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。     

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。     

大倾角大采高工作面顶板结构研究

为得到大倾角煤层倾斜方向顶板结构及失稳特点,以河北某矿大倾角大采高的704工作面为背景,建立了工作面顶板结构模型,结合FLAC3D、UDEC数值模拟结果得到结构失稳特点:顶板拱结构在工作面的中上部的剪切力最小,最容易发生滑落失稳来压,顶板的破坏是从工作面中上部开始并逐渐向下发展的。现场支架工作阻力实测数据表明:来压期间工作面中上部应力变化大于两端;来压时上部、中部、下部支架阻力值分别增加22.4%、21.4%、18.3%。     

大倾角工作面顶板结构特征及支架阻力确定

针对大倾角煤层采场围岩难以控制这一难题,以3313工作面为背景,理论分析了工作面倾斜方向上采场顶板结构,采用FLAC3D数值软件分析了不同推进距离下工作面矿压显现规律,结合采场顶板结构特征对支架工作阻力进行了计算。研究表明:上端头顶板首先产生拉剪破坏,导致沿倾向由下至上可划分为稳定区、弯曲下沉区和易失稳区;工作面上部应力集中系数为1.95,中部应力集中系数为1.88,下部应力集中系数为1.74,工作面中上部矿压显现剧烈;顶板来压时工作面支架工作阻力呈现出上部中部下部的规律,并确定了支架工作阻力为6 000 kN。     

大倾角大采高综采面顶板矿压观测分析

大倾角大采高工作面顶板矿压显现规律与一般综采面有较大区别。本文通过在1901S综采面上、中、下选择3组支架,观测支架初撑力及工作阻力变化情况,同时在工作面顺槽布置测点,观测工作面超前支承压力。观测结果表明:大倾角大采高综采面周期来压压力分布不均匀,动载系数上部最大,中部次之,下部最小;顶板的压力大小与工作面的推进速度呈反比;回风巷受顶板压力范围大于运输巷等。观测结果为后期工作面回采的巷道支护、支架防倾斜管理工作提供了技术支持。     

大采高综采工作面过断层技术研究

大采高综采工作面采高大、液压支架重心较高,当回采过断层期间遇到煤层倾角变化、与顶板接触不良或者顶板垮落等问题时,容易出现支架压架甚至失稳等情况,从而制约煤炭安全回采。以13205大采高综采工作面开过F12断层为例,针对采面90～105号支架顶板及煤壁稳定性差、液压支架接顶不良以及冒顶、片帮发生率较高等问题,提出综合使用罗克休、马丽散对冒顶及围岩岩体不稳定性区进行治理。现场应用后,液压支架与顶板接触良好、工作阻力始终在正常范围内,取得较好的应用效果。     

大倾角大采高破碎顶板工作面回采施工工艺研究

长平公司制定完善的大倾角大采高破碎顶板工作面回采方案,采用磨机头、单向顶溜、打戗柱、工作面伪倾斜推进等多种措施,解决了4314大采高工作面因机头机尾高差过大、工作面顶板伪顶破碎严重等因素造成的刮板输送机前窜、支架歪斜度超标、支架挤架咬架等难题,为工作面的顺利回采提供了可靠保障。     

厚硬顶板下大倾角软煤开采灾变机制与防控技术

针对潘四东煤矿11513大倾角工作面煤壁片帮、支架滑移倾倒和顶板大面积来压问题,通过理论分析、数值模拟和现场实测的研究方法对厚硬顶板下大倾角软煤开采的灾变机制和防控技术开展研究。研究结果表明:在厚硬顶板下大倾角软煤开采初期,围岩塑性破坏主要集中在煤壁和底板岩层;邻近工作面区域煤岩体位移表现出煤壁挤出位移量>底板鼓起位移量>顶板下沉位移量的特征;由于厚硬顶板的存在,随工作面推进距离的增大,煤壁挤出位移量逐渐增大,煤壁片帮失稳的概率倍增。根据厚硬顶板下大倾角软煤开采围岩位移和变形破坏特征,结合现场观测提出厚硬顶板下大倾角软煤开采2种灾害模式,一是以“片帮-冒顶”为主导,诱发“支架-围岩”系统发生大范围失稳的动态互馈的时发性灾害,二是厚硬砂岩破断诱发冲击动力显现的瞬发性灾害。基于厚硬顶板下大倾角软煤开采灾变机制,采用厚硬顶板深孔预裂爆破初次放顶技术,控制厚硬顶板运动;采取煤壁注浆加固、支架防倒防滑以及“铺金属网+工字钢”辅助液压支架管理破碎直接顶等措施,防治煤壁片帮和破碎顶板漏冒,保证“支架-围岩”系统的稳态工作。通过对支架工作阻力和煤壁片帮统计分析发现,11513工作面采取系列防治措施后,煤壁得到有效控制,初次来压时,支架工作阻力较为富裕,安全阀开启较少且支架无明显倾倒滑移现象,实现了厚硬顶板下大倾角软煤的安全高效开采。     

大倾角大采高采场倾向梯阶结构演化及稳定性分析

以大倾角煤层长壁大采高采场为研究对象,运用数值模拟、相似材料模拟、现场实测和理论分析相结合的手段,揭示了大倾角大采高采场顶板结构形成与演化特征,分析了顶板结构与支架、煤壁及垮冒矸石的相互作用特征。结果表明:大倾角煤层大采高采场空间尺度较一般采高大倾角煤层采场大,垮落顶板向工作面倾斜下方滚、滑特征更为活跃,充填压实程度高,工作面倾斜中、上部顶板岩层破坏运动空间增大,易形成跨层位、大尺度、非对称的空间梯阶状岩层结构。其中,高位梯阶岩层结构周期性破坏具有强度大、步距小、周期短、有冲击性等特点,其对采场低层位岩层、支架和煤壁的稳定性有明显影响。该结构受到切向力和法向力共同作用,且具有拉伸、压剪和复合型失稳模式,易造成工作面倾斜上部支架受载多变、中上部高煤壁片帮。     

煤矸互层顶板大倾角大采高工作面覆岩活动规律相似模拟研究

为了弄清煤矸互层顶板大倾角大采高工作面覆岩活动规律,以新疆焦煤集团25213工作面为工程背景,采用物理相似模拟实验方法研究了煤矸互层顶板大倾角大采高工作面覆岩活动规律。研究结果表明:25213工作面来压步距的变化范围为8~17m。与同倾角条件下的坚硬顶板大倾角大采高工作面相比,工作面来压步距较大,覆岩垮落形成冲击载荷的量级较大,工作面支承压力分布平稳且较大,上、下端煤柱支承压力峰值均较小。沿煤层高度方向,该工作面下位岩层运移量大于上位岩层;沿煤层倾向,该工作面中上部区域覆岩运移量大于下部区域。     

大倾角煤层大采高采场基本顶时序性破坏机理

大倾角煤层大采高工作面基本顶时序性破断,致使工作面时序性来压,不同区域支架承载状态异化,围岩控制难度及生产风险增加。为弄清基本顶时序性破坏机理,综合采用现场实测、理论分析等法,对基本顶时序性破坏特征,工作面不同区域承载结构,基本顶周期性垮落长度等情况进行研究。结果表明:大倾角工作面基本顶时序性破坏特征为先中部、次上部、后下部,破断岩体(矸石)非对称充填采空区,使得工作面不同区域内矸石对覆岩力学效能不同,形成分区式力学承载结构,基本顶处于不同强度的力学环境中,不同强度力的作用导致基本顶垮落步距不同,从而发生时序性破坏。     

大倾角伪俯斜采场顶板运移规律实验研究

为研究大倾角伪俯斜采场顶板垮落运移及其与支架相互作用关系。采用大比例三维物理相似模拟实验和数值计算相结合的研究手段,深入分析了伪俯斜采场初采阶段和正常回采阶段顶板应力演化与变形破坏规律,垮落顶板充填特征以及"支架-顶板"相互作用规律。结果表明,大倾角伪俯斜采场顶板应力分布与位移具有非对称性,顶板具有非对称"O-X"破断特征,且具有明显的时序特征,其中"O"破断顺序为:采空区侧边界—采煤工作面侧边界—上部边界—下部边界;"X"破断顺序为:工作面倾斜上方基本顶先发生破坏,随后基本顶沿顺时针方向依次破断。顶板周期性来压与垮落均具有分区特性与时序性,沿走向工作面各个区域顶板的垮落位置与支架相对位置不同,其中,工作面倾斜中部支架直接受到垮落顶板的作用,具体为"砸—压—推",而倾斜上部与下部垮落顶板仅在下滑过程中对支架产生倾向向下的推力,未出现明显的砸、压现象,上部作用最弱,破断顶板使支架发生不同程度的"倒"、"扭"现象;垮落顶板对采空区的充填可分为4个阶段,各个阶段交替转化的过程对工作面中、下部支架的稳定性产生了影响,矸石堆积区最终沿走向形成充填稳定区域与动态运移区域。为大倾角煤层伪俯斜采场岩层控制提供科学依据,也丰富了大倾角煤层采场岩层控制理论。     

整体顶梁支架在大倾角煤层开采中的应用

由整体顶梁组合液压支架组成的支护系统应用于长沟峪煤矿大倾角煤层开采中。经过近9个月的生产实践表明,整体顶梁组合液压支架基本上能够适应长沟峪煤矿大倾角煤层开采需要。针对生产实践中发现的矸石冲击支柱的问题,发明了门插式档矸板。     

大倾角煤层覆岩断裂高度影响因素的数值分析

 基于对大倾角煤层开采特点的分析,认为在工作面长度一定的条件下,煤层倾角、顶板岩层强度、开采高度是大倾角煤层开采顶板断裂高度的主要影响因素。对上述影响因素进行正交试验,对模拟结果进行单因素极差分析与多元线性回归分析,得出各因素对断裂高度的影响程度,依次为：岩层倾角>顶板岩层强度>采煤高度,得出大倾角煤层开采顶板断裂高度的回归公式。最后用回归公式与相似模拟实验数据进行对比验证,表明数值模拟结果的合理性。     

大倾角煤层变角度综放工作面开采覆岩运移规律

大倾角煤层变角度综放工作面受倾角变化的影响,覆岩运移、矿压显现规律更为复杂。针对枣泉煤矿大倾角煤层120210变角度工作面综放开采条件,采用物理相似模拟实验和现场监测方法,对比研究了大倾角煤层变角度工作面和单一角度工作面综放开采覆岩运移规律。研究表明:120210工作面受不同倾角的影响,覆岩运移规律较单一角度工作面差异大,上部区域倾角26°,覆岩运移特征表现出倾斜煤层开采的特征,基本顶以"悬臂梁"结构形式发生破断运动,顶板平均压力23.7 MPa,分布均匀;下部区域倾角44°,覆岩运移特征表现为大倾角煤层开采特征,顶板垮落的矸石沿倾斜滑移充填采空区,顶板平均压力29.5 MPa,分布不均、变化范围大;中部区域过渡段覆岩运移既有倾斜煤层又有大倾角煤层开采特征,顶板平均压力27.15 MPa,分布较均匀,是两者转换的关键区域。根据工作面不同倾角区域覆岩运移、矿压显现特征提出大倾角煤层变角度综放工作面开采围岩控制原则,并依据此原则提出工作面分区域顶煤放出量控制方法。     

Ground pressure law of fully mechanized large cutting height face in extremely-soft thick seam and stability control in tip-to-face area

When stepped coal getting technology was applied to high seam mining working face, with field observations the following aspects of working face were analyzed based on the inherent conditions of extremely soft thick seam mined by Liangbei Mine, such as the brokenness and activity law of rock seam in the working face, the law of load-bearing of its supports, and the instability character of coal or rock in tip-to-face area. The following are the major laws. Pressure intensity of roof in high seam mining with extremely soft thick seam is stronger than one in slicing and sublevel-caving as a whole. But the greater crushing deformation of coal side makes pressure intensity of roof in the middle of working face be equivalent to one in sublevel-caving. In the middle of working face the roof brokenness has less dynamic load effect than roof brokenness in the two ends of working face. The brokenness instability of distinct pace of roof brings several load-bearings to supports. In condition of extremely soft thick seam, the ratio of resistance increment of supports in two ends of working face is obviously greater than that of supports in the middle. Most sloughing in coal side is triangular slop sloughing caused by shear slipping in high seam mining with extremely soft thick seam. Ultrahigh mining is the major reason for roof fall. Instability of coal or rock in tip-to-face area can be controlled effectively with the methods such as improving setting load of supports, mining along roof by reinforcing floor and protecting the immediate roof in time, and so on.     

急倾斜煤层伪俯斜走向长壁工作面煤壁破坏机理

急倾斜煤层走向长壁工作面煤壁和底板容易发生破坏,严重影响工作面的正常推进。通过理论建模、底摩擦实验、数值计算等方法,研究了煤层顶板破断与冒落矸石滑动特征,揭示了不同煤层赋存和开采条件下煤壁破坏机理,并提出了防治煤壁破坏与底板滑移的具体措施。研究发现:急倾斜煤层走向长壁工作面顶板冒落的矸石会对采空区形成不同程度的充填,自下而上依次为“密实充填段”、“不均匀充填段”、“非充填段”3段,而工作面中上部区域由于充填不充分,动压现象明显,容易造成严重的煤壁片帮和底板滑移现象,支架的工况随之也会变差,成为整个工作面围岩稳定性最脆弱的区域,严重影响到工作面的安全高效生产,是采场围岩控制的重点区域;工作面底板稳定性显著影响煤壁的稳定性,实际生产中发现,在煤层赋存和开采条件不同时,煤壁破坏一般会呈现出“塑性-流动”、“挤出-滑移”、“剪切-滑移”3种破坏模式;工作面采用伪俯斜布置不仅可以显著提高煤壁和底板的稳定性,也可以有效阻止液压支架倾倒和下滑,还可以避免工作面飞矸发生,配合整体推刮板输送机和“柔性加固煤壁”等技术可以实现急倾斜煤层走向长壁工作面安全高效开采,有效解决急倾斜煤层机械化开采所面临的一系列岩层控制难题。