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.     

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。     

近浅埋煤层顶板破断力学模型研究

为了研究近浅埋煤层工作面顶板运动规律,采用深部多基点位移探测仪对高家梁煤矿近浅埋20307工作面顶板运动规律进行探测,建立近浅埋煤层顶板破断力学模型,分别将关键层初次和周期断裂简化为四边固支和三边固支一边受均布载荷的矩形板,采用塑性极限分析定理推导关键层的断裂步距,并提出亚关键层断裂步距的修正方法。矿压实测表明,断裂步距平均误差为7.03%,且理论计算与实测大周期来压出现的位置基本一致。本研究可为近浅埋煤层工作面顶板控制设计提供理论依据。     

浅埋煤层超长工作面矿压显现规律研究

探讨了浅埋煤层综采工作面矿压显现的规律,以及工作面长度增加到300 m以上时的矿压显现特征,得出了分段来压现象明显、来压有大小周期之分、采动影响波及范围广、老顶初次破断具有不对称性、顶板运动有沿煤壁切落特征、老顶周期性破断首先发生在工作面中部等规律。     

浅埋煤层群采场周期来压顶板结构及支架载荷

现场勘查发现,神府矿区浅埋煤层群间隔岩层厚度大多在15～45 m时,间隔岩层易存在单一关键层结构。文章通过现场实测得出了浅埋煤层群开采周期来压的基本特征:来压步距减小、强度增大、煤壁片帮严重,动载现象、台阶下沉现象和大、小周期来压现象明显。物理相似模拟实验揭示了间隔岩层关键层与上煤层已扰动关键层同步与非同步破断的大、小周期来压机理,发现了间隔岩层关键层与已扰动关键层共同形成的"梁-拱-壳"结构形态,给出了上煤层已扰动关键层结构形态的判别方法,得出了浅埋煤层群开采顶板周期破断可形成"台阶-台阶"、"砌体-台阶"、"砌体-砌体"的基本结构。综合建立了浅埋煤层群开采间隔岩层周期破断结构与力学模型,给出了支架受动静载荷作用的工作阻力计算方法,并得到了现场验证。     

浅埋煤层长壁开采顶板岩层的不稳定性态

针对浅埋煤层顶板关键层破断后的不平衡特性和运动特征,应用初始后屈曲理论和突变理论探讨了顶板结构的不稳定性态,给出了关键层破断后顶板结构回转失稳的必要充分条件,建立了铰接体系在回转状态下的稳定性准则,确定了有无支护时顶板岩层稳定状态下的开采高度.研究发现,顶板破断后岩块的台阶下沉与回转失稳必居其一;回转失稳由两岩块相向旋转形成;岩块在铰接处出现塑性铰只是顶板结构回转失稳的必要条件,顶板结构呈瞬变体系才是体系失稳的充分条件.结果表明,根据浅埋煤层长壁工作面顶板结构的结构特征、岩体材料和上覆厚松散沙层等赋存状况,可进一步确定顶板破断后岩块的运动状态和结构呈瞬变体系时的几何特征;采高是人为控制顶板结构稳定的要素之一,单纯降低采高并不一定安全,控制最大回转角才能保证老顶破断后岩块的稳定性.     

土层覆盖下浅埋煤层工作面支架选型研究

基于支架工作阻力与顶板最终下沉量的“P-△L”双曲线关系，采用数值模拟计算方法，同时考虑相似模拟试验结果，研究土层覆盖下浅埋煤层工作面的矿压显现规律．结果表明：土层覆盖下浅埋煤层工作面初次来压时只有关键层破断垮落，支架栽荷并不大，随着工作面推进顶板垮落向上发展至地表，从而在工作面与地表形成贯通裂隙时，支架阻力才最大．最终确定了陕北南梁煤矿土层覆盖下浅埋煤层20115工作面的支架工作阻力为6500kN，为南梁矿综合机械化开采的工作面支架选型提供技术依据．     

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.     

浅埋煤层厚硬顶板破断与冒落的数值模拟

基于采场覆岩的弹性模量、泊松比、抗压强度等参数服从Weibul分布的假设，运用岩体破裂过程分析(RFPA^2D)系统，模拟浅埋厚硬顶板冒落与支承压力的动态变化规律，分析了浅埋煤层厚硬顶板的破断机理。研究表明：浅埋煤层厚硬顶板的破断与冒落规律与普通埋深煤层中覆岩的破断与冒落规律有显著差异，其初次破断与冒落形态为拱形，周期破断与冒落呈全厚切落和拱形交替发生。这些研究对西部大量浅埋煤层矿区矿压控制具有重要的参考价值。     

浅埋煤层工作面顶板活动及其控制

本文分析了薄基岩浅埋煤层长壁采面顶板基岩单一关键层的破断参数，分析提出初次来压过程的三个组成阶段，构建“承压砌块”模型，阐述了周期来压机理，论述了工作面支护设计原理及支架工作阻力计算方法。     

采场老顶初次破断机理与破断形态分析

依据典型浅埋煤层工作面的实测和模拟，发现了采场老顶初次破断的非对称现象。运用相似模拟和理论分析相结合的方法，揭示了采场顶板初次破断机理，确定了有关参数。     

浅埋近距离采空区下工作面矿压特征与顶板结构分析

以陕蒙神东煤田浅埋近距离煤层群开采为背景,采用实测统计、物理模拟与理论分析相结合的方法,研究了浅埋近距离煤层采空区下开采的矿压特征及影响因素,揭示了不同间隔岩层结构形态及演化条件。研究表明,随着上煤层采高增大,来压期间支架工作阻力及动载系数均呈正相关增长;下煤层采高与间隔岩层厚度之比越大,周期来压步距及支架最大工作阻力越大。层间仅存在单一关键层时,层间关键层周期破断可形成"砌体梁"和"台阶岩梁"两种结构;则当上煤层垮落顶板关键层重新形成"砌体梁"结构时,层间关键层与上煤层垮落顶板关键层可形成"砌体-砌体"和"台阶-砌体"2种组合结构形态。     

浅埋煤层厚硬顶板破断与冒落的数值模拟

基于采场覆岩的弹性模量、泊松比、抗压强度等参数服从Weibul分布的假设 ,运用岩体破裂过程分析 (RFPA2D)系统 ,模拟浅埋厚硬顶板冒落与支承压力的动态变化规律 ,分析了浅埋煤层厚硬顶板的破断机理。研究表明 :浅埋煤层厚硬顶板的破断与冒落规律与普通埋深煤层中覆岩的破断与冒落规律有显著差异 ,其初次破断与冒落形态为拱形 ,周期破断与冒落呈全厚切落和拱形交替发生。这些研究对西部大量浅埋煤层矿区矿压控制具有重要的参考价值     

浅埋煤层工作面顶板活动及其控制

本文分析了薄基岩浅埋煤层长壁采面顶板基岩单一关键层的破断参数,分析提出初次来压过程的三个组成阶段,构建“承压砌块”模型,阐述了周期来压机理,论述了工作面支护设计原理及支架工作阻力计算方法。     

浅埋煤层长壁开采支架阻力及安全界限

依据浅埋煤层矿压显现特征,给出浅埋煤层长壁开采工作面支架合理工作阻力及安全界限的确定方法。工作面支护强度的提高,相当于增加关键层下方工作面处的变形刚度k值,可使基岩层关键层破断距有所减小,顶板的破断位置偏向采空区,顶板台阶下沉范围和下沉值均减小。     

浅埋近距离多煤层采空区下厚关键层破断特征及支架工作阻力确定

针对浅埋近距离多煤层中间厚关键层破断呈现的大小周期来压现象,以神东补连塔煤矿上煤层采空区下大采高工作面为背景,采用现场实测与理论分析等方法对多煤层工作面厚关键层破断特征及矿压显现规律进行了研究。结果表明:多煤层中间厚关键层在矿山压力和自身弱面结构影响下将以分层方式垮落;根据关键层判别方法、钻孔岩芯和工作面矿压显现综合判断,垮落位置位于该岩层中部,上位厚关键层顶板形成"砌体梁"结构,下位厚关键层顶板形成"悬臂梁"结构;"砌体梁"结构对工作面矿压影响减弱,"悬臂梁"结构成为支架作用力的主要力源;正常回采时影响支架稳定的最危险状态是悬臂梁与砌体梁组合同时破断,对工作面顶板管理带来一定的困难;厚关键层在特殊情况下会产生整层破断形成"台阶岩梁"结构,应提前采取应对措施。     

新景矿浅埋综采工作面顶板来压规律研究

浅埋煤层综采工作面的埋深较浅不利于煤层的开采及围岩的稳定性,为探讨新景矿浅埋综采工作面顶板来压规律,以该矿8118工作面地质和开采条件为背景,通过数值模拟的方法分别对浅埋煤层综采工作面顶板垮落形态、顶板沉降及顶板应力分布进行分析,同时对初次来压和周期来压期间支架工作阻力进行现场监测。研究结果表明：初次来压期间,上下关键层间的岩层产生离层现象,上关键层向下弯曲未断裂;周期来压期间,扰动继续向上传递,上关键层发生大面积的垮塌断裂;周期来压时,支架工作阻力有较大增长,增大约61%。     

土层覆盖下浅埋煤层工作面支架选型研究

基于支架工作阻力与顸板最终下沉量的“P-△L”双曲线关系,采用数值模拟计算方法,同时考虑相似模拟试验结果,研究土层覆盖下浅埋煤层工作面的矿压显现规律．结果表明：土层覆盖下浅埋煤层工作面初次来压时只有关键层破断垮落,支架载荷并不大,随着工作面推进顶板垮落向上发展至地表,从而在工作面与地表形成贯通裂隙时,支架阻力才最大．最终确定了陕北南梁煤矿土层覆盖下浅埋煤层20115工作面的支架工作阻力为6500kN,为南梁矿综合机械化开采的工作面支架选型提供技术依据．     

浅埋煤层开采矿压显现影响因素的敏感性分析

针对浅埋煤层工作面矿压显现影响因素多样的情况,采用理论分析、数值模拟与现场实测相结合,分析了浅埋煤层埋深、承载关键层厚度及其层位等因素对工作面矿压显现的影响。研究表明:承载关键层厚度对浅埋煤层工作面来压步距影响最大,煤层埋深次之,承载关键层距煤层距离的影响较小;承载关键层的层位决定了工作面矿压显现的剧烈程度,承载关键层距煤层的距离L与煤层埋深H比值η0.35时,工作面来压强烈,当η0.35时,工作面来压强度较小。结合工作面地质生产条件,分析了浅埋煤层工作面开采时承载关键层的破断形式及工作面矿压显现特征。