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。     

大倾角煤层长壁大采高采场煤壁片帮机制

煤壁片帮是大采高采场普遍性开采技术难题,而大倾角条件下大采高采场煤壁片帮特征及其发生机理更为复杂,为弄清该类采场煤壁片帮机制,采用现场实测、数值计算及理论分析法,对大倾角煤层大采高采场煤壁片帮特征、影响因素、片帮机制进行研究。结果表明:大倾角大采高采场煤壁片帮具有交替演变,不同区域形式不同,片滑、回转外片等特征;采高、伪斜角、煤体力学特性与煤壁稳定性密切相关,采高、伪斜角一定范围内越大,煤体强度越低,煤壁片帮几率及程度随之增加,而25221工作面煤壁强度低、含夹矸、高度大,自稳性差,采高及伪斜角大且不断变化,导致顶压作用强度增加,加之重复性动态荷载扰动,复合因素叠加作用促使大倾角大采高采场煤壁发生片帮。     

大采高顶板控制模型及支架合理承载研究

运用"传递岩梁"理论建立了大采高采场结构力学模型,探讨了大采高采场的覆岩结构及运动规律,修正了大采高下直接顶及基本顶概念,确立了支架载荷的计算方法.研究表明:"给定变形"状态,支架缩量应大于顶板下沉量;"限定变形"状态,支架阻抗力与岩梁位态有关.采高增大,直接顶厚度可能大幅度增加,直接顶中出现大跨度悬顶坚硬岩层的几率增大.影响采场矿压显现的"传递岩梁(基本顶)"范围相对减少,相关"岩梁"距采场的高度增大.准确地确定悬顶位置、厚度及可能的最大悬跨度是大采高采场顶板控制设计及支架选型计算的关键.     

大采高采场力学模型及支架工作状态研究

以大采高岩层运动及应力分布规律为核心,运用“传递岩梁”理论对大采高综采工作面上覆岩体破断类型及其平衡结构进行分析,研究建立了大采高采场结构力学模型,探讨了大采高采场的覆岩结构及运动规律,详细分析了“给定变形”、“限定变形”两种力学状态下支架工作荷载即缩量确定方法,修正了大采高下直接顶及基本顶概念,确立了支架载荷的计算方法。研究表明：采高增大,直接顶厚度可能大幅度增加,直接顶中出现大跨度悬顶坚硬岩层的几率增大。影响采场矿压显现的“传递岩梁（基本顶）”范围相对减少,对采场矿压有明显影响的岩梁距采场的高度增大。准确地确定悬顶位置、厚度及可能的最大悬跨度是大采高采场顶板控制设计及支架选型计算的关键。     

大采高工作面支架阻力确定及顶板运移规律的采厚效应分析

针对大采高工作面顶板运移规律及工作面支架阻力确定问题,以某矿15101工作面为工程背景,建立了采场力学模型,对支架的工作阻力进行了合理确定。采用理论分析和UDEC数值模拟,研究了大采高工作面顶板运移规律。研究结果表明:随着大采高采场的不断推进,顶板破断后,基本顶形成"砌体梁"结构;在不同采高下,随着采高的增加,工作面的初次来压步距也随着加大,顶板稳定性变差,顶板压力增加,超前支承压力增大且峰值前移,影响范围增加,矿压显现更加强烈;15101工作面的初次来压步距为35.12 m,工作面支架的额定工作阻力为9 100 k N。     

大采高综采工作面上覆岩层移动规律及围岩控制研究

通过大采高采场的覆岩结构、力学模型、应力分布数值模拟、结合相似材料物理模拟试验等手段,揭示了大采高综采工作面围岩移动变形规律和矿压显现规律,提出了工作面推进过程中顶板管理、煤壁片帮控制等关键技术方案,为支架工作阻力确定及架型选择提供依据,为建成年产1 000万t综采示范工作面奠定技术基础。     

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。     

大采高采场周期来压顶板结构稳定性及动载效应分析

为提高大采高采场围岩控制效果,采用相似模拟、理论分析及现场实测手段对顶板结构稳定性及动载冲击效应产生机理进行了研究。结果表明:大采高采场初次来压、周期来压期间基本顶形成类似的静定三铰拱结构,结构失稳后,对工作面支架产生影响的岩层范围增加,引发采场来压和顶板动载冲击现象;得到周期来压期间基本顶结构的极限承载能力、回转失稳极限位置、滑落失稳危险点及失稳发生条件;根据能量守恒和动量定理推导出基本顶结构不同失稳类型条件下冲击用时和冲击作用力的解析表达式,揭示了动载效应产生机理,并对8101工作面动载冲击现象进行了分析。     

浅埋煤层大采高工作面支架合理初撑力确定

针对浅埋大采高工作面煤壁片帮控制问题,以陕北某矿大采高工作面为背景,采用理论分析、数值计算和物理模拟相结合的方法,研究了支架初撑力对煤壁稳定性的影响规律。基于"支架-煤壁-顶板"采场结构力学模型,发现支架初撑力的提高,能快速提升支架工作阻力,有效减小煤壁受力,减轻煤壁片帮程度及发生的概率。数值模拟表明:随着初撑力的增加,煤壁塑性区范围减小,煤壁水平位移和顶板下沉量减小,煤壁片帮减轻。考虑大采高工作面等效直接顶静载作用和高位台阶岩梁结构的稳定性,按照控制等效直接顶和保持与额定工作阻力的合理比例关系,给出了基于片帮控制的合理支架初撑力确定方法。     

大采高工作面采高的合理确定研究

大采高工作面煤壁片帮是影响安全生产的关键问题之一,随着采高的增加,工作面煤壁前方片帮概率越来越大。通过运用FLAC3D软件模拟分析煤壁前方塑性区及顶板下沉量来选取合理的采高,选择合理的支架参数以增加煤壁顶的支护强度,减小支架和煤壁区域拉应力区的范围,降低煤壁片帮率,达到高产高效的目的。     

岩浆岩侵入条件下普采工作面顶板控制与实践

某矿首采普采工作面受岩浆岩侵入,矿压显现强烈。在对工作面进行矿压观测的基础上,总结分析了其采场矿压显现特征,提出"切顶排加强支护结合人工强制放顶"的方法处理顶板,并对强制放顶效果进行了分析和优化。     

金源煤矿回采面顶板垮落特征及支护参数分析

通过数值分析,研究得到回采面顶板沿走向、倾向以及不同工作阻力垮落、冒落特征及工作面矿压显现规律,确定了工作面的合理支护参数,为工作面顶板控制及矿井的安全高效回采提供了依据.     

大倾角“三软”煤层工作面支护设计的研究

依据现场实测结果和大倾角煤层开采的特点，建立了与支护有关的围岩不同力学结构模型；在此基础上，分析了大倾角“三软”煤层工作面矿压显现特征和其对工作面支护的影响，提出了工作面支护设计的原则、方法以及采用后的效果。     

7.0m支架综采面矿压显现规律研究

基于神东矿区补连塔煤矿22303工作面矿压实测结果,对世界首个7.0 m支架综采面不同开采阶段的矿压显现规律进行了总结,并结合神东矿区各类大采高综采面的矿压显现,对比分析了不同采高综采面矿压显现规律的差异。结果表明:上覆遗留煤柱区下开采时7.0 m支架工作面矿压显现正常,但在临近推出煤柱区时,工作面内煤壁片帮现象严重,直接导致刮板板输送机被压死。而长壁采空区下开采时,7.0 m支架工作面在煤层间单一关键层结构和2层关键层结构区域呈现出不同的矿压显现。煤层间单一关键层结构区域,关键层距离煤层越近,矿压显现各项参数(除来压步距外)越大;而在煤层间2层关键层结构区域,工作面来压步距及动载系数呈现出大小交替的周期性变化规律,且大来压步距对应小动载系数。通过对比7.0 m支架综采面与神东矿区其它几个大采高综采面的矿压显现规律发现,随着采高的增加,支架支护强度缓慢增加,而动载系数随之减小,且采高越大、亚关键层1距离煤层越近,越易形成亚关键层1的"悬臂梁"结构,从而来压持续长度越长。     

南梁厚土层浅埋单体长壁工作面矿压规律实测分析

在南梁煤矿首采工作面20105采前实验研究的基础上进行了现场观测，实测了活柱的下缩量、工作面顶板的移近量、顶板的来压强度以及巷道变形破坏参数，总结了厚土层覆盖层浅埋煤层单体长壁工作面的矿压显现规律．实验和观测表明，厚土层覆盖浅埋煤层工作面初次来压步距大，矿山压力显现剧烈，周期来压台阶下沉量大．针对目前顶板的支护状况和顶板灾变危险，提出了提高支柱初撑力等改善措施，为实现厚土层覆盖浅埋煤层单体长壁工作面安全开采提供了可靠依据．图7，参8．     

大空间采场覆岩结构特征及其矿压作用机理

特厚煤层开采形成的采场空间大,覆岩扰动范围广,采场顶板来压具有明显的大小周期来压及强矿压显现特点。大空间采场覆岩扰动层位多、岩层间作用机制复杂,顶板破断块体间的作用力及方向多变,导致大空间采场覆岩结构理论分析存在较大难度。为从理论上揭示特厚煤层大空间采场覆岩结构特征及其矿压作用机理,在实测分析得到大空间采场覆岩结构特征基础上,基于能量变分原理建立了大空间采场覆岩结构力学模型,揭示了大空间采场覆岩结构的矿压作用机制;建立了大空间采场覆岩结构条件下的“煤体-支架”协同承载模型,得到了采场支架围岩的相互作用关系。研究表明,特厚煤层开采形成的大空间采场覆岩具有显著的“低-中-高”层位结构特征,是采场复杂矿压显现的直接诱因,“中-低”位顶板结构失稳形成采场大小周期来压,高位顶板结构的失稳联动是诱发大空间采场强矿压显现的主要因素;覆岩结构的失稳运动还受到采空区矸石支撑、顶板有效位能作用及高位顶板悬长等的制约,是采场来压强弱的重要影响因素;大空间采场条件下“煤体-支架”协同承载,所得理论研究成果与基于实测反演分析得到的支架围岩关系研究结论具有较好的一致性,验证了大空间采场覆岩结构理论的正确性。     

彬长矿区坚硬特厚煤层综放面矿压显现特征

为了确保矿区坚硬特厚综放开采条件下安全生产,采用物理相似模拟和现场观测的方法,对综放工作面覆岩移动、矿压显现特征进行了分析研究,总结了坚硬特厚综放工作面矿压显现特征.研究结果表明,工作面来压过程中覆岩破坏范围大,支架载荷较大并具有一定的瞬时冲击性,矿压显现剧烈.可为坚硬特厚煤层综放工作面矿压显现规律的认识和顶板管理提供借鉴.     

锚杆锚索支护巷道层状顶板变形特征及离层监测研究

从分析层状顶板离层特征和顶板离层观测的原理入手,结合现场观测结果,认为两基点离层指示仪的深浅基点应分别设置在与巷道顶板锚索锚杆上端头同一水平位置;各类回采巷道在经受工作面采动影响时,安设深基点的顶板岩层都将产生位移,因此,对锚杆锚索支护巷道进行顶板离层观测的同时,还必须开展巷道顶板下沉量观测,只有把这2种观测结果结合起来,才能准确和客观地评价巷道锚杆锚索支护效果以及巷道的稳定性。在全面分析研究不同顶板岩层赋存条件下锚杆锚索支护巷道的变形与离层的基础上,得到了各类巷道顶板离层的临界值。     

大跨度巷道顶板层面剪切失稳机理及支护方法

针对煤层巷道顶板的层状特征,基于梁的受力-变形原理和岩体粗糙结构面剪胀原理,分析大跨度巷道薄层状顶板结构在整个失稳过程中的受力特征和位移特征,揭示了大跨度巷道顶板结构在失稳过程中依次存在两端固定梁结构特征和三铰拱结构特征2个阶段,以及顶板岩层层面相对滑动是导致巷道顶板结构失稳的原因之一;在建立结构平衡条件的基础上给出了顶板基本结构的失稳判别条件;根据失稳判别条件提出了巷道顶板的锚固支护方式及相应的锚固强度计算公式。研究表明:岩层沿层面的滑动是引起巷道顶板岩层结构的失稳原因之一,层面的滑动引起剪胀效应和结构受力效应共同作用引起顶板岩层变形破断以致形成三铰拱结构;当巷道顶板岩层未发生破裂时,巷道顶板支护的重点是提供锚固应力维持层面满足不滑动条件。     

复杂条件综放工作面矿压显现特征

根据乌兰煤矿3^#煤层5343综放工作面的复杂开采条件，采用现场矿压观测和数值模拟方法，对该工作面的矿山压力显现特征进行研究．结果表明，工作面顶板初次来压步距24．2m，周期来压步距9．41m，来压期间支架最大平均载荷2775．5kN／架，支架的侧向挤压力较大，工作面片帮冒顶严重，工作面顶板管理难度大．由于受顶板稳定性较高和煤层倾角较大的影响，与一般的松软煤层综放工作面相比，该工作面的矿山压力显现相对比较剧烈，顶板来压强度较大，工作面存在明显的周期来压现象．