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。     

不同采空区处理方式上覆岩层活动规律研究

运用弹性薄板理论及能量法原则,建立了全部垮落法和全部充填开采顶板断裂前的位移方程。同时,根据相似原理,分别对上述两种方法处理采空区的工作面上覆岩层移动及破坏规律进行模拟研究。结果表明：充填开采与垮落法开采顶板未断裂之前其位移理论模型与试验结果吻合较好,能反映顶板断裂前的移动规律;垮落法开采地面下沉与关键层移动在下沉量及下沉时间上具有同步性;垮落法导致高层位覆岩产生不均匀的水平位移,易产生挤压或拉裂变形,对覆岩整体结构稳定性影响大;充填开采高层位覆岩未产生不均匀的水平位移,同时,充填开采能使覆岩中较低层位的亚关键层转化成主关键层,减小了覆岩应力重分布的范围,能有效地控制地面下沉。     

厚层软岩断顶充填沿空留巷关键参数研究

针对厚层软岩顶板沿空留巷的技术难题,提出厚层软岩顶板断顶充填沿空留巷技术,创建"断顶卸压+巷旁垮落充填"沿空留巷围岩协调控制方法,构建厚层软岩断顶充填沿空留巷数值模型,研究断顶角度和预制裂缝间距对实体煤壁支承应力、巷旁垮落充填体稳定性对覆岩变形规律的影响。研究结果表明:断顶角度为5°时,减小了充填体上方岩层回转变形的空间,减小了剪切破坏区,缓解了采空侧顶板下沉剧烈程度;预制裂缝间隔为1 m时,在工作面后方,顶板岩层预制裂缝能及时扩展贯通,在巷旁形成垮落充填结构,采空侧垮落岩体抑制上覆岩层的弯曲下沉,减弱应力集中,压力变化幅度较小。研究成果在常兴煤业取得成功应用,监测结果显示在工作面后方70～80 m处,围岩变形趋于稳定,顶板没有明显离层、错位现象,巷旁垮落充填体结构稳定。     

大倾角煤层开采覆岩运移规律数值模拟研究

通过对大倾角煤层顶板的破断情况进行力学分析,建立UDEC二维模型,分析不同煤层倾角条件下上覆岩层的运移规律。结果表明:大倾角工作面上部区域顶板比下部更易断裂,且倾角越大现象越明显。受直接顶矸石滑落影响,工作面下部区域基本顶有矸石支撑,采空区上部区域易形成空顶,促进了采空区上端头基本顶的断裂垮落。上覆岩层下沉量随岩层倾角增大而逐渐减小,在煤层倾角大于40°后发生突变,上覆岩层下沉曲线由"V"形变为"U"形,采空区中部区域上覆岩层下沉量迅速减小。     

急倾斜薄煤层工作面采场应力及顶板垮落变形规律研究

基于赵家坝煤矿1921急倾斜薄煤层工作面煤层赋存条件及工程地质条件,采用理论分析和数值模拟的方法,研究急倾斜薄煤层工作面采场应力及顶板垮落变形规律。结果表明:急倾斜薄煤层采场应力分布具有明显的区域化特征,超前支撑压力整体呈现工作面中部大于上部、下部的受力特征;上覆岩层变形破坏范围位于直接顶上方15 m内,顶板下沉曲线向工作面下方偏移;采场顶板塑性变形区域在整个采动范围内呈现明显的不对称性,塑性发育区域主要位于采空区中上部顶板中。     

急倾斜中厚煤层顶板破断特征及覆岩移动规律研究

为了研究急倾斜中厚煤层综采工作面开采过程中顶板破断特征、覆岩垮落规律及支架受力情况，以石洞沟煤矿31111工作面为工程背景，采用相似模拟实验研究了急倾斜中厚煤层矿山压力与岩层移动规律，获得急倾斜煤层开采顶板、底板、支架的应力分布规律，顶板岩层断裂与移动规律，并揭示了急倾斜煤层开采基本顶断裂的“厂”型结构；同时还进行了采动影响下采区巷道矿山压力与显现研究，获得急倾斜煤层群开采下部煤层采区巷道合理布置的区域。研究成果为该矿31111工作面综采液压支架选型、工作面岩层控制以及下部煤层采区巷道位置选择提供了重要参考依据。     

综放工作面上覆岩层变形破坏时空演化特征试验研究

采用相似模拟实验方法进行采空区工作面顶板垮落过程中上覆岩层变形破坏试验研究。以CCD相机构建实验图像数据采集系统,采用数字散斑相关方法对上覆岩层位移场和垮落角进行了分析,研究了上覆岩层垮落区域裂隙演化、位移演化及偏态特征。研究结果表明:工作面顶板垮落过程中上覆岩层垮落角角度随垮落区域形状不断变化,垮落高度逐渐减小直至平稳,垮落面积逐渐增大直至平稳;在竖直方向上,上覆岩层垮落带呈宽缓的W型沉降、裂隙带和弯曲下沉带呈V型沉降;在水平方向上,下部上覆岩层向两侧移动、上部岩层向中间移动,造成各岩层间发生摩擦滑动,并对两侧未开挖区域及煤柱产生弯矩作用;工作面顶板跨落后形成偏态,开切眼侧垮落角大于开采侧垮落角,并在开采侧形成岩移角,开切眼侧的下沉曲线较陡、工作面侧下沉曲线较缓。根据实际工程背景,计算了地表塌陷影响范围,为煤矿开采对上覆岩层影响范围和程度以及后续采空区治理等问题评估提供了必要依据。     

急倾斜煤层充填开采覆岩运移规律模拟试验研究

以木城涧煤矿大台井845工作面为背景,利用聚苯乙烯泡沫塑料作为充填体,采取随采随充的方式,对急倾斜煤层矸石充填开采过程进行了相似模拟实验,研究了急倾斜煤层充填开采的覆岩运移规律。研究表明:急倾斜煤层充填开采过程中,顶板不易垮落,采空区上部岩层存在冒落带和裂隙带等两带区域,最终形成倾斜的非对称的梯形冒落拱;聚苯乙烯泡沫塑料块可以较好的模拟松散矸石的块体堆积,起到支撑和让压作用;随采随充的充填开采方式把握了充填时机,有效地控制了顶底板的裂隙扩展和应力集中,降低了顶底板变形速度和变形量,避免了围岩冲击,完善了急倾斜煤层采煤法。     

煌斑岩遇水对特厚煤层覆岩运移的影响数值模拟研究

为了研究侵入特厚煤层顶板不同层位的煌斑岩在遇水前后对采场覆岩运移产生的影响,以大同塔山矿为背景,通过建立UDEC数值模拟模型,对煌斑岩遇水前后特厚煤层采场覆岩垮落、破坏和顶板下沉特征进行了研究。研究表明:遇水情况下,煌斑岩侵入煤层顶部时,顶板初次垮落步距减小并呈缓慢下沉特征;侵入直接顶中部时,上部直接顶岩层随下部直接顶一起垮落,且垮落步距明显缩短;不同层位的煌斑岩无论是否遇水,只对初采阶段直接顶岩层活动规律有直接影响,高位岩层主要受基本顶控制。     

综采工作面垮落带注浆充填开采覆岩采动裂隙定量表征试验研究

为定量表征冒落区注浆充填对覆岩采动损伤程度的影响,以任家庄煤矿110903工作面为研究背景,开展垮落法开采和垮落带充填法开采物理相似模拟实验,运用分形理论研究两者覆岩裂隙演化特征,并对其覆岩运移规律进行对比分析。研究结果表明,垮落法开采后采动裂隙分形维数变化规律为迅速上升-缓慢下降-缓慢上升-急剧上升,注浆充填开采后变化规律呈迅速上升-迅速下降-缓慢下降-缓慢上升;将采动裂隙发育网络划分为离层裂隙区、离层压实区、垮落裂隙区、竖向破断裂隙区四个区域,对比垮落法开采和垮落带充填法开采,充填后采场覆岩裂隙不发育,离层压实区范围较小,发育高度仅为21.96 m;注浆充填开采后各关键层下沉量显著减小,关键层2最大下沉量出现在顶板初次破断处,垮落法开采后关键层2最大下沉量出现在采空区中部。垮落带注浆充填开采能有效改善覆岩裂隙损伤、控制覆岩裂隙发育、减缓覆岩下沉,该成果可以为任家庄煤矿充填开采控制地表沉降提供一定的理论依据。     

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。     

沿空巷旁支护适应性原理与支护方法

沿空留巷作为无煤柱开采技术的重要组成,在薄及中厚煤层等条件下已经试验成功,但对于厚层坚硬顶板来压剧烈状况,沿空留巷效果差。本文在分析坚硬顶板岩梁剧烈运动特征的基础上,提出了沿空巷旁支护适应性原理,包括载荷适应性和变形适应性两方面;构建了“柔-强”组合巷旁支护力学结构模型,即采用柔性材料缓冲坚硬顶板先期剧烈沉降、高强材料承担顶板后期作用,发明了定量确定巷旁“柔-强”巷旁支护体分层厚度的方法;初步探讨了采空区矸石压缩与巷旁支护的流变协同力学特征,推导了采空区矸石压实稳定时间计算公式,分析了巷旁支护强层材料流变性能要求。现场试验表明,采用该方法实现了坚硬顶板条件下的沿空留巷,推动了无煤柱绿色开采技术进步。     

马脊梁煤矿浅埋煤层开采覆岩活动规律的相似模拟

为了搞清“两硬”浅埋煤层开采覆岩活动规律,以大同煤业集团马脊梁煤矿为原型,在实验室进行了相似模拟实验,发现“两硬”浅埋煤层刀柱开采发生的大面积来压其实是多米诺效应引起的覆岩大面积切冒,垮落从直接顶开始,逐步扩展至松散层。地表下沉最大处出现在地表沉陷区的中部,上覆岩层的运移以垂直位移为主,呈倒梯形整体下沉。     

急倾斜矿山综采分段充填工作面底板破坏机理研究

以豫西某煤矿工作面为背景,对急倾斜煤矿综采分段充填工作面底板受力和支承压力分布进行了分析,并借助FLAC3D有限元差分软件对煤层开挖引起分段充填工作面底板的应力分布、位移变化和塑性区扩展情况进行模拟分析,研究了急倾斜矿山综采分段充填工作面底板破坏机理。研究表明:采空区充填体可以对直接顶起到支撑作用,并对底板的滑移变形起到控制作用;随着工作面开挖深度的增加,急倾斜矿山综采分段充填工作面底板中部和中部偏下的位置最容易发生破坏;工作面塑性区域集中在底板中下部,且随着煤层开挖工作面的加深,底板塑性区的深度和范围均逐渐增加,地层受煤层开采的影响区域也逐渐扩大。     

长壁矸石充填开采上覆岩层移动特征模拟实验

长壁矸石充填工作面采空区由于被充填材料占据,上覆岩层移动特征将不同于垮落法管理顶板,采用相似模拟和数值计算模拟工作面回采和矸石充填过程。通过改变支架初撑力和工作阻力、充填材料的夯实力,模拟不同充填率情况下上覆岩层应力变化和岩层移动特征,结合现场实测结果认识长壁矸石充填开采上覆岩层移动规律。研究发现：支架工作阻力对充填效果影响显著,充填支架高初撑力和工作阻力可以限定顶板的变形,保证足够的时间使更多的充填材料充进采空区,进而减小缓慢下沉带高度,控制地表变形。采空区内充填材料限制直接顶的变形、下沉以及冒落,直接顶以断裂和冒落为主,冒落后整齐地排列在采空区矸石上。基本顶以弯曲下沉形式随直接顶移动,上覆岩层冒落高度显著降低。     

急倾斜工作面顶板变形特征及其影响因素分析

利用材料力学等相关理论,结合龙煤集团新铁煤矿某工作面的实际煤岩赋存条件,根据急倾斜煤层赋存的非对称性以及工作面下部冒落矸石的充填特征,将上覆岩层作用载荷和充填矸石支撑力进行简化,建立了急倾斜工作面顶板弯曲变形力学模型,给出了急倾斜工作面顶板的挠曲线方程,分析了不同煤层采高、不同工作面长度条件下顶板最大挠度点位置的变化关系。     

基于岩层移动理论的矸石条带充填采空区可行性研究

以弹性地基梁为基础,建立条带充填采煤岩层移动的力学模型,并对充填体承载基本顶岩梁进行了有限元受力分析;在此基础上进一步对条带充填体的布置方式、间距以及宽度进行了优化,并对优化结果进行了回归分析。分析表明：基本顶岩梁在充填体支撑内侧边缘处受力最大,在相邻两充填体之间的未充填区域中部变形最大;充填体以垂直工作面推进方向间隔布置能有效地封闭采空区的瓦斯,减少回风巷中瓦斯浓度;充填体的稳定性随采深和采高的增大而减小,随充填体宽度的增大而增大。     

崩落法回采时顶板岩层崩落过程监测与分析

用崩落法回采倾斜矿体时顶板围岩的崩落过程是目前没有很好解决的问题。通过地质钻孔,采用电路连通判断法,对程潮铁矿采场顶板的崩落过程进行了监测。监测结果表明,顶板的崩落过程是非常复杂的,受到岩体质量、岩体中的弱面、初始地应力场、空区形状及松散充填体等的影响,而且具有明显的跳跃特征。在组成矿体顶板的各种岩层中,质量高的岩层是控制崩落过程的关键层。关键层较难崩落,但在崩落时具有突发性,会产生较大厚度岩层的突然垮塌。受主关键层的影响,在地表塌陷之前,有相当长一段时间不出现崩落或者崩落速度很慢。而当主关键层崩落后,表地会在较短的时间之内突然塌陷。研究结果表明,复杂岩层顶板的崩落过程及崩落时间的预测必须考虑岩层性质及其空间分布特点,其中,关键层的识别是非常重要的。     

缓倾煤层采空区滑坡形成机制数值模拟研究

以贵州都匀马达岭滑坡为例,采用离散元方法,研究了缓倾煤层采空区滑坡的变形发展过程,提出了该类矿区滑坡防治建议。研究结果表明:采空区顶板塌陷导致上覆岩层弯曲-沉陷,地表产生沉降变形,同时采空区边界部位产生倾倒式拉裂,在地表形成深大拉裂;采空区上部岩体沉陷变形导致坡脚部位岩层往坡外剪切滑移;中部滑面沿变形后倾向坡外的层面和陡倾节理组合形成阶梯状滑面。滑坡形成机制可概括为由采空区顶板变形引发的阶梯状蠕滑—拉裂—剪切滑移式滑坡。缓倾煤层采空区滑坡的防治应从防止采空区顶板塌陷入手,通过回填矸石或加强顶板的永久支护来防治采空区上覆坡体的变形。