶板群结构的失稳参数,得到了侏罗系煤层群顶板结构的失稳率;通过对大同矿区永定庄煤矿15号煤层端头及中部位置矿压和支架阻力的实测分析表明,工作面上方破断顶板群结构的失稳率与工作面支架阻力大小具有相关性,验证了工作面坚硬厚层破断顶板的失稳规律。     

充填体荷载作用下采空区顶板稳定性研究

在金属矿山的回采过程中,充填体下采空区顶板结构普遍存在于利用充填体进行回采的矿山。确定合理厚度在矿山开采过程始末具有重要的安全意义和经济价值。本文合理简化顶板力学模型,运用突变理论分析方法,依据尖点突变模型失稳的充要条件,从而得出充填体荷载作用下采空区顶板厚度的计算式。结合矿山实例,对其合理性进行验证。研究表明:将尖点突变模型运用到顶板结构稳定性分析及顶板厚度设计中是合理可行的。     

沙土质型冲沟发育区浅埋煤层长壁开采支护阻力的确定

基于沙土质型冲沟坡体下浅埋煤层长壁开采顶板结构承受非均匀载荷的基本特征,采用理论分析与现场实测的方法,以工作面背沟推进为主要方式,将冲沟坡体及其形态纳入顶板结构控制当中,结合冲沟坡体下开采基本顶初次破断与周期破断时的顶板结构力学模型,按给定失稳载荷状态,分析了工作面来压期间的“支架－围岩”作用关系模型,得到了控制顶板结构滑落失稳的支护阻力。结合具体工作面地质条件,分析了支架工作阻力随工作面推进的变化特征,给出了支架支护阻力算例,针对该工作面支架支护阻力进行的现场实测结果验证了该方法的可靠性。     

基于能量法的露天开采下采空区顶板安全厚度研究

为了确定露天开采下采空区顶板安全厚度,基于力学理论,分析了露天开采下采空区顶板受力特性,建立其固支梁力学结构模型。根据能量守恒原理,推导了由顶板弯曲应变能、水平荷载做功和垂直均布荷载做功组成的采空区顶板结构总能量方程,获得了采空区顶板势能函数解析式。采用突变理论,建立了采空区顶板系统的尖点突变模型,获得了采空区顶板失稳判别式,推导出采空区顶板安全厚度计算模型。对某露天矿采空区顶板厚度进行了应用案例分析,理论计算出的最终采空区顶板临界厚度为11.34 m,与现场安全预警经验值12 m基本一致。表明所建立的采空区顶板安全厚度计算模型合理可行,可为露天开采下采空区顶板安全厚度设计提供一定的理论依据和工程指导。     

微震监测技术在浅埋深采场顶板破坏研究中的应用

为了研究浅埋深长壁工作面顶板运动规律,利用微震监测技术对浅埋深采场上覆岩层活动规律进行现场监测研究。研究结果表明,大地精煤矿3301工作面开采后,顶板岩层全部破断,底板破坏深度约为15～20m;3301工作面顶板中主要承载岩层为10.02m中粒砂岩;由顶板破坏或顶板结构失稳造成的压力到传递至工作面需一定时间,这表明加快工作面推进速度在一定程度上能够降低工作面切顶压架风险。研究成果对类似条件工作面顶板管理具有参考价值,为浅埋深长壁采场顶板运动规律研究提供了一种新的方法。#     

冲沟地貌近距下位煤层综放面进出煤柱期间顶板结构稳定性研究

针对冲沟地貌条件下近距离煤层群下位煤层综放面进出煤柱期间矿压显现剧烈问题,以上榆泉煤矿9#、10#煤层为工程背景,采用数值模拟方法分析了上位9#煤层遗留煤柱集中应力的分布规律,探究了下位10#煤层综放工作面进出煤柱期间采动应力与煤柱集中应力的叠加效应,结合工作面进出煤柱顶板结构模型,明确了顶板结构失稳方式为回转失稳与滑落失稳,回转角度与岩层断裂度为失稳的关键影响因素,针对顶板块体破坏方式提出煤柱下掘进工艺巷和减小采厚两种的进出煤柱期间压架灾害防治措施。可为冲沟地貌近距离煤层开采顶板控制与灾害防治提供借鉴。     

浅埋煤层房柱式采空区下长壁开采矿压显现特征

以鄂尔多斯地区浅埋煤层房柱式采空区下煤层长壁开采为主要研究对象,通过理论分析、现场矿压实测等方法,得出房柱式采空区上部覆岩在一定的采高范围内存在叠合梁结构,并且上位基本顶结构为固定梁,下位基本顶结构为悬臂梁,房柱式采空区煤柱及以下顶板构成直接顶;在上位固定梁的回转力矩作用下,下位悬臂梁周期性折断,其动载荷通过房采区煤柱传递给采场支护结构。上位悬臂梁与下位悬臂梁失稳的不同周期性,会引起工作面周期来压的不等距和来压强度的不等强性,是长壁采场支架失稳的主要原因。     

浅埋煤层开采顶板切落压架灾害的突变分析

针对浅埋煤层开采周期来压过程中顶板沿煤壁台阶下沉导致顶板切落压架灾害的问题,根据直接顶岩体在支承压力作用下破坏失稳的非线性变化特征,建立了由基本顶-直接顶-支架-矸石组成的系统力学模型。利用突变理论研究了荷载作用下系统的失稳机制,获得了系统失稳的充要条件及直接顶岩体的变形突跳量表达式,分析了系统失稳的主要影响因素。结果表明:直接顶的失稳破坏,导致了顶板的切落,系统失稳除与支架和直接顶岩体的刚度比及材料参数有关外,还与所受载荷及基本顶周期来压步距相关。结合工程实例,验证了理论推导的合理性,并给出了工程建议。     

基载比对薄基岩厚表土煤层工作面矿压的影响

为研究薄基岩厚表土煤层工作面矿压显现规律,以李家豪煤矿为背景,对工作面基本顶结构进行了稳定性分析,并运用数值模拟软件UDEC对工作面在不同基载比条件下的矿压显现规律进行分析,结合工作面现场实测数据,分别提出依据岩块块度i和基载比判断工作面基本顶结构的稳定性。分析认为,基本顶初次破断后岩块的三铰拱结构及触矸后的单斜结构在煤壁处发生滑落失稳区域的块度范围为0.40≤i≤1.57;基载比小于0.9时,覆岩在初次来压与周期来压时易发生滑落失稳现象;薄基岩厚表土煤层关键层出现滑动失稳破坏,工作面来压时对于煤壁前方的应力影响区域不大;薄基岩厚表土煤层工作面来压时主要特征为顶板沿煤壁切落,形成台阶下沉,工作面支架动载明显。