大倾角大采高开采支架动载失稳机理及控制

动载下支架（群）稳定性控制是大倾角煤层开采难题之一，以大倾角大采高综采工作面支架为研究对象，采用现场实测、物理模拟、理论分析和数值模拟等研究方法，总结了大倾角大采高坚硬顶板工作面典型动载的特征，分析了支架在多维动载作用下的失稳机理，提出支架动态稳定性控制对策。结果表明：周期来压时大倾角大采高工作面对支架顶梁或掩护梁易产生来压动载，来压时垮落顶板易产生正压冲击型动载和后推冲击型动载，垮落矸石滑滚易造成架间（侧推）动载。给出了不同影响因素下支架下滑和转动基本运动模式及其耦合状态的动力学方程，得出了支架转动（倾倒趋势）和架间作用力随着顶板法向载荷的减小、顶板切向载荷的增大、顶板偏载程度的增大和采高的增大而增大。数值模拟表明：在正压冲击作用下，支架后柱受载大于前柱；后推作用下，立柱底部受载大于中上部；架间作用时，同一支架内上部立柱受载大于下部，上方支架受载大于下方支架，且均具有明显的非对称受载特征。基于研究结论，提出了坚硬顶板超前周期性爆破弱化、降低底板比压、增设双向侧推装置、采用擦顶带压移架等措施，现场实测表明有效降低了动载对支架稳定性的影响。     

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%。     

大倾角大采高煤矸互层顶板失稳规律及对支架的影响

为研究大倾角大采高煤矸互层顶板失稳规律及对支架的影响,以新疆焦煤集团2130煤矿25213工作面为研究对象,采用物理相似模拟实验、Rhino+Kubrix+FLAC 3D相结合的数值模拟及现场实测的方法,深入分析了大倾角大采高工作面不同夹矸层数、厚度下煤矸互层顶板失稳规律与顶板-支架相互作用特征。结果表明,煤矸互层顶板破坏是由于倾斜中部、靠近支架的煤线先产生局部压剪破坏,随之向附近软煤夹层、夹矸扩展,导致顶板非均衡破坏,诱发架前冒顶、煤壁片帮等现象。大倾角大采高煤矸互层顶板工作面支架工作阻力、顶板最大主应力及顶板变形均呈明显的非对称性,且随着夹矸层数增加,支架上方煤矸顶板集中应力影响范围、围岩变形影响范围及塑性破坏范围均有所增大。煤矸互层顶板支架与围岩有顶板与支架正接触、破断顶板作用于支架掩护梁、架间相互作用等3种作用特征。较一般顶板的大倾角工作面,煤矸互层顶板对支架作用力明显减小,支架工作阻力整体呈倾斜中、下部大于上部的特征;支架非对称受载表现为前柱侧向载荷大于后柱,但随夹矸厚度的增加,顶梁受载程度趋于均布化。结合研究结果,提出了缩短空顶时间、分区域控制、超前预爆破及工作面实时矿压监测等一系列大倾角大采高煤矸互层顶板稳定性控制措施,其中,重点控制工作面倾斜中部煤矸互层顶板的稳定性,来保证工作面的安全高效生产。     

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。     

大倾角大采高支架稳态控制失效分析

大倾角煤层走向长壁综采面顶板载荷与支架重力的切向分量随工作面倾角增加而增大,但顶板载荷与支架重力的法向分量却相反,造成支架在斜面上所处的力学环境复杂、稳态控制劣化。特别是采高加大使支架重心增高、煤壁片帮加剧、架前冒顶频发,支架稳态控制难度加大甚或失效而导致支架下滑倾斜加剧或最终群体倾倒。花山煤矿6152大倾角大采高综采面就发生过因支架稳态控制失效而导致支架严重倾倒且难以扶正,工作面生产被迫中断,经济损失巨大。现场实测了支架与工作面倾角,并据此获得支架倾斜程度量化指标值——倾斜度。综合分析结果表明,导致支架群体性倾倒是由煤层倾角增加、采高加大、支架过重、煤壁片帮、架前冒顶、侧护倒置与故障、未用防倒防滑装置、拉架操作不当等多因素共同作用所致。基于大倾角煤层走向长壁工作面矿压显现特征,初步解释了工作面群体支架倾斜度大致呈正态分布现象。     

东庞矿大倾角大采高综采技术与工艺研究

以东庞矿大倾角大采高煤层开采为例,理论分析大倾角工作面矿压规律及支架受力特征,提出了支架稳定性极限开采角的概念。研发了支架模型可加载试验台,相似模拟了支架的宽高比、支架所受载荷。最后现场实测了支架重心位置,得到倾角与重心的关系,从而最终确定了"双向倾斜工作面"5 m大采高综采技术与支架稳定性开采工艺,并在多个工作面推广,取得了巨大经济效益。     

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。     

大倾角综放工作面矿压显现规律研究

大倾角煤层综放工作面的覆岩破断特征与矿压显现规律受倾角大、“三软”和其它地质条件等的影响,会出现支架钻底、煤壁失稳片帮、架间漏顶冒顶和支架咬架倒架等问题,严重影响工作面的安全正常生产。以汾源煤业大倾角煤层5-101综放工作面为研究对象,采用物理相似模拟实验和现场监测方法,分析大倾角煤层综放工作面覆岩运移破断特征、顶板垮落步距及矿压显现规律。研究表明：大倾角综放工作面受采空区矸石充填程度的差异非均衡性,下端头充填密实,基本顶形成“倾向砌体”铰接结构,上端头基本顶作为规则冒落带随割煤推进发生冒落,呈悬顶状态居多;基本顶向工作面正上方延伸扩展发生离层,中下部的上方区域离层量大于其他区域,顶板破断沿工作面倾斜呈起伏状。大倾角综放工作面顶煤松软,支架后柱空顶显现严重,整体压力偏低,正常推采期间支架长期处于低阻力运行状态。大倾角综放工作面不同区域顶板来压频次和强度差异性较大,两端区域顶板来压频次和强度要低于中部区域,工作面矿压显现呈现明显的“时－空－强”非对称特征。     

大采高倾斜煤层综采工作面覆岩活动规律研究

针对马莲台煤矿20501大采高倾斜煤层综采工作面的地质条件,通过数值模拟的方法对工作面不同推进距离和不同煤层倾角时覆岩应力分布规律进行了分析,同时对初次来压和周期来压期间支架工作阻力进行现场监测,结果表明:不同推进距离时,上、中、下三个区段的超前支承应力均随距工作面距离的增大呈现先增大后减小的趋势;随煤层倾角的增大,零应力区的分布面积减小且向工作面上区段移动;初次来压期间液压支架工作阻力发生突增,且支架前立柱工作阻力增幅大于后立柱。     

大倾角煤层俯采工作面矿压显现规律

为了分析大倾角煤层俯采工作面矿压显现规律，以辛置煤矿10 428C工作面为例，在工作面辅运顺槽内布置多个矿压监测断面，收集并分析矿压监测数据。结果表明，随着大倾角煤层俯采工作面推进，顶底板变形量大于两帮移近量，巷道直接顶与基本顶的离层较大；来压期间工作面支架阻力平均值为3 300 kN，平均最大工作阻力为3 800 kN，周期来压步距为34~40 m；工作面支架阻力满足需求。     

澄合矿区5号煤层4m采高综采相似模拟研究

利用相似模拟实验技术,分析了澄合矿区5号煤层4 m采高综采开采覆岩活动规律、工作面矿压基本规律和特征以及对工作面支架载荷的影响,实验得到:采场支架载荷较普通综采面高,老顶来压明显,但不剧烈,冲击载荷小;周期来压期间支架载荷及动载系数大于初次来压期间支架载荷及动载系数,这为确定合理支架工作阻力和提高顶板控制效果提供科学依据。     

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。     

寺家庄煤矿15301大采高工作面矿压显现规律及支架适应性分析

为掌握15301大采高工作面矿压显现规律,通过工作面回采期间现场监测的方式进行顶板运动特征的分析,基于工作面上部、中部和下部液压支架工作阻力的分析结果,得出顶板初次来压和周期来压步距分别35.9~37.2 m和16.0~16.9 m范围内,来压强度呈现出中部大、两端小的特征;通过分析回采期间支架初撑力和工作阻力分布特征,进一步得出ZY12000-30/68D型液压支架总体适应性较好,后续需提升支架初撑力的合格率,确保初撑效果,同时加强对工作面中上部液压支架的管理,防止支架出现压死现象。     

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。     

大倾角煤层采场顶板运动与矿压显现规律研究

双鸭山东保卫煤矿36#大倾角煤层采场顶底板运动直接制约生产安全。通过现场监测,结合计算机数值模拟等理论方法,对大倾角条件下采场顶板运动与矿压显现规律、工作面支架载荷进行了研究。研究结果表明,由于煤层倾角增大,老顶沿倾向会形成一个由断裂岩块铰接而成的拱形结构,工作面中上部与下部载荷比为1.41。     

大倾角大采高“三软”煤层支架防倒装置的设计和应用

大倾角大采高“三软”煤层综采工作面,受特殊的地质条件及大支架自身重力的影响,在回采过程中经常出现支架下滑、倾倒及架间挤、咬现象,严重影响了工作面正常生产,为此,在液压支架上设计了可靠的防倒装置,实现了大倾角工作面液压支架主动、被动防倒防滑功能.     

大倾角松软煤层综放工作面支架倾倒机理研究

基于大倾角松软煤层综放工作面回采过程中支架倾倒频发的工程实践难题,采用现场监测与理论分析相结合的方法对支架倾倒的特征及影响因素进行了研究,并通过建立支架临界倾倒力学模型对支架临界倾倒状态进行了分析。结果表明:在工作面倾斜方向,工作面上部第50号支架空载率达48.26%、循环内载荷减少率达90%、倾倒次数达21次、平均倾倒角度达19°,这些指标均明显大于中部及下部支架;沿倾斜方向自下而上放煤时支架平均倾倒角度为11.3°,自上而下放煤时支架平均倾倒角度为5.7°。支架的稳定性依次为下部、中部、上部;松软顶煤的破碎漏冒以及在倾斜方向的滑移滚动是支架倾倒的主要原因;顶煤的载荷传递能力系数越小支架发生倾倒的可能性越大。     

大倾角软煤综采工作面支架可靠性分析

根据桃园矿实测数据,研究总结了大倾角软围岩综采工作面支架可靠性。总结出大倾角软围岩综采工作面矿压现象规律、来压步距和强度、支架的载荷特征、倾斜方向的压力分布,同时验证了支架的支护效果。