走向短壁水力采煤顶板周期垮落规律研究

通过三维相似材料模拟试验，得到走向短壁水力采煤顶板周期垮落规律：顶板初次垮落及周期垮落的形状分别为三角形板结构和平行四边形板结构，垮落线与煤层走向呈一定角度。建立顶板周期垮落的力学模型，并运用工程近似分析法得出周期垮落时顶板允许悬落面积Sc与跨距比值p的函数关系。研究结果的应用，已取得了较好的技术经济效益，对水力采煤矿井的生产实践具有一定的指导意义。     

综放开采顶煤三维变形、破坏的数值分析

针对大同矿务局局忻州窑矿8911面综放开采煤岩变形破坏的全过程，利用岩石力学数值分析方法对放顶煤三维采场的顶煤、顶板活动进行了系统的研究，得到了三维模型的应力、变形及单元破坏数值分析结果。研究表明：大同矿务局煤层强度较高，在支承压力作用下难于破碎，需进行弱化处理后才能有效放出。综采放顶煤过程中，支承压力具有明显的分区特征，顶煤的始动点就是支承压力峰值位置，位于煤壁前方5－7m处，并得到现场实测结果的验证。     

浅埋煤层的矿压特征与浅埋煤层定义

根据3个不同条件的浅埋煤层工作面矿压实测，得出了中国特大浅埋矿区顶板破断规律与普通采场不同，主要特征是顶板切落式破断和台阶下沉，顶板垮落一般形成冒落带和裂隙带。并初步提出了以关键层、基载比和埋深为指标的浅埋煤层定义，为正确建立顶板结构模型和进行顶板控制奠定了基础。     

基于BOTDA技术感测的大倾角煤层顶板活动规律研究

以大倾角煤层开采为研究背景,运用工程规律总结、理论分析、力学建模及物理相似模拟试验等研究方法,将BOTDA(基于布里渊散射的分布式光纤传感)与DIC(三维光学数字散斑)技术相结合,分析大倾角煤层开采顶板破坏规律及应力演化特征。研究表明:大倾角煤层原岩应力分布中部最大、下部次之、上部最小,中上部顶板弯矩及剪力大于下部,矸石堆积密度由下往上逐渐降低,中上部顶板活动剧烈,下部较稳定;光纤可感知岩体内部微弱变形,检测应变从单调递增发展为递减的临界时刻即为顶板垮落,垮落前瞬间应变达到极值,应力释放至最小值时达到稳定;BOTDA与DIC技术均可检测顶板离层发育、闭合过程,BOTDA表现为应变值阶跃突变,DIC表现为离层位置形成应变局部化突变带;中上部基本顶内部应变远大于下部,应变峰值出现在中部偏上位置,全站仪与DIC监测同层位岩体位移亦表现此规律。表明大倾角煤层开采顶板变形具有非对称性,中上部变形程度大于下部。研究成果对于将光纤传感、数字摄影测量等先进技术用于岩土体结构变形破坏监测具有借鉴意义。     

口孜东矿11-2煤顶板层间离层稳定性判别

口孜东矿11-2煤层埋置深,顶板组成较为复杂,为较为量化判别复合顶板离层稳定性,将多点位移计实测的锚固区内外离层区分为层间离层和塑形离层,数值模拟结合工程实际分析复合顶板关键层及其层间离层临界值确定顶板层间离层临界值,比较分离后的层间离层及其临界容许值对该煤层顶板离层稳定性进行判别,钻孔摄像结果表明与工程实际基本吻合。     

煤层塑性区对坚硬顶板力学特性影响分析

矿压分析中常将坚硬顶板下部煤层的支承关系全简化为弹性地基,忽略工作面前方煤层塑性区支承力降低的影响。针对此问题,将煤层分为靠近煤壁的塑性区和其前方的弹性区。鉴于煤层支承力峰值位于煤层塑、弹区交界处及塑、弹区段对顶板反力为连续的实际工况,提出一个煤层塑性区支承力非线性表达式,给出其支承力峰值确定法和2个峰值精度验证法。在已有研究中全为弹性地基(支承)假定的顶板分析基础上,对煤层塑、弹区支承的初次来压前推进某阶段坚硬顶板的力学特性进行分析。给出煤层塑性区段顶板挠度方程形式解,求得五段式顶板挠度方程中全部积分常数。算例表明:随采空区步距的增大,顶板下沉量不断增大,煤层塑性区支承力峰值逐渐增大和煤壁处煤层支承力有所减小,煤壁前方与采空区跨中的顶板弯矩均随之增大,但煤壁前方的弯矩峰值始终大于采空区跨中弯矩。在此阶段如顶板因弯矩过大发生断裂,断裂线将发生在煤壁前方煤层塑性区段。将所得结果与全为弹性地基(支承)假定的顶板特性进行比较。得到如下认识:顶板与煤层是承受上覆荷载的共同体,全为弹性地基(支承)假定的顶板在煤壁处所受煤层反力,是塑性区煤层对顶板支承力的若干倍。强大反力的支承使顶板弯曲程度小(相应弯矩峰值小),弯曲范围小(弯矩峰超前距小);煤层塑性区支承的顶板在煤壁处所受煤层支承力远小于前者,顶板通过加大弯曲变形和弯曲范围去抵抗顶板的上覆荷载,这使得顶板弯矩峰值和弯矩峰超前距有明显增加,顶板挠度比全为弹性地基(支承)假定的顶板挠度有全面、大幅度增加。顶板弯矩峰超前距与顶板超前断裂距相关,基于煤层塑性区支承的顶板弯矩峰超前距均在4 m以上,与大多现场检测到的顶板超前断裂距接近,相应的顶板的内力和挠度特性描述要更为贴近实际。     

三维锚索与巷帮卸压组合支护技术原理及工程实践

煤巷锚杆支护技术在顶板较完整的简单条件下应用很成功,普通锚索的作用主要表现为将下部锚杆支护形成的锚固承载结构整体悬吊于深部围岩中,起强化支护作用,对于顶板中存在稳定岩层的煤巷,它的作用非常明显;但当巷道顶部岩层为厚及特厚松软煤层时,还未见成熟的锚杆锚索支护技术。本文首次将三维锚索应用于煤矿煤层巷道的支护中,并从力学的角度,重点论述了三维锚索的支护原理;再辅助于巷帮卸压技术,三维锚索支护技术能解决松软厚煤层、特厚煤层沿底施工一次采全厚巷道支护的难题。在实践应用中,这项技术产生了巨大的经济效益和社会效益,在类似巷道极具推广价值。     

厚砂土层下顶板关键块上的动态载荷传递规律

通过动态载荷传递相似模拟实验方法，得出了工作面顶板关键层动态载荷分布总体规律，揭示了厚砂土层下浅埋煤层顶板关键块上的动态载荷传递规律，为确定载荷传递因子和建立顶板动态结构理论奠定了基础。     

煤层弹性、硬化和软化区对顶板弯矩特性影响分析

在支承压力分析中通常认为,从煤壁到支承压力峰煤层处于屈服软化状态,支承压力峰前方煤层处于弹性状态,忽略了软化与弹性状态之间还存在硬化状态。针对此问题,将煤层分为煤壁附近的软化区、支承压力峰前的硬化区和再前方的弹性区,提出煤层硬化和软化区支承压力表达式,给出各区段煤层支承压力连续的确定法,在已有研究基础上,推导得基于煤层弹性、硬化和软化区支承的周期来压前坚硬顶板的挠度方程。据所得表达式用Matlab给出弹性、硬化、软化区参数变动时煤层对顶板的支承压力和相应坚硬顶板弯矩分布算例。结果表明:煤层任一区段的参数变动会引起其他区段支承压力变化;在假定煤壁处煤层残强为0的条件下,顶板弯矩峰超前距为6.04 m,越过软化区而处于煤层硬化区段。将所得结果与仅有弹性和软化区支承(假定)的顶板弯矩进行比较,发现前者的顶板挠度、弯矩峰值及弯矩峰超前距,均显著大于后者的对应量值。在对前者的煤层支承压力和顶板弯矩数据作深入分析后,得到一个重要认识:煤层软化区支承压力(反力)形成的反弯矩小,相应顶板的弯矩峰值和弯矩峰超前距就大。究其原因是,顶板与煤层是承受上覆荷载的共同体,煤层软化区支承压力形成的反弯矩小,顶板便要通过加大弯曲范围和弯曲变形程度抵抗其上覆荷载,这使得顶板的弯矩峰超前距和弯矩峰值必须增大。     

云冈矿8621综放面坚硬顶板弱化处理技术

针对同煤集团云冈矿8621综采放顶煤工作面煤层和顶板条件,为了保证在"两硬"条件下综放工作面安全生产,沿12号煤层顶板布置了两条工艺巷,在工艺巷内对坚硬的顶煤和煤层顶板进行爆破预裂弱化,保证了顶煤的顺利下放和高效回收,避免了工作面坚硬顶板大面积悬顶的威胁。     

近距离跨采对巷道围岩稳定性影响分析

针对近距离跨采时，工作面与底板岩巷的不同空间位置关系，采用数值力学分析，详细地分析了工作面开采引起的围岩应力演化过程及特点、近距离跨采引起底板岩巷围岩位移的特点以及巷道位置对其围岩稳定性的影响。研究结果表明，煤柱上支承压力分布是开采影响岩层相互作用的结果，是开采引起集中应力在煤层与直接顶界面上的直接反映。近距离跨采巷道围岩位移受开采引起的整体位移场影响较大，而不单纯决定于煤柱侧支承压力的作用。留设保护煤柱时，底板岩巷应位于集中应力区的外侧或跨采时工作面应推过足够距离，使巷道靠近采空区应力恢复区的下方。最后通过实例给予了分析。     

深部开采中巷道底鼓问题的研究

巷道围岩控制是深部资源开采中的关键问题，而要攻克深井软岩巷道支护的难关，就必须首先研究底鼓的机理及其防治措施。在大量现场研究、实验室模拟实验和数值计算的基础上，探讨了巷道底鼓的基本特征，分析了4种类型底鼓的机理及影响因素，综述了我国近年来防治底鼓的有关研究成果，最后介绍了2个防治巷道底鼓的实例。     

带压开采底板变形破坏规律的三维相似模拟研究

提出了围岩应力场及渗流场耦合作用的相似理论，研制了部分典型材料的固-流耦合相似配比，研制了三维固-流耦合相似模拟试验台，完善配套了加载系统、测试系统、开采系统和渗流场的模拟与测试系统。采用大型三维固-流祸合模拟试验台对太原市东山煤矿一采区带压开采进行了模拟，得出了一系列的规律及结论。重点讨论了煤层底板的应力、位移随工作面开采的变化规律；得出煤层底板的应力、位移一直处于动态变化过程，分析了其变化的频度与幅度及其原因，为带压开采突水防治提供理论依据。     

分层开采底板岩层移动的现场观测研究

煤层开采会诱发底板岩层的变形和破坏 ,由此导致许多煤矿灾害的发生 ,最引人注目的是底板承压水的突出。对于厚煤层分层开采 ,由于第二分层及以下各分层开采时工作面围岩应力场与第一分层时具有明显不同的特征 ,将导致煤层底板岩层移动呈现不同的规律。介绍了分层开采煤层底板岩层移动的观测方法 ,提供了试验观测数据 ,并给出了分层开采煤层底板岩层的移动变形规律。试验成果对防治底板承压水的突出具有较大的意义。     

基于尖点突变模型的煤层底板突水预测研究

当煤层开采后,底板岩层承受的水压超过自身强度时,而发生的不连续的发散突变,即底板岩层失稳破坏形成底板突水的现象,属于突变理论研究的范畴,故煤层底板突水可以引用突变理论来研究。通过建立煤层底板突水的一个尖点(cusp)突变模型,对煤层底板失稳破坏发生突水的机理进行了分析。基于平衡曲面方程,可求得煤层底板水压应力比I_(p)。当I_p>1时,发生突水:当I_p<1时,不会发生突水。实例分析表明:尖点突变模型用于描述煤层底板水压应力比的发展规律是恰当的,用其进行煤层底板突水预测也是较准确的。     

特厚煤层综放采动底板变形破坏规律的综合实测

为了探究兖州煤田兴隆庄煤矿特厚煤层综放开采对底板岩层的变形破坏规律,应用钻孔应变感应法和超声成像技术对该矿某综放工作面进行了综合实测,获得了底板下不同深度应变增量随工作面推进的变化曲线和工作面推进过程中不同深度钻孔超声成像图片资料。通过5个应变传感器监测数据和大量钻孔超声成像图片的关联对比分析,基本确定了该工作面采动底板扰动深度和矿压作用下支撑压力的影响范围。研究结果表明：①该工作面底板采动扰动深度约为19 m,具有较明显分带性,即可分为采动扰动破坏带和采动扰动变形带,带厚分别约为16 m和3 m;②采动扰动破坏带属于整体塑性变形,其强度条件已基本丧失,但采动扰动变形带仍以弹性变形为主,具有良好的承载条件和较强的抗渗强度;③采动矿压超前和滞后显现明显,其对底板影响程度具有由浅及深而减小的特征。该综合实测方法的成功应用不但为综放开采巷道支护、老空水防治等提供重要信息,而且对深部即将开采的下组煤能否安全带压采掘研究也将具有重要参考价值。     

采动底板横观各向同性岩体应力解析解

针对采动煤层底板应力计算中将底板层状岩体视为各向同性介质这一问题,通过把横观各向同性弹性理论引入到采动煤层底板应力解析解中,根据开采煤层上覆载荷分布特点,利用半无限横观各向同性弹性体表面受垂直集中力作用的应力分量计算公式,推导出采动横观各向同性底板中的附加应力解析解,并与FLAC^3D数值解进行对比验证。在此基础上,分析了横观各向同性底板与各向同性底板中的附加应力在水平方向上的变化规律。算例显示,在煤层底板同深度下,横观各向同性底板垂直附加应力在采空区的卸载程度要小于各向同性底板,而水平附加应力则与之相反;在工作面两侧的底板中的垂直附加应力与水平附加应力的集中程度横观各向同性底板皆小于各向同性底板;横观各向同性底板的附加剪应力要小于各向同性底板。当底板为横观各向同性岩体,按各向同性岩体计算其应力分布是不合理的,需作必要的修正。     

开采对底板岩体渗透性的影响

受奥灰水威胁，煤层“带压开采”的关键是必须搞活底板岩体的破坏机理，确定底板岩体的破坏深度。而确定底板岩体的破坏深度通常是依据其渗透性的改变进行的。底板岩体渗透性的改变和底板岩体的应力场密切相关。利用现场实测数据；岩石力学参数和位移反分析的方法，确定了赵各庄矿1237工作面的底板应力场，进而确定了底板岩体的渗透系数，最后，具体分析了底板应力场和渗透系数的关系。     

深井煤层底板卸荷扰动应力场展布形态研究

采用综合研究方法分析了煤层回采后底板岩层应力场变化特征和空间分布规律,结果表明:工作面回采初期,煤壁前方及开切眼附近最大主应力近似等于垂直应力,似“球根”状向底板岩层传播,高剪应力斜向采空区两侧未采煤层底板传播,并迅速衰减,水平应力集中程度微弱;工作面继续回采,围岩最大主应力场急剧偏转,底板岩层存在高应力束组成的主应力拱,垂直应力峰值线是深入煤体斜向工作面底板岩层按负指数规律衰减的曲线,采场附近垂直应力等值线升高区呈“耳”型分布,工作面后方采空区底板岩层出现滞后卸压现象,垂直应力等值线最终趋于“平底型”分布,卸压范围呈现倒“八”字型;煤层底板应力场具有继承相关性,且煤层底板方向应力场衰减速率远大于煤层顶板岩层。附加水平应力和剪应力沿采空区边缘在浅部岩层出现高度集中现象,之后急剧耗散。力学场偏转伴生出的拉应力、膨胀应力、挤压应力联合作用是底板岩层运动(底臌)的本质力源,煤壁前方底板岩层存在微弱的扰动变形,底板岩层裂纹势必超前起裂。     

煤层底板导水裂隙演化规律的电法探测研究

 通过试验测定不同岩样在充水条件下应力–应变全程电阻率的变化,给出在采动过程中煤层底板岩层产生导水裂隙时的导电性变化规律,并以此为基础建立底板采动导水裂隙带动态演化地电模型。利用三维电法正演软件对此地电模型进行正演数值模拟,得出煤层底板导水裂隙演化过程中的视电阻率响应特征,为矿井电法数据采集系统设计和资料处理解释提供理论依据。依据全空间高精度三维电法测量的思想,提出煤矿底板导水裂隙带动态监测系统的设计原则和技术要求,为现场实际工作条件下煤矿底板破坏裂隙带动态监测系统设计提供依据,并成功用于安徽一矿底板破坏导水裂隙带演化规律的探测。实测结果表明,采用三维电阻率法探测(监测)底板导水裂隙带演化过程效果明显,能显示出底板在回采过程中变化破坏情况,有利于煤矿底板突水预测和突水防治措施的制订。