大倾角煤层长壁开采顶板受载与变形破坏倾角效应

大倾角煤层长壁工作面安全高效开采的关键是对围岩的有效控制,以新疆2130煤矿25221大倾角长壁综采工作面为研究背景,采用"现场监测+数值计算+模拟实验+理论分析"相结合的研究方法,在对顶板的破坏-运移-充填特征综合厘定与分析的基础上,构建顶板力学模型,系统研究了充填矸石非均衡约束条件下顶板的非对称变形破坏特征及其倾角效应.结果表明:在大倾角煤层开采中,煤层倾角的变化不仅会改变顶板的受载特征,亦会改变其对应的边界条件,且较前者而言,后者对顶板非对称变形破坏特征的影响更为显著.随着煤层倾角的增大,顶板所受法向载荷逐渐减小,充填矸石对顶板的非均衡约束效应逐渐增强,顶板的挠度和弯矩明显减小,挠度和弯矩沿工作面倾向的演化规律明显改变,顶板的最大变形位置由倾向中部区域向倾向上部区域迁移,顶板的最大弯矩位置由倾向下侧区段煤柱→倾向上侧区段煤柱→倾向中上部区域迁移.工作面倾向下部区域顶板受充填矸石支撑载荷作用后稳定性增强,顶板破坏运动的活动范围上移,工作面倾向中上部区域顶板岩层运动的幅度和剧烈程度加大,该区域煤壁、"支架-围岩"系统等在工作面推进过程中易出现动态失稳而引发围岩灾变.     

大倾角煤层采场顶板运动结构分析

根据大倾角煤层采场矿压显现特点 ,对采场顶板岩层的运动、破坏形式进行了研究 .提出了大倾角条件下老顶岩层在运动中易于形成倾斜砌体结构板大结构 ,直接顶岩层则因上段冒落矸石充填 ,在采场中下段形成砌体梁小结构 ,并探讨了中下段小结构平衡的极限条件和结构失稳形式 .     

急倾斜多煤层开采地表沉陷分区与围岩破坏机理——以木城涧煤矿大台井为例

为了研究急倾斜多煤层开采条件下地表及围岩移动变形特点,以木城涧煤矿大台井急倾斜多煤层开采为研究对象,进行了相似材料模拟研究.揭示了地表移动变形规律和围岩垮落、破坏机理,得出了不同区域移动变形的大小及主要特点,并与实地观测数据进行了对比分析.结果表明:该条件下开采,地表沉陷盆地可分为露头塌陷区、整体沉陷区、渐变沉陷区和轻微沉陷区,浅部开采形成的地表分区格局对整个采动影响区的地表移动变形起到了控制作用,浅部开采覆岩破坏以陷落和张裂为主要特征,深部开采以离层带裂隙顺层通达地表和台阶错落下沉为主要特征.     

采场顶板飓风耦合模型及采高对飓风灾害的影响

采场顶板大面积垮落引起的飓风冲击灾害是非常严重的,经常造成设备损坏与人员伤亡等突发性事故.以神华集团神东矿区的开采地质条件为工程背景,分析了采场顶板垮落所伴随的飓风灾害,建立了顶板-空气冲击耦合模型,讨论了差分数值解法.借助数值解,分析了飓风发生过程中采场顶板高度对采场风速与巷道飓风速度的影响变化规律.得出采场顶板飓风灾害理论预测公式以及采场顶板高度大,飓风风速越大,冲击破坏性越严重的结论.该项研究成果,对高产高效地快速推进工作面的采场顶板大面积垮落的飓风灾害防治与防灾工程设计有学术意义及工程应用价值.     

大倾角变角度综放工作面顶板运移与支架稳定性分析

为解决大倾角煤层变角度综放工作面"支架-围岩"系统稳定性控制的难题,以枣泉煤矿120210工作面综放开采为工程背景,采用平面相似模拟实验、理论分析和现场矿压观测等综合研究方法,重点研究了角度变化过渡区域"支架-围岩"系统稳定性,分析得出了大倾角变角度综放采场围岩变形破坏及支架稳定性的分区域特征.结果表明:在大倾角变角度工作面,上部区域是安全高效生产的主体区域,下部区域是整体稳定性的基础,中部区域是安全高效生产与系统稳定协调转换的关键区域,并提出基于工作面仰伪斜变角度布置、顶煤放出量和支架工作阻力分区域控制的大倾角变角度工作面围岩稳定性控制技术.     

推采速度和充实率对深井充填面厚硬顶板聚能与释能的影响

基于煤岩体动力破坏的最小能量原理,建立了诱冲关键层断裂致冲的能量判据.以山东某深井厚硬顶板下充填工作面为工程背景,采用FLAC^3D数值模拟研究了推采速度和充实率对关键层弹性能积聚和释放的影响规律.结果表明:推采速度增加使覆岩采动影响范围增大,关键层弹性能积聚和释放程度增加;充填开采相当于减小了煤层采厚,使关键层由垮落带和裂隙带过渡到弯曲下沉带,消除了诱发冲击地压启动的动载源;充填开采充分降低了关键层的弹性能释放量,有效减弱了厚硬顶板断裂型冲击地压的危险性,确保了深井厚硬顶板下煤炭资源的安全回采.     

坚硬厚层顶板群结构破断的采场冲击效应

采用理论分析、物理相似模拟及现场实测相结合的方法,对坚硬厚层顶板群结构的破断冲击效应进行了分析.研究表明:多分层坚硬顶板群结构的破断冲击载荷在短时间内会产生较大的波动,工作面来压特征受多分层顶板垮断的联合作用;采场冲击来压强度主要与顶板赋存厚度及自身岩性特征有关,对于岩性相近的顶板岩层,厚度越大,对采场的矿压冲击影响也越剧烈,但厚层顶板垮断后的结构对其上覆顶板岩层的冲击载荷强度具有一定的缓冲.以大同矿区坚硬顶板群结构下的煤层开采为例,现场实测分析得到的工作面采场来压特征说明多分层顶板的垮断失稳有一定的随机性,但各分层顶板的单层垮断或多层同步垮断几率在整个煤层开采过程中基本保持不变.     

固体充填开采矿压显现弱化规律及表征研究

阐述了充填采场矿压显现弱化的基本内涵,并采用煤壁支承应力峰值、应力集中系数等指标定量表征弱化程度;综合地质条件、系统布置等关键因素,分析了充实率、充垮比等参数对充填采场矿压显现的弱化效应,提出了充填采场矿压显现弱化的内涵及临界判别条件,认为提高充实率、优化采场系统布置能显著降低采场能量积聚、弱化采场矿压.结果表明:充实率为90%时,与垮落法相比煤壁支承应力峰值降低52.2%,应力集中系数减弱53%;充实率80%时,与低充垮比相比,上述指标高充垮比降低10%;充实率80%时,充垮比(煤柱一定)和垮柱比(充填段长度一定)都会影响矿压弱化程度,垮柱比影响更大.工程实践表明充填采场矿压显现明显弱化,顶板下沉远小于类似地质条件垮落法工作面,超前支承应力影响范围不足其1/4,应力集中系数仅为其1/2左右.     

固体充填体压实特征下岩层移动规律研究

基于充填材料压实特性试验,结合具体工程实例,推导出充填体弹性模量与垂直应变之间的关系,利用FLAC3D软件内置FISH语言,编制相应的充填体非线性压实程序,准确地模拟矸石充填采空区后上覆岩层移动规律.研究结果表明:充填采煤工作面顶板下沉量随着工作面的推进而逐渐增大,整体以缓慢弯曲下沉为主,没有出现激增的现象;超前支撑应力分布与垮落法开采相似,其超前支承应力峰值及影响范围均要比垮落法开采低;矸石充填体内部应力呈现"拱形"分布,随着工作面的推进,矸石充填体内部应力逐步升高,增幅逐渐减小.现场实测数据与数值模拟结果基本吻合,验证了研究成果的科学性.     

风氧化带内煤层安全开采的试验研究

根据现场观测和工程实践，论述了风氧化带内煤层开采时，覆岩破坏移动特征，风化带岩石属性和风氧化带内煤层安全开采机理的定性、定量分析．提出了风氧化带煤层开采无垮落带；受采动影响后，具阻水和抑制导水裂隙带继续发展的双重作用以及适当加大开采厚度等新观点．对两淮煤田浅部煤层安全开采和老矿挖潜具有重要的参考价值。     

上行开采顶板不同区域巷道稳定性控制原理

以典型的上行开采为工程背景,采用现场实测、物理模拟和数值计算相结合的综合研究方法,对上行开采上覆岩层应力场、裂隙场进行了研究,并分析侧压系数、断面形状、围岩强度等因素对围岩稳定性影响,揭示了上行开采采动应力分区特征及裂隙呈分域特性的时空演化规律,得到了基于采动巷道围岩稳定性的上行开采顶板岩层区划和巷道布置,将覆岩划分5个破坏区,裂隙分为4个区;提出了"等效开挖"和"低效加固区"的概念,给出顶板巷道应根据侧压系数λ的大小和主应力方向选择合理断面形状是圆形或椭圆以及底板4.0～6.0m必要的加固深度,形成了上行开采顶板巷道稳定性控制原理:选择应力降低的Ⅱ区和Ⅲ区布置巷道、确定采后165d为顶板巷道开挖时机、优化巷道断面和减小低效加固区、提高围岩强度和支护结构稳定性以及分区强化控制,成功指导工程实践.     

构造应力对煤层顶板稳定性影响的数值分析

煤层顶板垮落是煤矿生产常见的灾害,煤层顶板稳定性预测是防治顶板事故的关键技术措施。构造应力是影响煤层顶板稳定性的重要因素之一。利用FLAC3D软件,分析在构造应力的影响下煤层项板在采动过程中的变形破坏特征,以及不同侧压条件下煤层顶板的移动规律。结果表明,顶板破坏在岩梁中部是由下向上发展的,在一定的条件下,随着水平构造应力的增大,顶板破坏范围逐步减小,顶板岩层的位移逐步减小。     

多扰动回采巷道围岩失稳演化及控制分析

为了更好地理解多扰动回采巷道围岩的变化规律,通过对五虎山矿多扰动回采巷道现场观测、钻孔窥视,分析了多扰动巷道围岩变形特征与失稳原因,优化了巷道布置位置,确定了围岩支护方案,并进行了数值模拟与现场试验。结果表明:多扰动巷道顶板浅部围岩破碎度大,呈"网兜"弯曲下沉,两帮整体移动变形,呈反弓形破坏;多煤层开采扰动、顶板岩性软弱、围岩自稳时间短与松动范围大是围岩失稳的原因;上部煤层开采后,由上到下岩层垂直应力由马鞍形向近似拉长"W"形过渡,距上部煤层越远,垂直应力越小,011208运输巷合理位置在010908工作面采空区下方,与010908回风巷外错16 m,煤柱尺寸15 m;采用破碎顶板重点支护(注浆-架棚)与深浅围岩分区承载(锚杆-锚索)耦合控制方案后,巷道围岩变形量小于40 mm,支护效果显著。     

厚及特厚煤层工作面顶板垮落高度的确定

采用理论分析、数值计算、相似模拟以及现场实测相结合的方法,分析了厚及特厚煤层工作面采空区顶板垮落高度.研究表明,关键层理论计算分析适用于岩性坚硬、结构完整的顶板条件;考虑顶板挠曲与矸石碎胀影响的采空区顶板垮落高度计算方法具有一定的普适性,得到了影响采空区顶板垮落高度的因素为煤层开采高度、顶板破断块体碎胀系数以及顶板分层极限挠曲变形量;2种理论分析结果给出大同矿区同忻煤矿8105工作面采空区坚硬顶板的垮落高度分别在143m与76~141m,实测得到的顶板垮落高度为80~120m,理论值与实测值基本一致,验证了2种理论分析方法的正确性.     

急倾斜近距离下保护层开采岩层移动相似模拟

针对豫西某矿急倾斜近距离下保护层开采设计,以矿井现场工程概况为基础,通过相似模拟试验及现场考察,对保护层开采过程中岩层移动变形及裂隙发育进行研究,据此分析该矿急倾斜近距离下保护层开采的可行性及预期卸压效果。结果表明:保护层开采过后,顶板以缓慢下沉为主,未出现大规模垮落,岩层移动量最大位置位于倾斜中部略偏上;相似模拟所得倾斜下部卸压角为73°,现场考察倾斜下部卸压角为72°,《防治煤与瓦斯突出规定》中在煤层倾角为50°情况下倾斜下部卸压角参考值为70°,三者高度吻合;岩层移动以及裂隙发育使被保护层得以卸压,也可为卸压瓦斯运移和瓦斯抽采提供通道;被保护层开采条件不会破坏,该矿此类型保护层开采安全可行,可以达到预期防突效果。     

水采采场上覆岩层运动规律的三维相似模拟试验研究

通过三维相似模拟试验了底板－－煤－顶板组成的动力学条件,得出的结论是水采采场上覆岩层的垮落特征及参数的同类条件下的旱采有着显著区别,顶板初次夸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。     

深部矸石充填体黏弹性效应及顶板时效变形特征

深部充填开采矸石充填体的黏弹性特征对顶板长时变形具有重要影响.采用矸石充填体侧限压缩试验系统测试了矸石充填体的黏弹性,建立了矸石充填体分数阶蠕变模型和分数阶蠕变地基梁模型,给出了分数阶黏弹性地基梁的挠度表达式,结合工程案例分析了顶板时效变形特征,认为深部环境下矸石充填体具有显著黏弹性效应,而顶板会随充填体的蠕变不断产生变形,且其时效变形可采用矸石充填体分数阶黏弹性地基梁模型预测.结果表明:矸石充填体在分级加载下,总蠕变应变随蠕变时间和最大应力的增加而不断增长,应力达到20 MPa时,应变增幅为2.86%;识别了矸石充填体分数阶蠕变模型参数,参数识别精度R²均大于0.99;根据分数阶黏弹性地基梁挠度表达式计算得出顶板10 a蠕变量较1 a蠕变量在采场充填区中心位置增加2.73%;分数阶黏弹性地基梁顶板变形理论值与新巨龙1302N工作面直接顶下沉实测值相对误差为4.29%.     

大倾角煤层走向长壁开采顶板岩层活动规律及其矿压控制

依据现场观测和实验室研究的成果，总结了大倾角煤层走向长壁式开采采场矿压显现和顶板岩层活动规律，介绍了工作面矿压控制方法。     

放顶煤开采上覆巨厚砾岩层变形移动规律研究

放顶煤开采时上覆巨厚砾岩层垮落直接影响综放工作面的安全生产,为了研究放顶煤开采上覆巨厚砾岩层变形移动规律,以河南大有能源股份有限公司耿村煤矿综放工作面特厚煤层及其上覆巨厚砾岩层为工程背景,采用相似材料模拟试验,研究了放顶煤开采时上覆巨厚砾岩层变形移动全过程。结果表明:(1)随着煤层开采,依据巨厚砾岩层裂隙场的特征,巨厚砾岩层变形移动和垮落的全过程分为下位和上位垮落过程,其中下位砾岩层初次断裂时垮落体形态为梯形,上位砾岩层断裂控制着地表的变形;(2)当工作面停采后,巨厚砾岩层裂隙演化发展具有较明显的时间效应;(3)下位砾岩层初次垮落步距650. 0 m,周期垮落步距175. 0 m,上位砾岩层初次垮落步距825. 0 m,地表下沉系数0. 267。研究结果可为耿村煤矿巨厚砾岩层下综放开采提供安全技术支撑。     

急倾斜煤层工作面区段煤柱失稳机理及合理尺寸

根据急倾斜煤层工作面区段煤柱赋存特点,运用理论分析、数值模拟、现场实测等研究方法,分析了不同倾角、不同尺寸区段煤柱条件下的煤柱变形破坏特征、煤柱周围应力分布规律和影响煤柱稳定的主要因素,以及采空区的冒落、充填特征,得出区段煤柱主要受到沿倾向的剪切破坏作用出现"台阶"型破坏,急倾斜工作面区段煤柱失稳的必要条件α≥arctan(f1+f2),失稳方式为向采空区的滑落失稳,煤柱下端的底板处和上端的顶板处为主要破坏区域.结合龙煤七台河分公司新铁矿急倾斜煤层开采实际,分析得出了保证区段煤柱和采空区顶板稳定的区段煤柱合理尺寸,提出了加大区段煤柱尺寸或采空区后方煤柱上方注浆充填加固技术方案,保证了急倾斜煤层综采工作面的安全生产.