大倾角煤层大采高工作面倾角对 煤壁片帮的影响机制

以新疆焦煤集团2130煤矿大倾角大采高工作面为工程背景,采用现场监测、理论分析与数值计算等综合方法,分析了煤壁片帮的主控参量,建立了倾向煤壁岩梁力学模型,揭示了工作面倾角对煤壁片帮的影响机制,研究表明:工作面倾角、采高、推进速度、支架阻力、煤体内聚力及内摩擦角等是大倾角大采高工作面煤壁片帮的主控参量,受工作面倾角影响,煤壁支承压力沿倾向非对称分布,导致煤壁变形(挠度)呈现出非对称特性,在工作面中上部区域(约0.66L处)煤壁岩梁变形最大,随工作面倾角增大,煤壁处垂直应力值不断增加,工作面上部区域煤壁向采空区方向水平位移不断增大,且向倾斜上部转移,煤壁片帮概率增加,易发生片帮区域面积增大。     

大倾角煤层长壁开采底板非对称破坏形态与滑移特征

底板破坏滑移是大倾角煤层开采亟待解决的关键问题之一,以2130煤矿25221大倾角综采工作面为研究背景,采用理论分析、数值计算和现场监测相结合的研究方法,系统研究了底板的破坏和滑移特征。结果表明,在采动应力和支架载荷作用下底板的力学性状发生改变,由层状连续介质状态演化为具有"结构体+结构面"的块裂介质状态;底板沿工作面倾向的破坏形态呈现为下大上小的非对称反拱,其最大破坏深度位于工作面倾向下部区域,且其破坏深度和范围随着煤层倾角的增大而减小;支架载荷对底板破坏影响有限,主要涉及采场直接底岩层;在底板重力倾向分量及支架和相邻块体载荷作用下,当滑移体存在临空面、滑移体所受主动力与滑移面相交、且主动力合力与滑移面法线方向的夹角大于滑移面的摩擦角时出现底板滑移,且底板岩体结构失稳滑移的概率随着煤层倾角的增大、支架倾斜幅度和范围的增大、直接底破碎程度的增大而增大。     

大倾角大采高工作面煤壁应力分布及变形特征研究

大倾角大采高工作面煤壁力学环境复杂,煤壁极易失稳,为更好防控煤壁失稳,亟待弄清工作面煤壁力学、形变特征。采用现场实测、数值计算、理论分析等方法对25221大倾角大采高工作面煤壁力学、形变特征进行分析。结果表明:超前支承压力在空间上以非对称拱壳形态作用于大倾角煤壁,在工作面走向以曲线形式逐渐降低;非均匀性超前支承压力使煤体发生非对称形变,水平位移量在工作面前方约0~13m范围内表现为中部下部上部,13m后则表现为中部上部下部,垂直位移在0~14.48m范围内表现为下部上部中部,14.48m之后位移量表现为中部下部上部,中部位移变形量最大,则中部区域煤壁失稳几率最大;采高增大,超前支承压力集中程度,煤体形变、位移量及大变形范围都会增大。     

大倾角软煤大采高综采工作面伪斜布置

大倾角软煤大采高综采工作面合理布置形式对保障矿井安全高效生产至关重要。以新疆焦煤集团2130煤矿25221工作面为工程背景,分析了大倾角软煤大采高综采工作面伪仰斜布置与伪俯斜布置的特点。通过力学分析结合数值模拟,着重研究了伪仰斜工作面煤壁片帮加剧的机理及伪俯斜布置抑制煤壁片帮的优越性。指出大倾角软煤大采高综采工作面伪俯斜布置须采用与之相适应的异型液压支架支护顶板。     

大倾角大采高综采工作面支架受载与失稳特征分析

对支架的稳定性控制是大倾角大采高煤层安全、高效开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,基于现场监测对覆岩破断运移规律和支架受载特征分析的基础上,通过理论分析系统研究了采高和工作面顶板运移对支架受载与失稳特征的影响。结果表明,在大倾角大采高煤层开采中,受采高增大影响,顶板运移的幅度和剧烈程度及支架工作阻力均较一般采高大倾角煤层开采时明显增大,架间推压、咬挤现象明显;当工作面顶底板岩层稳定时,使支架保持不转动和下滑的临界工作阻力均不超过支架自重的2倍;但受工作面顶板运移影响,支架亦会随着顶板的运动而运动,且其不会随着支架工作阻力的增大而消失;支架转动下滑的幅度和失稳概率随着支架工作阻力的减小、顶板与支架间摩擦力绝对值的增大、顶板载荷偏载程度的增大及采高的增大而增大,且其转动失稳的概率大于下滑失稳的概率。     

大倾角大采高综采工作面采煤设备安装的研究

针对新疆焦煤集团2130煤矿25221工作面地质条件恶劣,煤层倾角大,煤层赋存较厚等情况,结合现有煤矿开采技术综合考虑,决定25221工作面采用一次采全高综合机械化采煤工艺,通过对地质条件、综合机械化采煤设备的研究,制定了最佳的施工方案,实现了大倾角综采工作面综合机械化采煤设备的快速安装。     

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...     

大倾角煤层长壁开采覆岩走向受载与破坏特征

对围岩的有效控制是大倾角煤层长壁工作面安全高效开采的关键,以2130煤矿25221大倾角综采工作面为研究背景,采用"理论分析+模拟实验+现场监测"相结合的研究方法,在对工作面矿压显现规律及其成因综合厘定与分析的基础上,通过构建采空区矸石充填模型和顶板走向力学模型,系统研究了采空区矸石的非均匀充填特征及其非均衡约束下工作面倾向不同区域顶板沿走向岩体结构的受载与失稳特征。结果显示,采空区矸石充填特征在工作面走向和倾向均呈现出非均匀性,在工作面倾向中上部区域支架后方采空区底板上易形成倒三角自由面,且其非均匀性随着煤层倾角、采高和工作面长度的增大而增大。在垮落矸石非均衡约束效应影响下,顶板的受载与变形破坏特征不仅在工作面倾向具有明显的非对称特性,倾向不同区域顶板沿走向的受载与变形破坏特征及其所形成围岩结构的基本形态之间亦存在显著差异。沿工作面倾向自下而上,受采空区矸石充填量与密实程度逐渐减小、矸石与支架间距离逐渐增大的影响,采空区充填矸石对工作面围岩稳定的贡献度逐渐减弱,围岩的运移空间、频次和幅度等逐渐增大,围岩结构的稳定性逐渐减弱,支架的受载量及其变化幅度逐渐增大,"支架-围岩"系统的稳定性...     

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。     

大采高大倾角工作面煤壁片帮机理分析

为研究大倾角大采高工作面煤壁片帮机理,控制煤壁片帮。建立大采高大倾角条件下的煤壁片帮模型,利用压杆失稳理论解释煤壁片帮现象。通过理论计算得出了大采高大倾角工作面煤壁片帮临界力以及片帮最易发生的位置,分析了倾角、采高与片帮临界力和片帮位置的关系。结果表明：煤壁片帮临界力与采高和煤体自身刚度有关,与煤层倾角无关。采高越大,煤壁片帮临界力越小,煤壁抗弯刚度越大,煤壁片帮的临界力越大。煤壁片帮发生的位置受煤壁自身刚度、顶板压力、煤层倾角、采高的影响,但主要由采高决定,煤壁最易片帮位置距离顶板约0.398倍采高处。此外,现场观测了攀枝花煤矿11073大采高大倾角工作面的煤壁片帮现象,现场观测与理论分析结果一致。现场采用提高支架工作阻力等措施,有效地控制了煤壁片帮现象。     

浅埋大采高综采工作面矿压显现规律研究

 本文针对霍州矿区三交河煤矿2号煤层合并区域生产地质条件,进行了504大采高综采工作面矿压观测,深入分析了浅埋大采高采场来压规律、支架工作阻力及煤壁片帮特征,结果表明,工作面周期来压步距平均为14m左右,平均动载系数为1.13;工作面回采期间小范围片帮,端头处较为严重;ZY7600/26/55双柱掩护式支架能够满足生产需求。实测结果对相同条件下煤层开采采场围岩控制及来压步距预测具有重大的实践意义。     

大倾角大采高煤矸互层顶板失稳规律及对支架的影响

为研究大倾角大采高煤矸互层顶板失稳规律及对支架的影响,以新疆焦煤集团2130煤矿25213工作面为研究对象,采用物理相似模拟实验、Rhino+Kubrix+FLAC 3D相结合的数值模拟及现场实测的方法,深入分析了大倾角大采高工作面不同夹矸层数、厚度下煤矸互层顶板失稳规律与顶板-支架相互作用特征。结果表明,煤矸互层顶板破坏是由于倾斜中部、靠近支架的煤线先产生局部压剪破坏,随之向附近软煤夹层、夹矸扩展,导致顶板非均衡破坏,诱发架前冒顶、煤壁片帮等现象。大倾角大采高煤矸互层顶板工作面支架工作阻力、顶板最大主应力及顶板变形均呈明显的非对称性,且随着夹矸层数增加,支架上方煤矸顶板集中应力影响范围、围岩变形影响范围及塑性破坏范围均有所增大。煤矸互层顶板支架与围岩有顶板与支架正接触、破断顶板作用于支架掩护梁、架间相互作用等3种作用特征。较一般顶板的大倾角工作面,煤矸互层顶板对支架作用力明显减小,支架工作阻力整体呈倾斜中、下部大于上部的特征;支架非对称受载表现为前柱侧向载荷大于后柱,但随夹矸厚度的增加,顶梁受载程度趋于均布化。结合研究结果,提出了缩短空顶时间、分区域控制、超前预爆破及工作面实时矿压监测等一系列大倾角大采高煤矸互层顶板稳定性控制措施,其中,重点控制工作面倾斜中部煤矸互层顶板的稳定性,来保证工作面的安全高效生产。     

多关键层跨煤组远程被保护层煤壁片帮机理及防治

煤壁片帮是制约大采高软煤综采工作面安全、高效回采的主要因素之一。基于淮南矿区A组煤、B组煤煤系地层禀赋及下保护层开采生产条件,针对潘二矿11224工作面煤壁片帮破坏特点,采用现场实测、物理模拟、理论分析、工业试验等方法,研究了多关键层结构跨煤组远程下保护层开采覆岩采动裂隙发育规律和被保护层大采高软煤综采工作面煤壁失稳力学过程,揭示了回采前已受采动影响的煤壁片帮机理并提出控制措施。结果显示:①被保护层煤壁破裂形式主要为不规则滑移体沿破裂面的滑移运动,同时伴有区域多发性及倾向蔓延性,片帮迹线观测到贯穿煤层的节理弱面;②物理模拟显示,受下保护层开采影响,远程被保护层11224工作面处于覆岩"三带"中弯曲下沉带内,并出现大量随机分布的法向节理裂隙;③薄板模型极限挠度分析显示,采高、关键层空间结构、垮落带和断裂带岩层碎胀系数是决定"三带"发育高度的主控因素,理论计算所得"三带"发育特征与物理模拟一致;④基于煤壁片帮形式和受扰动影响特征,建立被保护层煤壁单元受力简化模型,给出考虑围压作用任意形态三棱柱体剪切破坏判据;⑤三棱柱体破裂后形成滑移体,主控弱面控制滑移体的摩擦滑动,提出滑移体沿结构面摩擦滑动失稳判据;⑥提高支架阻力和护帮力、采用"棕绳+注浆"柔性支护以及工字钢辅助铺网加强支架支护,可显著提高煤壁单位稳定性。     

大倾角大采高工作面煤矸互层顶板漏冒规律研究

为了保证大倾角大采高综采工作面在煤矸互层顶板下的安全高效开采,解决工作面频繁发生顶板漏冒的问题。采用物理相似模拟实验与理论分析等方法对大倾角大采高工作面煤矸互层顶板应力分布与演化规律、破坏与漏冒特征进行研究。结果表明：工作面回采时,煤矸互层顶板受压在支架顶梁上方断裂|移架过程中煤矸互层出现离层、台阶下沉等现象,支架支护阻力急剧增大,断裂煤矸层因支架反复支撑作用而挤压破碎|当支架支护作用削弱时,支承应力向工作面前方煤体转移,工作面前方支承压力逐渐增大、应力集中,导致煤矸互层顶板超前断裂、煤壁片帮,破碎煤岩体从支架前方沿煤壁片帮处漏冒。通过理论分析,发现煤矸互层漏冒前,工作面顶板剧烈下沉,提出以控制顶板下沉量的方式来预防煤矸互层架前漏冒,具体防治措施为：带压移架、提高支架支护初撑力、提高煤壁稳定性。     

霍尔辛赫3207大采高工作面上覆岩层运移数值模拟分析

为了解决霍尔辛赫煤矿松软破碎顶板厚煤层开采存在的问题,以确保3207大采高工作面的顺利安全回采,基于采煤工作面上覆岩层运移规律,结合霍尔辛赫3207大采高工作面现场实际情况,利用FLAC^3D软件对3207工作面超前支承压力、工作面滞后应力状态及推进速度对煤壁片帮的影响进行了数值模拟分析,得到了3207工作面上覆岩层运移规律。研究结果表明：3207工作面超前支承压力峰值位置距离工作面6～7 m,滞后支承压力峰值位于工作面煤壁后方10～14 m;3207工作面推进速度越慢,煤壁拉应力破坏区和剪应力破坏区就越大,发生片帮的概率增大。     

“双大”放顶煤开采的实践

目前国内对大倾角特厚易燃煤层群进行走向长壁倾斜分层开采尚无定型综采设备和方法,煤层厚度、结构又达不到水平或斜切综采的要求,只能进行走向长壁倾斜分层炮工开采。经东峡煤矿多年开采实践证实,只有进行大采高、大进度“双大”放顶煤开采,才能实现高产、高效。     

基于煤壁“拉裂-滑移”力学模型的支架护帮结构分析

针对坚硬厚煤层大采高综采工作面极易发生煤壁片帮的问题,以红柳林煤矿7.0 m大采高综采实践为基础,分析了煤壁片帮的应力路径效应,将硬煤煤壁片帮细分为拉裂破坏与滑移失稳两个阶段,建立了坚硬厚煤层煤壁片帮的拉裂-滑移力学模型,得出了煤壁的拉裂破坏深度、宽度与煤体强度、开采高度的关系及液压支架应具有的"临界护帮力",分析对比了2种液压支架护帮装置的结构特点与力学特性。研究结果表明,煤体发生拉裂破坏只是煤壁片帮的必要非充分条件,煤壁最终是否发生片帮,还取决于拉裂破坏体在液压支架与矿山压力作用下是否发生滑移失稳。液压支架很难抑制煤壁发生拉裂破坏,但可以有效防止拉裂破坏体发生滑移失稳。液压支架护帮装置采用伸缩梁与护帮板分开结构设计,具有对煤壁的支护作用力大、结构强度与可靠性高等显著优点。     

特厚煤层大采高综放开采关键技术

大采高综放是特厚煤层的主要开采方法,但随着割煤和放煤高度的增加,将带来矿压显现剧烈、工作面煤壁片帮严重、顶煤采出率低、瓦斯涌出量大等突出问题。笔者在分析我国煤炭综放开采技术发展历程的基础上,以塔山煤矿8105工作面为工程背景,研究了14~20 m特厚煤层大采高综放工作面顶煤顶板运移规律,成功研发了大采高综放工作面片帮综合防治技术、高效高采出率放煤技术和“低瓦斯赋存,高瓦斯涌出”条件下安全保障等关键技术。井下试验表明：塔山煤矿8105工作面采出率达88.9%,较8104工作面提高5.9%;工作面设备平均开机率达92.1%,2011年累计生产原煤1 084.9万t,首次实现了大采高综放开采全国产技术工作面年产1 000万t的目标。