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。     

浅埋煤层大采高工作面顶板破断角实测研究

基于弹性力学和岩石力学,给出了浅埋煤层顶板破断角的理论计算公式,并在张家峁煤矿22201工作面辅助运输平巷施工9个钻孔,采用钻孔窥视确定了顶板的破断位置,得出了大采高工作面的顶板破断角,结合物理模拟实验对结果进行了验证。研究表明:理论分析得出浅埋煤层采场顶板破断角范围为56.2°～69.3°;现场实测得出22201大采高工作面顶板10～30 m层位的顶板平均破断角约为68.3°,根据物理模拟实验得出的大采高工作面顶板10～30m层位的顶板平均破断角约为66°,理论计算和现场实测、物理模拟实验结果吻合。此外,对浅埋大采高工作面周期性破断角的物理模拟实验统计分析,当采高M≥6m时,顶板破断角在64°～68°,与理论计算偏差在6%之内,表明理论计算公式具有较高的可靠性和适用性。     

巷道层状岩层顶板破坏机理

利用东北大学自行开发研制的岩石破裂过程分析软件（RFPA^2D），分析了层状顶板巷道围岩的变形破坏特征，以及不同侧压条件下和不同厚跨比条件下层状顶板的破坏规律.结果表明，水平层状顶板开裂在岩梁中部是由下向上发展的，层状顶板的最终破坏形态与裂纹最终将形成向上扩展的3条主裂纹.随侧压的增大，水平层状岩层的破坏范围逐步减小，顶板岩层的位移逐步减小.岩梁的厚跨比对巷道顶板围岩的最终破坏状态有重要影响.     

厚硬顶板覆岩冲击矿震影响的远近场效应研究

针对厚硬顶板覆岩破断释放冲击能量影响采场安全性等问题,基于材料力学及冲击动力学,建立了冲击震源层破断力学模型,研究了覆岩冲击震源层初次破断和周期破断产生的冲击能量大小以及冲击震动波在传播过程中的能量耗散机理,分析了厚硬顶板覆岩冲击震源层位能级对下伏采掘空间冲击矿震影响的远近场效应.研究发现:冲击震源层破裂释放能量与采高...     

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。     

特厚煤层坚硬顶板初次破断特征的力学分析

为了揭示特厚煤层综放工作面坚硬顶板破断与矿压显现的力学机制,基于材料力学与岩石力学等理论,建立了特厚煤层综放开采坚硬顶板初次破断力学分析模型,分析了特厚煤层综放开采坚硬顶板中弯矩的分布情况,推导了坚硬顶板超前破断位置与初次破断距的解析公式,系统研究了煤层厚度、顶板厚度、顶板弹性模量、顶板强度等关键因素对顶板初次破断特征的影响规律。结果表明:特厚煤层综放工作面坚硬顶板的初次破断距与煤层厚度呈负相关的关系,而与顶板厚度、顶板弹性模量、顶板强度呈正相关的关系。在此基础上,开展了山西韩家洼煤矿特厚煤层22203综放工作面矿压规律的现场监测,并将理论分析结果与现场监测数据进行对比分析,两者基本吻合。     

沿空留巷下位顶板破断规律与控制机理研究

沿空留巷下位顶板的破断位置决定着上位顶板的破断位置和巷道围岩的稳定性,其破断位置一般在煤帮附近或巷旁支护体外侧,受控于巷旁支护和巷内支护强度.基于极限分析和力学平衡理论,分别对2个不同破断位置的下位顶板建立力学模型,得到巷旁支护阻力与下位顶板破断位置的关系,并且分析了顶板破断后的扰动效应.结果表明下位顶板在巷旁支护体外侧破断,有利于维护巷旁支护体和煤帮.进而,从提高顶板岩层抗弯能力、增大顶板岩层抗拉强度和改善应力环境3个方面分析了顶板进行合理锚杆支护后,可使下位顶板破断更趋向于采空区侧.     

基于薄板理论的巷道层状顶板破断模型分析

基于弹性薄板理论,对巷道单层厚度较小的层状顶板进行力学分析,建立不同边界条件下层状顶板岩层的薄板力学模型,通过推导四边简支板和两对边固支板边界条件下顶板岩层所受的最大弯矩理论解,依据第一强度理论建立顶板岩层最大拉应力方程,并结合数值模拟分析得到了顶板岩层应力分布特征与破断机理。     

综放工作面开采顶板变形控制及灾害事故防治

采场顶板稳定性控制对综放工作面开采至关重要,为了研究综放开采条件下顶板变形特征与稳定性控制,以崔家沟煤矿2305综放工作面为工程背景,采用理论分析、数值模拟等方法,对综放工作面顶板破断特征进行分析,首先分析了综放工作面顶板灾害事故进行分析,利用UDEC数值模拟软件对不同推进距离顶板破断特征,提出了顶板灾害事故的防治措施,并对其进行了顶板灾害事故处理计划方案制定,为崔家沟煤矿综放工作面顶板稳定性控制防治提供了依据。     

大倾角仰(俯)采采场顶板破断的薄板模型分析

为了研究大倾角仰采、俯采采场顶板破断机理,建立了大倾角仰、俯采顶板薄板力学模型,利用薄板理论并结合力学分析、数值计算对大倾角俯采及仰采工作面破断时的基本顶岩层应力分布特征与破断机理进行了分析计算,得出了薄板极限破断准则和破断步距理论计算式.结果表明:大倾角仰(俯)采采场顶板破断形式不同于近水平煤层顶板的"O-X"型破断;倾角影响并决定着采场顶板倾向方向的破断特征;走向仰(俯)角对顶板岩层初次破断特征和周期破断特征呈现出不同的影响.     

神角煤矿孤岛工作面回采巷道合理位置研究

以神角煤矿2307孤岛工作面为工程背景，采用理论分析、现场测试、数值模拟等研究方法，对孤岛工作面回采巷道的合理位置进行了研究。开展了巷道围岩地质力学评估研究，分析了围岩岩性及顶板岩层组合情况、顶板破坏情况；讨论了2307孤岛工作面的区域应力场特征，主应力峰值位于采空区侧方5 m范围，主应力方向和比值均随工作面开采推进而变化；获得了不同煤柱尺寸下回采巷道围岩塑性区的形态特征与演化规律，综合确定煤柱尺寸为20 m。在上述分析的基础上，提出了柔性支护方案并进行了工业性试验，能够保障顶板稳定。研究成果能够对其他地质条件相似的孤岛工作面回采巷道的围岩稳定控制起到一定的指导和借鉴作用。     

巷道顶板蝶叶塑性区穿透致冒机理与控制方法

针对高偏应力环境下层状顶板巷道冒顶事故频发、支护困难等问题,采用理论分析、数值模拟、现场探测和现场工程试验等综合研究方法,揭示了层状顶板巷道蝶叶塑性区的分布规律,阐明了蝶叶塑性区穿透分布致使巷道冒顶的力学机制,结果表明：蝶叶塑性区具有隔层穿透发育的特征,未发生塑性破坏岩层的存在不能阻断蝶叶塑性区在软弱岩层形成;顶板蝶叶塑性区穿透分布伴有强烈的变形压力,使软弱岩层塑性区下位未发生塑性破坏岩层受到持续巨大的“挤压”载荷,致使其发生断裂破坏,是巷道存在冒顶隐患的内在原因。据此提出了防止此类巷道冒顶的关键在于维护塑性区围岩稳定,需锚杆(索)长度大于塑性区边界,且具备可承受大变形而不破断的能力。基于以上研究,对神东保德矿81306二号回风巷进行了支护补强设计和试验,试验结果表明该支护对策能够有效维持巷道顶板稳定。     

巷道挖底对其帮顶稳定性影响研究

为了开发更加安全可靠的巷道修复技术，针对煤矿巷道挖底可能影响巷道顶板和两帮稳定性的问题，采用相似材料模拟试验和工程实例分析了巷道挖底对其帮顶稳定性的影响。结果表明：巷道顶底板和两帮是一个相互作用的整体，巷道挖底会改变巷道底板应力分布特征，导致承载圈向深部移动，从而诱发巷道两帮和顶板破坏深度增加，不利于巷道的整体稳定性。基于以上研究，提出了巷道挖底的一般原则，即：挖底前可适当加固顶板和两帮，巷道修复应以清理承载圈内部岩体为主，尽量不要触及承载圈，挖底时留设帮角或在帮角处做圆弧过渡有利于巷道的整体稳定性。     

王坡煤矿煤层顶板稳定性主控因素分析

煤炭开采过程中极易发生顶板事故。基于王坡煤矿的地质条件，利用钻孔、井下钻探、物探、生产揭露资料，分别对该矿煤层顶板沉积特征、煤层顶板岩石结构特征进行系统分析研究，通过实验室室内测试，获取了煤层顶板岩石抗压强度、泊松比、坚固性系数、黏聚力等物理力学性质指标，最终确定了影响煤层顶板稳定性相关因素；运用层次分析法确定影响因素的权重值，得出岩石力学性质是影响煤层顶板稳定性的主控因素。研究可为类似煤矿顶板稳定性因素分析提供借鉴。     

巷道复合顶板变形破坏特征与冒顶隐患分级

煤层顶板岩性复合及分层厚度变化大,稳定性差异显著。针对巷道层状复合顶板条件,采用现场探测、数值模拟、理论分析等方法,研究了顶板岩层结构分类、顶板变形破坏特征与平衡结构及冒顶隐患评价。研究表明:巷道复合顶板岩层结构可分为坚硬岩层、软弱岩层、下软上硬、下硬上软、软硬渐进、硬软相间及软硬相间等7个类型。对于较差的顶板岩层结构,在层面和节理影响下,巷道顶板下位分层形成离层、随动稳定状态的铰接岩块结构及亚稳定状态的裂隙弯曲结构,其范围和承载能力与顶板岩层结构类型有关,顶板变形和锚索延伸量呈现不协调性。采用锚索是否破断失效作为分级指标,建立了冒顶隐患的分级方案,划分了典型顶板岩层结构的隐患等级,对3个级别的冒顶隐患进行了安全评估。     

某矿似层状顶板支护技术研究

为了确定某矿似层状顶板的支护方式，首先通过了解该矿顶板围岩的工程地质、围岩的基本特征，分析该矿似层状顶板的冒落机理，得出了似层状顶板的一般破坏模式。再将该矿的矿岩稳定性与工程实际相结合，计算合理的采场结构参数，并利用控制爆破技术，最大限度保护似层状顶板的完整性。最后通过几种不同支护方式的分析比较，结合似层状顶板在工程中的特征，确定了该矿似层状顶板的支护方式为长锚索支护。长锚索支护方式可以改变似层状顶板支护安全性结构，提高该类型顶板支护结构的整体性和承载能力。目前，这种支护方法已经在该矿逐步推广应用，同时针对目前顶板管理的现状，总结了矿山顶板管理存在的问题，制定了合理有效的顶板管理制度，提高了采矿作业的安全性。     

下分层回采巷道位置布置及支护技术研究

下分层回采巷道是围岩变形剧烈且顶板易冒落极难维护的巷道。通过对上分层围岩活动规律的分析,建立了基本顶弧形三角块的力学模型,研究了下分层巷道合理的布置位置,并辅以数值模拟分析。以某矿为例,采用高水速凝材料顶板注浆加固破碎区,顶板和两帮分别采用水力膨胀锚杆和螺纹钢锚杆支护,提高了破碎围岩的完整性和力学参数,增强了围岩承载能力,有效控制了围岩变形,达到了预期的技术经济效果。     

急倾斜层状岩体巷道顶板膨胀型浆体注浆支护效果研究

为分析急倾斜层状岩体巷道顶板注浆后的支护效果,采用ABAQUS软件分别建立其顶板层理面普通型浆体注浆和膨胀型浆体注浆加固以及未注浆的数值分析模型,对比分析了不同注浆条件下巷道顶板的位移、应力与塑性应变的变化特征。开展了急倾斜层状岩体巷道顶板注浆相似模拟试验,在相似模型中设置了与数值模拟对应的位移与应力监测点,对比分析了普通型浆体注浆和膨胀型浆体注浆后的顶板位移及应力变化特征,并结合相似模拟试验现象分析了膨胀型浆体的注浆加固机理。研究表明：普通型浆体注浆和膨胀型浆体注浆条件下的顶板垂直位移较未注浆分别平均减少了19.7%和30.2%,膨胀型浆体注浆较普通型浆体注浆的垂直应力平均降低了18.4%。相似模拟试验中,巷道顶板位移及内部应力变化规律与数值模拟相吻合,膨胀型浆体注浆后的顶板承载能力和抵抗变形能力更强,加载后较普通型注浆下的顶板位移与应力更小。研究结果进一步表明,膨胀型浆体对于急倾斜层状岩体巷道顶板注浆加固具有良好的支护效果。     

淮南煤田13-1煤层顶板地质特征与稳定性研究

根据大量钻孔和矿井生产资料，对淮南煤田13一i煤层顶板地质条件进行了详细的分析和研究，结果表明，煤层顶板的沉积环境及沉积特征对顶板的稳定性起主要控制作用。煤层小构造和顶板岩性组合等因素影响顶板稳定性的局部变化．分流河道砂岩是稳定性最好的顶板岩性。厚层分流间湾泥岩顶板的稳定性次之，泛滥平原泥岩顶板和决口扇、潮坪砂岩顶板为不稳定或中等稳定．     

煤巷复合顶板岩层失稳判别方法与冒顶隐患分级

针对同一巷道不同区域复合顶板垮落问题,建立了巷道复合顶板岩层过梁结构力学模型,获取巷道顶板岩梁破断失稳形态和极限条件,提出了巷道复合顶板岩层失稳判别方法,探讨了巷道复合顶板破坏失稳与岩层定量关系影响因素,建立了巷道复合顶板冒顶隐患级别划分指标体系,给出了隐患分级方法,将巷道冒顶高度作为冒顶隐患的分级指标,开发了巷道复合顶板稳定性判别软件,掌握了石圪台矿2-2煤顶板冒顶隐患级别区划特征,给出了基于巷道冒顶隐患分级的回采巷道顶板支护参数设计方案,实现差异化支护设计的同时,减少支护材料浪费,降低高冒风险巷道的事故发生概率。