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。     

沿煤层倾斜方向底板“三区”破坏特征分析

为了研究具有一定倾角煤层底板的采动破坏特征,基于矿山压力理论,建立了考虑煤层倾角的工作面侧向底板受力力学模型,采用摩尔-库仑破坏准则,推导了工作面侧向煤柱下方底板的最大破坏深度表达式。将底板采动破坏带沿煤层倾斜方向划分为3个不同区域,其呈现为一个比工作面宽度还要宽的、下大上小的"勺形"分布形态。利用数值模拟方法研究了倾角对煤层底板破坏深度、破坏形态以及最大破坏深度位置的影响规律。结果表明:1)底板塑性破坏区深度随工作面宽度的增大呈现增大的趋势;随煤层倾角的增大,先增大后减小,在煤层30°倾角时,塑性破坏区深度最大,底板岩体更容易发生剪切滑移破坏;2)工作面底板最大塑性破坏深度位置随煤层倾角的增大逐渐偏离工作面中部向下,且工作面越宽,偏离越远。     

大采高综采工作面上覆岩层垮落及应力分布规律

根据补连塔煤矿22303工作面煤层赋存条件及工作面煤层顶底板条件,建立了工作面开采计算模型,利用RFPA软件模拟了大采高工作面2种模型采动后上覆岩层破坏的发展过程,研究表明大采高综采工作面位于围岩宏观应力保护下的低应力区内,应力壳承当并传递上覆岩体载荷和压力,是最主要的承载体;通过2种模型对比随采高加大,其上的应力峰值越小,但峰值作用的范围越大。     

大倾角煤层底板破坏滑移机理

本文列举了造成大倾角煤层底板破坏的主要因素和影响这类煤层底板破坏滑移发展过程的主要因素。着重分析了不同采煤方法的应力环境,结构体特征,“顶板—支架—底板”相互作用对底板破坏滑移的影响及作用机理。     

大倾角大采高综采工作面煤壁非对称受载失稳特征

煤壁片帮是大倾角厚煤层综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,采用理论分析、数值计算、物理相似材料模拟实验和现场监测相结合的综合研究方法,系统研究了大倾角大采高综采工作面煤壁的受载与失稳特征。结果表明,在大倾角大采高煤层开采中,受采高增大影响,围岩运动的幅度和剧烈程度较一般采高大倾角煤层开采时明显增大,覆岩垮落充填的非均匀特征进一步增强,煤壁支承压力的非对称特性亦明显增大;采动过程中煤壁的力学性质逐步劣化,伴随着裂隙的扩展、演化和贯通,煤壁开裂并形成滑移体,当滑移体周围约束解除或支承压力增大时,滑移体沿滑移面滑移,形成煤壁片帮;在工作面倾向,中部区域是煤壁片帮的高发区域,上部次之,下部最少,与煤壁的非对称受载特征相吻合;在垂直煤层方向,煤壁变形亦非对称,煤壁位移量中上部大于下部,靠近顶板区域易发生煤壁片帮;在煤壁重力倾向分量影响下,煤壁片帮易向倾向上部煤体蔓延。基于上述分析,并结合2130煤矿25221工作面的生产实际,提出了大倾角大采高综采工作面煤壁片帮防治措施。     

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...     

“三软”大采高综采工作面覆岩结构及运动规律分析

以潘一煤矿"三软"煤层2141(3)综采工作面开采条件为背景,运用相似材料模拟实验和计算机FLAC3D数值模拟软件,对采高为6m的工作面的覆岩结构及顶底板破坏特征进行观测分析,研究表明:覆岩一般是分层或分组运动,垮落相互叠加;顶板距煤层越远,位移量越小,且具有滞后性;离层出现在应力降低区;垂直应力的峰值位置随着岩层高度的增加向煤壁后方移动,顶板和煤层中的最大垂直应力大于底板中的最大垂直应力;底板的破坏范围最大,并在工作面后方存在拉破坏。     

大倾角煤层群长壁开采承载拱与间隔岩层采动应力演化特征

大倾角煤层群开采过程中，受重复采动影响，采动应力在间隔岩层中的演化规律复杂，揭示间隔岩层采动应力传递与三向应力状态演化特征是实现该类煤层群绿色高效开发的核心。采用物理相似材料模拟实验研究了大倾角煤层群长壁开采围岩变形破坏的演化特征，采用数值模拟分析了围岩采动应力传递演化规律，揭示了间隔岩层三向应力状态演化特征，量化表征了第1主应力大小渐变、方向偏转的演变规律。研究结果表明：大倾角煤层群开采过程中，间隔岩层历经了“原岩应力状态-上煤层开采卸压-矸石非均衡约束-下煤层开采卸压”的扰动历程，最终产生非对称变形破坏。间隔岩层的破断失稳将使得上、下工作面开采过程中各自形成的承载拱演化成包络2个工作面在内的“大范围”承载拱，其承载拱上拱脚位于下工作面回风巷，下拱脚位于上工作面的运输巷，控制岩层变形破断内在的“大范围”应力传递拱壳亦呈现出类似的演化特征。低位间隔岩层受采动影响程度剧烈，应力释放程度较大；中位岩层压、拉状态发生改变的位置较低位向倾向下部偏移；高位岩层压、拉状态产生改变的位置位于上层煤底板临空面位置处，岩层由三向受压状态转化为单、双向受压状态。间隔岩层沿工作面倾向自下而上可分为上层煤增压...     

煤柱下煤层巷道围岩变形破坏机理

针对寨崖底矿煤柱下回采巷道失稳问题,通过理论分析、数值模拟和现场实测等方法,分析了寨崖底矿煤柱下煤层巷道的破坏机理。得出了上煤层工作面回采后,遗留煤柱底板应力分布规律。发现煤柱下煤层高应力集中区围岩受工作面采动动载高应力扰动出现垂直应力峰值增大、应力集中区范围增加、非对称应力场,是此类巷道大变形破坏的根本原因,且预测采动影响范围为工作面前方60 m至后方130 m。     

大倾角煤层开采围岩的力学行为研究

针对大倾角工作面上覆岩层运动和破坏特征、支承压力分布规律及其对开采的影响,以走向长壁大倾角综采工作面为工程背景,采用现场实测、理论建模及数值模拟等方法,研究了大倾角煤层开采顶板岩层的断裂机制,以及大倾角煤层煤壁前方和采空区倾向的最大应力集中系数、支承压力塑性区范围、顶板的来压步距、顶底板的位移量等特征。在获得大倾角煤层开采矿压特征基础上,提出工作面支架稳定性、设备防滑以及来压期间采场围岩的控制技术。对减少煤矿顶板事故、提高大倾角煤层开采的安全性具有一定的指导意义。     

深部倾斜煤层采动底板破坏演化特征分析

为研究深部倾斜煤层底板破坏特征及破坏深度,以羊东煤矿8469工作面为研究对象,采用理论分析、数值模拟和现场实测相结合的方法,对煤层采后底板应力分布规律、塑性区发育特征及破坏深度进行了研究。通过数值模拟与理论分析可知:煤层开采后,作用在周围煤岩体上的支承压力产生不同的应力分区。沿煤层走向方向,应力呈对称性变化,形状近似马鞍状,在工作面两端处产生应力集中;沿煤层倾向方向,倾斜剪切力的存在使底板岩体由采动破坏转变成滑移破坏,塑性破坏区和应力变化大致呈勺型分布形态,最大应力集中区出现在工作面下侧。随着工作面向前推进,底板破坏范围相应增大,但推进255m后,破坏深度不再增加。现场实测表明,底板浅部岩层最早受到扰动,且受到的扰动程度最高。扰动范围随最大注水量的减少而增加,在底板下25m范围内的岩层受影响较小。由此可知,该工作面底板破坏深度为25.0～29.2m。     

基于滑移线场理论的巷道底鼓机理与防治技术研究

基于滑移线场理论对巷道底板岩层建立滑移线场模型,以山西焦煤回坡底煤矿1021巷为工程背景,研究了巷道非对称性底鼓机理,并提出了合理的底鼓防治技术.研究结果表明,巷道底板滑移线应力场中存在均匀应力场与非均匀应力场,从两帮往巷道中心线处,底板应力逐渐减小;底板滑移线主动区速度垂直向下,过渡区受主动区挤压而发生旋转并挤压被动...     

采高对煤层底板破坏深度的影响

随着埋深增大,原底板破坏深度经验公式对不同采高工作面底板破坏深度的预计误差增大。以赵固二矿为背景,通过有限元数值计算方法对底板破坏规律进行研究、采用矿井对称四极电剖面法对不同采高底板破坏深度进行实测并运用Spass软件对4个底板采动破坏影响因素与底板破坏深度的关系进行多元统计回归分析。研究得出,煤层埋深较大时采高对底板破坏深度的影响明显;随着采高的增大,底板垂直应力减小,围岩竖直位移增大,位移等值线梯度减小,底板破坏深度增大;考虑采高因素的底板破坏深度线性回归公式对煤层开采工作面底板破坏深度的预计准确率高,适用性强。     

急斜工作面支架稳定性分析

随着急倾斜工作面采矿活动的进行,工作面在倾斜方向会产生底板破坏滑移。根据倾斜砌体结构理论,支架在倾向正压状态下,以及受到底板滑移破坏作用会发生失稳。为研究该种失稳方式,借助边坡失稳问题分析方法,求出底板安全系数F。在安全系数F1情况下,分析工作面支架在倾向正压以及底板破坏滑移共同作用下的失稳模式。得出支架滑移和顺向倾倒两种失稳模式。采用数值模拟分析急倾斜工作面底板破坏滑移区域,发现底板应力主要集中在工作面中上部,并且当倾角越大,工作面底板破坏越严重。研究结果表明,工作面中上部是支架在倾向正压及底板滑移共同作用下发生失稳的高发区。     

倾斜煤层软岩巷道底鼓机理分析及控制技术

 以清水营煤矿110202工作面辅助运输巷为研究对象,分析倾斜煤层巷道底鼓的主要因素,并根据巷道外接圆理论和郎肯土压力理论,建立倾斜煤层巷道底鼓力学模型,推导出倾斜巷道底板围岩压力公式,得出倾斜巷道底鼓力学机制：巷道顶板和两帮松动岩体的垂直应力向底板传递产生水平挤压应力,在底板形成主被动塑性区,被动塑性区内的底板围岩压力大于围岩强度时,底板破坏并向巷道临空区移动,形成底鼓。提出倾斜煤层巷道底鼓控制的“顶板—两帮—底板”系统结构支护方式,并运用到清水营煤矿110202工作面辅助运输巷,数值模拟结果显示：该方法能够有效的控制倾斜煤层巷道底鼓的发生。     

急倾斜特厚煤层水平分段开采煤岩应力演化规律数值模拟研究

急倾斜特厚煤层赋存条件非常特殊,为揭示急倾斜特厚煤层开采过程中灾害的致灾机理,基于COMSOL Multiphysics数值模拟软件对乌东煤矿45~#急倾斜特厚煤层水平分段开采条件下,岩体及煤体的应力演化规律进行数值模拟研究,研究结果表明:煤层顶板附近的岩层应力较大,靠近煤层底板处的岩层应力变化不大;覆岩局部区域内产生了应力集中现象;工作面煤体的应力集中多分布在靠近顶板处的煤体,而靠近底板处的煤体其应力集中程度较顶板小;工作面煤体的轴向应力的分布分为塑性区、弹性区和原岩应力区三个区,工作面煤体沿走向方向上的侧向应力随距离工作面的距离增加而减小。     

急倾斜煤层大段高综放开采围岩变形监测研究

为研究急倾斜煤层大段高综放开采条件下围岩变形破坏的规律,对新疆碱沟煤矿+564m水平22m大段高工作面回采巷道、顶底板及顶煤体进行了围岩变形量监测。监测表明:工作面前方20m范围内,回采巷道顶底板变形量明显大于两帮变形量,但均在可控范围内;不同层位顶煤体完全垮落时距煤壁距离不同,从而保证支架在走向方向上承受上方顶煤体完全破坏后的部分压力;顶底板岩层的垮落区域均位于煤壁较后方采空区内,避免了工作面区域围岩大范围垮落的影响。研究为大段高开采条件下工作面的安全高效生产提供了基础依据,并为进一步提高工作面分段高度作了有益的尝试。     

断层影响下底板应力分布和破坏分析

采用FLAC5.02D数值模拟软件模拟了煤层开采过程中断层对底板应力峰值与塑性区变化的影响。对不同断层倾角,断层刚度和底板水压下底板应力峰值和塑性区变化进行了分析,同时根据现场实测,对有无断层条件下破坏深度进行对比。断层倾角越小,底板应力峰值越高,底板破坏区范围越大;断层倾角越大,底板破坏区范围越小,最终发展为“X”型。断层刚度的增加,没有对底板塑性区产生明显的影响,只是从断层带一侧改善了底板突水通道。随着底板水压的增大,塑性区范围没有明显变化,底板应力峰值的波动程度也不大。无断层存在,底板破坏深度为0~17 m;断层带的存在使底板破坏深度增大了135%。