特厚煤层综放开采顶煤体“三带”放煤理论与应用

采用实验室实验、数值模拟、相似模拟和理论分析相结合的研究方法,对特厚煤层综放开采顶煤体破坏的演化过程进行了深入研究。结果表明:特厚煤层综放开采过程中,超前支承压力对中、下位顶煤体内裂隙的扩展和顶煤体的破坏起着关键性作用;控顶区内支架的反复支撑进一步加剧了下位顶煤体的破坏;控顶区后的冒落阶段,充分破碎的下位顶煤体能够随采随冒,中位顶煤体随着下位顶煤体的放出而成块状冒落,而上位顶煤体呈周期性滞后垮落。基于特厚顶煤体上、中、下位明显的不同破坏、冒落特征,提出了特厚煤层综放开采顶煤体"三带"结构模型,即自下而上分别为"散体带"、"块体带"、"裂隙梁带"。通过分析各带的破坏动力机制及其冒落特征,提出了分带厚度的确定方法。通过对同煤塔山煤矿特厚煤层综放开采顶煤体垮落形态实测,进一步验证并完善了"三带"结构模型。即:特厚煤层综放开采顶煤体一般存在"三带"结构,但在特定条件下可能只呈现"一带"或"两带",其形成过程主要与顶煤体厚度、煤体强度、煤体裂隙发育程度、地应力等因素有关。     

岩-煤-岩组合体力学特性及裂隙演化规律

基于薄煤层开采及煤岩体巷道变形特点,探究煤岩体变形规律,根据不同岩层组合的力学性质,系统分析了岩和煤组合体的不均匀变形特征。通过不同高度比“岩-煤-岩”组合体的单轴加载试验,分析不同高度比煤岩组合体加载破坏规律,结果表明：组合体强度受中间煤体高度影响,试件单轴抗压强度随煤体高度的增加而减小,且试件的破坏形态随着煤体高度的增加由拉伸破坏转变成斜面剪切破坏,最终表现为煤体被挤出破坏。组合体试件破坏受煤体部分主导,两端砂岩对中间煤体起约束作用从而提高煤体强度,煤体中部受到其约束最小,且随着煤体高度的增加,所受影响迅速衰减。通过室内单轴加载与颗粒流等方式分析组合体裂隙发育全过程,结果表明,组合体裂隙发育的过程可分为4个阶段：裂隙孔隙压密阶段、裂隙产生并稳定发育阶段、裂隙加速发育并贯通阶段和破坏后阶段。煤体内部缺陷的存在与其自身较低的强度,导致组合体微裂隙最初于煤体内部生成(在煤体高度非常小时,裂隙自砂岩内部产生);随着试件荷载增大,随机分布在煤体的裂隙相互贯通并向砂岩部分延伸最终造成破坏;且最初的裂隙主要是轴压与端面效应产生的剪切裂纹,在加载至试件单轴抗压强度的80%左右时,试件内部张拉裂隙开...     

综放开采顶煤体离层与破坏规律研究

本文分析了节理裂隙对综放开采顶煤破坏破碎的影响 ,通过现场观测 ,研究了综放工作面支架上方顶煤体的离层及破坏情况 ,得到综放开采顶煤体在离煤壁不同的距离、不同高度上离层及破坏分布规律     

巨厚煤层放顶煤分层开采试验研究

采用相似材料模拟试验和有限元数值分析的方法,对40.0m巨厚煤层放顶煤分层开采时合理的分层厚度和采放比、顶煤的冒放性及冒放结构、顶煤回收率、矿压显现规律等进行了研究,认为巨厚煤层采用分层综采放顶煤采煤法在开采参数优化的条件下是可行的。     

煤体结构全程演变过程中渗透特性试验研究及意义

在引入地质强度指标(GSI)实现煤体结构定量表征的基础上,通过平行煤样在应力应变不同阶段的结构特征、声发射和渗透率等参数的观测和拼接,得到煤体结构全程演变过程中渗透特性变化趋势。结果表明:煤体结构(GSI)改善阶段,煤样由压密向弹性变形过渡,声发射强度由弱变强,孔裂隙逐渐闭合导致渗透率降低;煤体结构(GSI)脆性破坏阶段,煤样发生屈服和破裂,声发射强度逐渐增强,随着裂缝充分扩展,渗透率增加滞后并达到最大值;煤体结构(GSI)塑性降低阶段,先期形成裂隙的凹凸部分被剪切和磨蚀,连通性变差,煤样逐渐粉末化,声发射计数明显增加但强度较小,随着应变增加,应力曲线缓慢上翘,达到重新压实效果,渗透率急剧下降。     

特厚煤层智能化综放开采理论与关键技术架构

综放开采方法是我国特厚煤层矿区实现高产高效的主要技术途径,智能化综放开采是未来综放开采技术发展的重要方向。在分析千万吨级特厚煤层智能化综放开采技术和问题的基础上,围绕安全、高效、智能这一主题,综合考虑特厚煤层顶煤体和上覆岩层的相互作用,以掌握特厚顶煤冒放理论,实现综放工作面放煤智能化,降低含矸率、提高顶煤采出率为主导,提出要解决的关键科学问题和技术构想。针对综放开采存在的煤矸智能识别、智能放煤控制、“采-支-放-运”系统智能协调等主要难题,凝练出特厚煤层智能综放开采大尺度顶煤体破碎与冒放机理,特厚煤层智能化采放协调控制机理与方法,特厚煤层智能综放开采群组放煤过程控制原理三大科学问题。攻克特厚煤层群组协同智能放煤工艺决策技术,特厚煤层顶煤厚度与放煤量实时监测技术,冲击振动和高光谱融合的煤矸识别技术,多模式融合的智能化放煤装备及控制技术,综放工作面“采-支-放-运”系统智能协调控制技术五项关键技术。突破特厚煤层智能化综放开采技术与装备瓶颈,研发煤矸识别装置、开发智能放煤控制系统及软件,解决采放协调、煤矸识别、群组放煤等难题,创建年产1 500万t智能化综放开采示范工程。最终实现特厚煤层智能化综放开采,为我国特厚煤层的安全、高效开发提供可靠的技术支撑。     

含夹矸厚煤层综放开采技术分析

针对东滩煤矿主采 3# 煤层中含有夹矸层的特点 ,分析了含夹矸顶煤体的冒放性 ,确定了顶煤中夹矸层的极限厚度 ,提出了解决含夹矸厚煤层综放开采的技术措施     

近距离煤层大采高综放开采顶煤冒放性分析

针对近距离煤层大采高综放顶煤冒放性这一核心问题,理论分析了近距煤层上位煤层未采、上位煤层已采煤体的损伤力学特性,模拟了2种情况下顶煤体的支承压力分布规律、顶煤体裂隙发育及顶煤体破断特征。研究表明:顶煤体的冒放性可用顶煤体损伤程度表示,与顶煤体的原始裂隙和采动支承压力有关;与上位煤层未采相比,上位煤层开采一方面增加了下位煤层顶煤体的原始裂隙,另一方面加大了下位顶煤体所承受的支承压力,从而提高了顶煤体的冒放性。     

大倾角松软特厚煤层综放开采可行性研究

为论证霍州汾源煤业5~#大倾角松软特厚煤层综放开采可行性,在煤层强度、赋存深度、顶板情况、煤层结构和节理裂隙等5个主要方面进行了顶煤冒放性评价。并采用FLAC~(3D)数值模拟软件对5~#煤层顶煤冒放性进行模拟研究,得到综放开采顶板的破坏状态、岩层矿压显现规律。研究表明,5~#煤层采用综放开采,顶板应力平衡状态破坏,初采期间顶煤冒落较好,顶板破坏能达到40 m以上,随工作面推进,顶煤可随采随冒,冒放性较好,该煤层可采用综放开采的采煤方法。     

国投塔山煤矿石炭系巨厚煤层开采设计研究

国投塔山煤矿5(3-5)号煤层为石炭二叠系巨厚煤层,随着上覆2号煤层的回采,对压覆煤层开采提出了新的问题。针对此问题,通过对巨厚煤层采用综采放顶煤时顶煤的冒放性进行科学、正确的分析,以及工作面设备进行选型计算,确定了巨厚煤层放顶煤开采的可行性和工作面参数以及工作面设备选型参数,为以后类似工作面设计提供实际工程借鉴。     

综放工作面支架支护阻力对顶煤冒放性的影响分析

为研究综放工作面支架支护阻力对顶煤冒放性的影响,本文以义煤集团义安矿22011工作面为研究对象,采用FLAC3D数值模拟对不同支护阻力下顶煤的塑性破坏区进行分析,分析结果表明:当支护阻力在0~3000k N时,下部煤体大都处于拉伸破坏状态,顶煤基本处于塑性破坏状态,有冒落的危险;当支护阻力在4000~5000k N时,顶煤体大部分仍处于塑性破坏状态,但由于支架支护阻力的增大,在煤体中已出现了被破碎煤体包括的整块的未破坏煤体,可表现出较好的冒放性。     

浅埋双硬煤层综放面关键设备选型配套研究

新疆地区煤炭资源普遍存在埋藏较浅、煤层较厚、煤层与顶板较硬的特点,顶煤的冒放性较差,采放比设计及设备选型需综合考虑。文章主要探究浅埋双硬特厚煤层综放面的合理采放比设计以及关键装备选型配套方案,以榆树岭煤矿110501综放工作面为工程案例,首先进行工程类比,然后使用FLAC3D数值模拟软件对不同采高条件下采场塑性区及垂直应力分布规律进行研究,针对不同采高顶煤的冒放性及煤帮片帮破坏特征分析,优化设计综放面采放比;并结合榆树岭煤矿110501工作面具体参数,采用理论计算和三机配套原则进行一系列计算,选取合适的设备,为类似条件下双硬特厚煤层综放面采放比设计及关键装备选型配套方案提供参考。     

厚煤层综放开采顶煤分区破坏特征研究

顶煤破坏机理是综放开采的一个基本理论问题,研究顶煤渐进破坏过程可为冒放性准确判别奠定基础。为提高顶煤冒放性预测精度,采用理论分析、数值计算和现场实测等手段对山西新柳煤矿顶煤分区破碎特征进行了研究。将液压支架简化为恒刚度弹簧建立顶煤力学模型,借助Ritz法和最小势能原理得到了工作面前方和控顶区上方顶煤位移场和应力场,分析了考虑初始地应力和开挖卸荷效应的采动应力分布特征;定义顶煤破坏危险性系数为应力圆半径同圆心至强度曲线垂直距离之差,实现顶煤破坏危险程度的定量表征;根据破坏面上正应力大小将剪切破坏划分为压剪和拉剪2种形式,推导出2种剪切破坏模式之间的过渡条件;以顶煤破坏危险性系数k=0等值线、水平应力σh=σts等值线和控顶区上方抛物线形拉剪破坏边界线为界,将顶煤划分为弹性状态→压剪破坏→拉剪破坏→拉伸破坏4个阶段;对综放开采顶煤渐进破坏过程进行了模拟分析,借助FISH语言对顶煤破碎分区进行提取,模拟结果同理论结果较为吻合,但控顶区上方顶煤漏斗形拉剪破坏区同拉伸破坏区之间存在一条狭窄的剪切-拉伸混合破坏带;最后对顶煤裂隙发育特征进行了实测,煤壁前方为闭合型剪切裂隙,煤壁后方为张开型拉伸裂隙...     

特厚煤层综放工作面瓦斯抽放技术研究与应用

塔山矿特厚煤层综放工作面受高强度开采和坚硬顶板跨落复合作用,瓦斯涌出量大。通过分析瓦斯涌出规律与顶板周期来压关系,调查影响瓦斯涌出增大的因素,研究工作面前方煤体在矿压作用下的破裂与瓦斯渗流特征,确定了工作面煤体卸压区范围。阐述了综放工作面分别应用顶抽巷和地面垂直钻井瓦斯抽放技术方法,有效地控制了采空区瓦斯的大量涌出,保障了工作面安全生产。     

高韧性煤层难冒放机理及弱化效果研究

为改善高韧性煤层综放开采顶煤冒放性,以煤样物理力学参数试验为基础,从理论方面对高韧性特厚煤层综放开采顶煤难冒放机理进行了分析;通过相似材料模拟试验从弱化前、后2个阶段对顶煤的垮落情况进行了模拟,对顶煤里的支承压力分布进行了监测。结果表明:高韧性煤层弹性模量较小(小于顶板岩层),在矿山压力作用下,煤层的变形挠度大于顶板,导致顶板不能将矿山压力较好的传递给顶煤,综放时顶煤难破碎垮落,易形成悬顶,冒放性较差;对顶煤采取弱化措施后回采时的垮落情况明显改善,直接顶随采随冒,较好的充填了采空区;煤壁前方顶煤里的应力峰值位置明显向深部转移,支架上方和后方顶煤卸压较好,利于顶煤的放出。     

破碎岩体应力-渗流耦合模型及数值模拟研究

为了解决地下矿山岩体防渗及顶底板突水问题,设计破碎岩体应力-渗流耦合试验,分析岩体破坏特征及渗透率变化特征,并揭示应力-渗流耦合试验中岩体的致灾演变规律;结合D-P准则演化推导岩体应力-渗流耦合力学模型,从力学角度解释岩体破坏过程;推导应力-渗流耦合模型在FLAC3D中的有限差分程序,实现耦合模型的二次开发应用.研究表明:岩体的渗透率变化规律可划分为4个阶段(孔隙压密阶段、弹性变形阶段、塑性强化变形阶段及破坏后阶段),其中在塑性强化阶段渗透率产生明显提升并持续增长;增大孔隙水压,岩体泊松比上升,弹性模量下降,破坏角减小,岩体弱化效果明显,破坏形式由主剪切破坏逐渐向次生裂隙的张拉剪切破坏过渡;增大孔隙水压,模型参数F0和m分别以指数形式减小和增大,岩体峰值强度降低,高压水的存在使得岩体劣化程度增加,增大了裂隙发育程度,从而导致突水致灾危险性增加.     

急倾斜特厚煤层水平分层综放开采覆岩破坏特征

为确定急倾斜特厚煤层水平分层综放开采覆岩破坏高度,以梅河煤矿为试验对象,基于钻孔冲洗液漏失量观测法实测的覆岩破坏高度,与UDEC软件得出的多分层开采后的覆岩裂隙演化特征和发育高度模拟结果,回归得出了水平分层综放开采导水断裂带高度预计公式。结果表明:急倾斜特厚煤层水平分层综放开采覆岩破坏高度随着分层数的增加,最大高度受到明显抑制,裂高与累计采厚比明显减小;覆岩破坏最终发育形态呈明显的拱形,且偏于顶板一侧;覆岩垮落角将随着开采分层的增加而增大。基于以上分析,得出了梅河矿区急倾斜厚煤层水平分层综放开采覆岩破坏高度的预计方法。     

巨厚覆盖层下特厚煤层综放开采岩移规律

针对巨厚覆盖层下20 m特厚煤层综放开采后,地表出现大台阶、大落差地裂缝,采取地裂缝综合物探、裂隙带高度实测等手段,分析其岩移规律的形成机理,发现地裂缝深部发育为压密性闭合不导水剪切裂缝,裂隙带上方基岩被整体压断,通常的弯曲下沉带被整体断裂带取代,整体断裂带主要破坏截面位于岩梁中间和两端。最后针对地质灾害防治提出了一系列措施。     

饱水孔道砂岩力学特性试验

针对南方广泛存在矿山岩体含水层中的砂岩,利用MTS815试验机进行不同围压下三轴压缩试验,利用RMT-150C试验机进行单轴压缩试验,结果表明:(1)单轴压缩条件下,岩样的全应力-应变曲线明显分为4个阶段:孔隙裂隙压密阶段、弹性变形至裂隙发展阶段、非稳定破裂发展阶段、峰后破坏阶段.(2)单轴压缩条件下峰后应力-应变曲线表现出悬崖式下降趋势的特征;三轴压缩条件下无明显的压密阶段,峰后应力-应变曲线表现出由弹脆性向弹塑性转化趋势的特征.(3)随着围压的增大,除泊松比表现出减小的趋势之外,其余力学参数均有增大的趋势,对峰值强度和峰值应变的影响最为显著,峰值应变逐渐增大,岩样的塑性不断增加,表现出延性破坏的特征.(4)单轴压缩条件下岩样主要以X型裂纹的剪切破裂为主,单一斜平面的剪切破裂为辅;三轴压缩条件下岩样主要以单一裂纹的剪切破裂为主.     

特厚煤层煤矸互层复合顶煤体冒落特征研究

为了掌握特厚煤层综放开采煤矸互层复合顶煤体冒落特征,保证放煤工艺合理性和高顶煤回收率,以特厚煤层复合顶煤体综放开采为现场实际条件,采用实验室试验、数值模拟、现场观测等方法,分析了复合煤岩体变形破坏和强度特征,揭示了含矸顶煤体放出过程架间成拱、煤矸分界、放出规律,获得了煤矸块度体积与重量分布特征,结果表明：煤岩比例变化对煤岩整体破坏形态影响明显,复合煤岩体的破坏比单一介质块度小,单架顺序放煤量与放出率低值区和高值区之比约为1∶3,复合煤岩体放出块度体积与重量符合正态分布,煤矸块体长度小于40cm的占比为66%,但其重量占比小于15%,特厚煤层含矸顶煤体提高顶煤回收率的主要方向为提高长度为40～100cm块体的放出效率。