大倾角煤层大采高综采围岩运移与支架相互作用规律

为了研究大倾角厚煤层大采高综采围岩运移规律,采用现场实测、数值模拟和相似材料模拟实验相结合的方法,分析了大倾角大采高采场围岩运移、顶板结构和"支架-围岩"相互作用特征。结果表明:其采场围岩运移规律与一般采高大倾角煤层相似,具有明显非对称性;但大采高采场围岩的运移特征更为活跃,初次来压和周期性来压步距均明显减小,来压强度增大,并伴有煤壁片帮现象。采空区垮落顶板的滚滑、充填空间增大,破断基本顶易形成反倾向堆砌结构,工作面下部充填压实程度增加,导致工作面顶板受力非均衡性更明显,采场覆岩易形成多级梯阶岩体结构。顶板与支架的接触及施载特征更为复杂,支架载荷变化幅度增大,架间相互作用明显,工作面装备防倒、防滑难度加大。     

大采高采场覆岩结构特征及运动规律研究

运用关键层理论研究了采场覆岩结构特征及运动规律．结果表明：垮落带及断裂带高度与覆岩关键层的分布特征密切相关，大采高的垮落带及断裂带高度大于相同煤厚分层开采相应的高度，且随采高增大呈台阶状上升，此研究是大采高条件下采场矿压控制、地表塌陷评价的基础。     

厚煤层开采覆岩移动规律的现场监测研究

现有的监测大多在巷道顶板5～8 m深的范围展开,本文通过深孔多点位移计实时监测了工作面回风巷和运输巷顶板岩层0～20 m深处范围内的岩层移动规律.获得了不同回采阶段覆岩移动变形规律,并根据监测曲线获得了周期来压步距.     

煤层厚度与层间岩性对上保护层开采效果的影响研究

采用数值分析的方法,建立了保护煤层开采厚度、被保护煤层赋存厚度及层间岩性对上保护层开采保护效果影响的计算模型。结果表明,当上保护煤层开采厚度增加但小于下部被保护煤层赋存厚度,或者上保护煤层开采厚度不变而被保护煤层赋存厚度增加时,保护效果逐渐增加;但当上保护煤层开采厚度大于被保护煤层赋存厚度时,保护效果基本一致。同时,当上保护煤层与下部被保护煤层间的岩层岩性越硬时,被保护煤层煤体单元的塑性变形量和应力减小量越小,保护效果越差。在实体煤岩内,岩性差异大的区域内水平应力降也较大。采空区下方不均衡分布的垂直应力的垂向挤压与水平应力的横向剪切作用,是底板煤岩体单元发生偏心失稳进而产生塑性变形和破坏的重要原因。     

Three-dimensional strata movement around coal face of steeply dipping seam group

Steeply dipping seam group, which has complex occurrence conditions, belongs to the steeply dipping seam. The research on the strata movement around the coal face not only improves safe production technology in practice, but also develops the mining theory. By using physical simulation experiments, numerical simulation and site test, the deformation, failure and movement of surrounding rock in longwall working face were analyzed. According to the analysis, characteristics of the seam group were formed which is different from the single seam. Asymmetry mechanics, sequential changes and imbalance of strata movement along the tendency working face were summarized. Furthermore, the features of upper and lower seams were different. The mining of the lower seam induced more complex strata movement along the strike. Multi-section mining disturbed surrounding rocks in larger areas than the single section mining did, which had an impact on and dynamic loading function to the support when mining the lower seam, and produced a great influence on the stability of support-rock system. Supported by the New Century Excellent Talents in University of China (NCET-04-972)     

煤炭开采与岩层运动

采矿是从地层内获取煤炭资源的过程,是一次对矿区地层的扰动,必然引起岩层运动和地层内应力场与裂隙场的改变,从而影响矿压显现、地下水流失和地表沉陷等安全与环境问题。因此,采动岩层运动及其对安全与环境的影响规律是煤炭开采的基础科学问题,对这些规律的认识将提高煤炭开采的科学性。由于采动岩层运动的复杂性,至今仍然有很多问题没有解决。介绍了采动覆岩运动的块体结构形式、岩层运动对工作面空间维护的影响、岩层运动对覆岩裂隙演化与地下水和地表沉陷等环境问题的影响、岩层运动对采动应力场影响等方面的研究进展与存在的主要问题,明确了岩层运动研究的重点和方向。结果表明:采动岩层运动是一种坚硬岩层破断前的应力集中和破断后形成块体的力学行为,坚硬岩层的破断和块体运动具有突变和不连续性,破断块体互相咬合可能形成"大变形"结构,块体咬合结构的S-R稳定性将对矿压显现、采动裂隙和地表沉陷等产生重要影响。岩层运动是一个"黑箱",目前仅仅在控制原理上得到解释,达到"灰箱"程度。因此,岩层控制在很多场合只能是"宏观"控制。"砌体梁"结构力学模型的建立明确了支护原理和支架工作阻力估算原则。一般情况下,按照4～8倍采高岩柱自重估算支架工作阻力可以满足工程需要,在大采高或薄直接顶、浅部开采、特殊压架条件等情况下支架工作阻力估算应采用上限,个别条件下单纯提高支架阻力仍无法彻底解决压架问题,还需配套实施相关工程措施加以防范。根据覆岩关键层破断块体结构的稳定性,将我国不同表土层条件下的地表沉陷划分为3种类型,提出应根据地表沉陷的不同类型进行预测、控制与选择复垦方法。关键层的赋存与破断特性对采动应力分布影响显著。目前,由于应力集中引起的事故比瓦斯事故更难以预防,为此,深部和构造应力集中区域只能开设试验矿井。     

基于微震监测的双系煤层开采覆岩运动与矿压显现关系

以大同矿区双系煤层开采为研究背景,基于高精度微地震监测技术,研究石炭系特厚煤层8104综放工作面开采过程中上部侏罗系煤层群复杂采空区影响下微震事件时空演化特征,得到双系煤层影响下覆岩运动与矿压显现的关系。结果表明:8104工作面接近和进入上部侏罗系煤层采空区对应区域,8104工作面覆岩运动加剧,侏罗系煤层的开采是工作面覆岩运动加剧的主要原因;侏罗系煤柱重叠区域微震事件密集分布,在工作面的开采扰动和重叠煤柱应力传递的共同作用下,微震总能量和能量大于10~5J的震动次数均处于较高数值,覆岩运动更加剧烈。临近采空区对8104工作面的强烈覆岩运动起到了关键作用,在临近采空区和侏罗系覆岩共同作用下,工作面超前微震事件集中,矿压显现剧烈。工作面开采扰动、临近采空区覆岩运动和侏罗系重叠煤柱的耦合作用,是石炭系综放工作面矿压显现剧烈的根本原因。     

马脊梁煤矿浅埋煤层开采覆岩活动规律的相似模拟

为了搞清“两硬”浅埋煤层开采覆岩活动规律,以大同煤业集团马脊梁煤矿为原型,在实验室进行了相似模拟实验,发现“两硬”浅埋煤层刀柱开采发生的大面积来压其实是多米诺效应引起的覆岩大面积切冒,垮落从直接顶开始,逐步扩展至松散层。地表下沉最大处出现在地表沉陷区的中部,上覆岩层的运移以垂直位移为主,呈倒梯形整体下沉。     

近浅埋煤层大采高工作面双关键层结构分析

根据实测统计分析,近浅埋煤层大采高工作面支架载荷普遍较大,且随采高增大有增加的趋势,工作面来压存在大小周期,厚度较大的等效直接顶静载是工作面支架的基本载荷。通过物理模拟实验,揭示了大采高工作面直接顶变厚和顶板结构铰接点上移的机理,提出了"等效直接顶"的定义,建立了近浅埋煤层大采高工作面顶板"双关键层"理论。近浅埋煤层大采高工作面顶板主要表现为"双关键层"结构,根据等效直接顶对采空区的充填程度,双关键层顶板结构分为"双砌体梁"和"斜台阶岩梁-砌体梁"两类,常见的是"斜台阶岩梁-砌体梁"双关键层结构。建立了双关键层顶板结构模型,揭示了工作面出现大小周期来压的机理,给出了支架初撑力和工作阻力的计算公式,可为近浅埋煤层大采高工作面顶板控制提供理论依据。     

不整合地层下开采覆岩移动变异性研究

根据采区地层不整合特点,通过相似材料模拟和数值模拟方法对不整合地层下开采覆岩运动与破坏特征进行了研究。研究发现,不整合面附近地层存在"应力屏蔽"现象,采空区上部压力拱形态发生畸变,呈现出非对称、非规则的压力拱结构形态。覆岩移动变形出现明显差异,导致地表移动盆地反向偏移。研究给出不整合地层下开采覆岩移动破坏与导水性特征分区。     

大采高厚煤层采场覆岩结构与运动分析

覆岩结构及运移特征受工作面采出空间影响较大,其对工作面围岩矿压显现程度起主要控制作用。以某煤矿2-106大采高综采工作面采高对上覆岩层结构及运动特征影响的问题为背景,采用数值计算和现场实测相结合的方法,对不同采高时的覆岩结构及其运动特征进行了研究,得到了工作面覆岩运动特征、冒落带高度及离层量受采高变化影响的规律。结果表明:随着采高增大,上覆岩层运动更加剧烈,采动影响范围增大,冒落带高度非线性上升,煤壁片帮的趋势增加,裂隙带的高度、离层最大值增加。研究结果在现场实测中得到了验证。     

较薄厚煤层综放开采顶煤岩运移破坏特征研究

采用FLAC3D数值模拟对较薄厚煤层综放开采顶煤岩力学特征进行了系统分析,得出了顶煤岩运移、破坏及应力分布规律.研究结果表明,综放面上部顶煤位移量明显大于工作面中下部,顶煤的"始动点"在工作面煤壁前方,工作面上位顶煤岩的始动位置超前于下位,垂直位移量随着与工作面距离的减小而逐步增加;在综放面前方,顶煤和上覆岩层在垂直方向始终处于压缩状态.而在工作面上方,顶煤开始出现离层现象;工作面支架所受载主要是顶煤和基本顶变形运动产生的变形压力,沿用中厚煤层综采工作面支架设计已不适用综放面.     

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.     

急倾斜走向分段充填倾向覆岩破坏特性及移动规律

为了研究急倾斜煤层综采走向分段胶结充填覆层变形破断特性及移动规律,建立了倾向岩梁的力学模型,推导了倾向方向上覆岩梁的挠曲方程,利用方程求出了充填区域和未充填区域的最大挠度位置。并以湘永煤矿2463工作面为原型,进行了相似模拟实验研究。结果显示:(1)充填区域的倾斜岩梁在胶结充填体柱的支撑作用下,顶板下沉较小。而未充填区域的顶板则变形较大,直接顶出现垮落现象,垮落后充填下部采空区,对下部的顶底板起到了支撑约束作用。(2)未充填区域结果显示,倾向岩梁上部为直接拉伸断裂,而中部层间岩层为倾斜砌体梁断裂形式,且断裂线位于工作面的中部偏上部位置,下部为岩层间张开形式,岩层断裂整体呈现了"F"型断裂,形成了下部裂隙发育支撑区、中部顶板自承弯曲下沉区和上端部支撑区组成的二次平衡结构。相似模拟实验结果与理论推理结论基本一致。     

保护层开采与先抽后采的综采面瓦斯涌出规律

为了掌握在开采保护层与抽放煤层瓦斯前提下的瓦斯涌出规律,对南山煤矿盆底区南翼15号突出危险煤层采煤方法和瓦斯治理研究.结果表明,顶分层平均瓦斯涌出量最大,回采期间应采用了边采边抽增加供风等措施防止瓦斯超限;底分层煤层瓦斯涌出量较顶分层少73%,应采取综采放顶煤开采方式;开采高瓦斯突出煤层时,应采用预抽技术结合顶分层保护层开采技术以消除底分层的突出危险;外延面直接采用综采放顶煤开采方式.通过对突出危险区域的预先长期的瓦斯抽放,可以消除其突出危险性,简化生产系统的布置与施工,降低生产成本;采用放顶煤技术.可以降低巷道掘进工程量,利用有限两条巷道进行整个煤层的开采,经济效益更加显著.     

多煤层条带开采地表移动规律

采用FLAC数值模拟软件,系统地研究了多煤层条带开采中不同采深、不同采宽、不同层间距和上下煤柱的空间位置关系对地表下沉和水平移动的影响规律,给出了地表最大下沉、最大水平移动与采深、采宽、层间距及上下煤柱位置的函数关系式,建立了地表最大下沉和最大水平移动的综合影响关系式.     

特厚煤层开采远场覆岩结构失稳机理

针对大同矿区石炭系特厚煤层综放工作面周期性发生液压支架立柱大幅下缩甚至压死支架的工程技术难题,采用理论分析与现场实测的方法,研究特厚煤层开采远场覆岩结构失稳机理。提出了远场"三角板"结构运动影响特厚煤层开采工作面矿压的理念,建立了远场关键层"横OX"破断形成的"三角板"结构力学模型,确定了该"三角板"结构滑落失稳和回转变形失稳的理论判据;结合同忻煤矿现场实例,预计了远场关键层"横O-X"破断"三角板"结构块体的几何尺寸,并分析了此"三角板"的走向长度及回转程度对其自身结构稳定性的影响,结果表明"三角板"的走向长度和回转程度越大时该结构越容易失稳。同忻煤矿8202工作面临空侧回风平巷超前段底臌变形特征间接验证了远场关键层发生"横O-X"破断的规律。据此提出超前预裂远近场关键层以及在"三角板"结构下工作面实行快速推进等防治措施。     

急斜厚煤层分层与分段放顶煤岩层移动对比

运用相似材料模拟和数值计算的方法,对水平分段和倾斜分层放顶煤开采引起的围岩移动特征进行了比较.倾斜分层开采引起的地表下沉盆地倾向主断面水平宽度大,而垂直移动和水平移动量小,水平分段开采则相反;倾斜分层开采时,上覆岩层先弯曲离层,再断裂垮落,易形成铰接结构;水平分段开采时,上覆煤岩易发生巨型块滑动式垮落;倾斜分层开采时,采空区垮落带高度小,水平分段开采时垮落带高度大.倾斜分层开采可以减轻围岩垮落和地表移动的强度.     

复杂条件大倾角大采高旋转综采矿压显现规律及其控制

针对潘北煤矿复杂条件大倾角"三软"厚煤层赋存特点及大采高旋转综采矿压难以控制的技术难点,采用现场实测、数值模拟等方法研究获得了12124大采高旋转综采工作面及巷道矿压显现规律,揭示了大倾角"三软"厚煤层旋转综采采场和巷道矿压机理,即采空区煤柱下方工作面煤体应力集中、旋采区域采动应力集中与液压支架反复支撑是导致工作面顶板破碎、片帮、冒顶及巷道围岩变形剧烈的主要原因。提出并实施了该条件下旋采过程中采场和巷道围岩稳定性控制技术,主要包括:工作面顶板铺链网并在架头连接工字钢以加强顶板管理;应用液压支架与输送机间连接防滑千斤顶并联合推移千斤顶控制刮板输送机下滑;上风巷旋采拐点处采用锚网索联合支护控制巷道围岩变形;工作面上下端头超前10 m回棚加强支护,保证正常运输通风需求。工程实践表明,该技术实施保证了工作面的安全高效回采,取得了良好的效果。     

错层位工作面上覆岩层的结构分析

应用理论分析、数值模拟等方法,对错层位工作面与传统放顶煤工作面上覆岩层的结构进行分析,得出错层位巷道布置下工作面新的上覆岩层的结构,即L形垮落方式和基本顶呈悬壁梁状的破断传递;得出错层位工作面上覆岩层易垮落,较传统放顶煤工作面上方易垮落区域面积要大,而且高度约有100 m;由于接续工作面的连续推进,使得接续工作面上覆岩层的垮落与首采工作面垮落的岩层连与一个更大的梯形区域,而且梯形区域的高度有120 m左右.