浅埋综放L工作面开采方法及其矿压实测研究

 根据路天煤矿16#煤层的具体条件,提出并成功实践L形巷道布置的开采方法。通过现场实测分析,研究L工作面浅埋综放开采时顶煤和顶板的垮落特征、支架的工作阻力、地表塌陷规律及填埋碾压技术等,分析L工作面顶板破裂扩展及分块垮落顺序,建立浅埋综放开采的拱–台阶岩梁组合力学模型,揭示浅埋综放的覆岩移动规律及破煤机制,并给出维护顶板稳定的支架阻力计算公式。研究结果表明：(1) L工作面开采方法是一种高效、安全、高回收率的采煤方法,采露头煤或者露天转井工开采时可以借鉴;(2) 在合适的煤层条件下,浅埋深放顶煤开采在技术上是可行的;(3) 周期来压步距随覆盖层厚度的增加呈增大的趋势;(4) 工作面中部周期来压显现明显;(5) 地表变形垮落可分为4个阶段,填埋碾压应分2个阶段进行;(6) 为提高端面顶板和煤壁的稳定性,应提高支架初撑力。研究结果对类似条件下的开采方法及矿压规律研究具有积极的指导意义。     

“两硬”条件下孤岛型短煤柱工作面顶板破断形态及灾害防治分析

"两硬"条件下孤岛型短煤柱工作面所采煤层应力高度集中,顶板边界条件复杂,多次采动影响容易引起顶板扰动型围岩动力破坏。为提高该类采场围岩控制效果,采用现场实测、理论分析等研究方法分析坚硬顶板破断形态、工作面矿压显现形式及引发围岩动力破坏的原因。结果表明:孤岛型短煤柱工作面坚硬基本顶发生II类"O-X"破断,仅弧形三角岩板影响工作面矿压显现强度,来压时煤体承受载荷组合形式为高静载、低动载,工作面异常矿压现象以临空侧浅部煤体局部动力破坏为主,不会发生大范围、高危害程度的冲击地压灾害;高储能系数坚硬顶板动力破断引发的冲击载荷经未破碎坚硬顶煤有效传递至下位煤层、侧向顶板结构失稳及高推进速度造成的煤体水平应力快速卸载均可能引发短煤柱工作面煤体动力破坏;基于浅部煤体动力破坏发生机制提出孤岛型短煤柱工作面"坚硬顶煤注水预裂"+"增加割煤高度降低推进速度"+"提高超前支架额定阻力和扩大超前支护范围"的综合防治措施,可有效提高坚硬顶板控制效果,减少煤体动力破坏现象的发生。     

辛安煤矿1402工作面矿压显现规律研究

本文主要对辛安煤矿1402综放面液压支架工作阻力进行监测,研究支架受力运行状态、顶板来压特征及支架与围岩运移的适应程度等,确定综放面顶板初次来压和周期来压参数,包括来压步距和来压强度等,从而确定液压支架初撑力、支架工作阻力的经济合理值,同时检验 ZF8000/22/35支撑掩护式液压支架的支护效果,为该工作面顶板管理和矿井安全高效生产提供技术依据     

薄煤层蹬空开采工作面矿压显现规律研究

为了研究张家湾矿薄煤层蹬空开采工作面矿压显现规律,本文通过对8号煤工作面支架工作阻力和受采动影响后8号煤底板压力分布情况进行观测分析,研究了房柱采空区上薄煤层综采工作面的矿压规律,分析了8号煤层顶板破坏程度及其对矿压的影响。结果表明:工作面中部与机头部矿山压力高于机尾部分,在底板弯曲下沉位置,8201综采工作面初次来压步距为43.2~63.2m,平均52.7m,周期来压步距从5.4m~24.8m,平均14.2m,工作面顶板并不是同时进入来压状态,工作面中部要早于工作面两端头,约滞后5~10m,工作面中部来压强度要高于工作面两端头,建议在回采期间加强各项关键参量的监测,重点监测支架工况、危险区底板承载力及底板出水量,提高推进速度,避免采场底板充分破坏,做好顶板管理工作,预防和及时处理采煤机、支架等设备的歪斜问题。     

浅埋厚基岩松软顶板综放采场矿压特征工作面长度效应

基于现场实测结果,结合数值模拟技术,对浅埋厚基岩松软顶板综放采场矿压特征的工作面长度效应进行系统的研究。研究结果表明：加长工作面长度对矿压特征有显著影响;超长综放工作面来压步距减小、采场支架受力均匀、矿压分布呈以工作面中部为对称轴的拱形分布、支架末阻力–初撑力为线性关系;工作面长度方向存在随工作面长度演化的“复合压力拱”;随工作面长度增加,煤壁前方支承压力峰值增大,工作面长度方向压力拱逐渐升高且扁平率趋于增大,表现为总体的矿压显现增加规律,利于顶煤的破碎;控顶区内顶煤下沉量 S 随工作面长度 L 的增大呈对数规律增大,随支架初撑力 P 的增大呈负对数规律减小;给定 S 后, P 随 L 呈线性规律增加。研究成果可为工作面长度和支架的选择提供有益的借鉴和参考。     

复采工作面过冒顶区顶板断裂特征及控制研究

 针对复采工作面过冒顶区时工作面易发生煤壁滑帮、端面冒漏以及顶板来压强度大等特点,以晋煤集团圣华煤业3101复采工作面为工程背景,运用相似模拟对复采工作面过冒顶区时顶板破断特征、支承压力分布特征以及支架受力状态进行研究,依据相似模拟结果建立复采采场力学模型,推导液压支架支护强度的计算公式,提出复采工作面过冒顶区时的围岩控制技术。研究结果表明：(1) 工作面过冒顶区时采场顶板易形成大厚度、长跨距的超前大断裂;(2) 冒顶区弱化了顶板岩梁的应力传递,加剧了支承压力的荷重集度;(3) 液压支架受顶板超前大断裂的影响,支架工作阻力在通过冒顶区前呈突变性增加,模拟结果支架支护阻力最大值为16 200 kN,理论计算支架支护阻力为16 110.5 kN;(4) 复采工作面在通过冒顶区前必须对冒顶区进行注浆充填,同时给出支架工作阻力随充填体强度变化的关系式,为复采采场顶板控制提供理论依据。     

大采深厚表土复杂空间结构孤岛工作面冲击地压防治 技术研究

厚表土层覆盖下的深埋不规则孤岛工作面覆岩空间结构复杂多变,顶板运动剧烈,该类孤岛工作面在受到大采深和地质构造等因素的影响下,极易发生冲击地压。以某矿不规则深井孤岛工作面为工程案例,首先对工作面冲击危险性进行分析评价,通过开采前进行的模拟推进,采用覆岩空间结构理论,分析得到了高应力区域,确定了冲击危险区域和危险程度;采用应力在线监测系统进行冲击危险性实时预报,钻屑法进行危险性检验;采取钻孔卸压和爆破卸压措施对危险区进行处理,有效的保证了复杂空间结构下孤岛工作面的安全回采。     

千米深井采动工作面矿压显现规律及覆岩位移特征研究

深部煤炭开采过程中,岩体受到高地应力和强开采扰动的作用,是典型的动静组合加载问题,特别是千米级深井开采中少有成熟工程可借鉴,井下衍生的一系列工程地质灾害直接影响回采安全。为探索千米深井采动工作面矿压显现规律及覆岩位移特征,以平煤十矿24130工作面为依托,构建矿压立体监测–覆岩离层位移监测体系,对采动条件下,保护层开采过程中工作面前方钻孔应力、锚杆应力与巷道顶板离层位移进行长效监测与数据分析。结果表明,深部煤岩体受开采扰动影响呈现出显著非线性力学特性,而非单一线性增减,且开采扰动不是在整个回采过程中均对矿压显现产生明显影响,而是在开采至距采面45～65 m与25 m以内2个范围内存在显著影响;在上述2个范围内推进速度增加,扰动效果显著,因而在围岩较破碎的区域适当降低推进速度至0.5m/d左右,可保证煤岩体结构完整,始终具有一定承载力;此外,釆动对巷道顶板矿压影响相较于巷道巷帮更显著,在支护设计时应该对巷道顶板加强支护;采面前方15～5 m范围为采动对覆岩位移的主要影响区域,该范围内顶板离层发育较快,且顶板离层发育速度受到工作面推进速度的影响更显著,表明该区域内适当控制开采速度在0.8～1.1 m/d时,可保证生产要求的同时更利于工作面前方顶板管理,为千米级深井的采面安全生产提供科学指导。     

大倾角煤层工作面采场围岩矿压分布规律光弹性模量拟模型试验及现场实测研究

以平煤集团香山矿戊9-0-22090大倾角煤层工作面为工程背景,通过室内光弹性模拟模型试验和工作面现场矿压实测,对大倾角煤层工作面开采后采场围岩矿压分布规律进行研究.光弹试验和现场实测结果表明:倾角对煤层工作面开挖后采场围岩应力分布、支承压力的分布有显著影响.大倾角煤层工作面开采后,采场顶板岩层的变形、破坏和运动形式不同于一般缓倾斜煤层工作面,采场支架载荷的分布、来压显现程度、来压步距沿采场倾斜方向均不同.工作面煤层开采后,采场顶板应力分布是高度不均匀、不对称的,在采空区两侧保护煤柱角高度集中,形成支承压力区,采空区上方形成支承卸压区.采场顶底板应力释放,两侧煤柱出现应力集中,采场四个角部位出现较大剪应力.剪切应变主要出现在采场下端部顶板和上端部的底板,而体积应变主要出现在煤层较近顶板和两侧煤柱.研究成果,对香山矿和类似条件下大倾角炮采煤层工作面的开采和顶板的支护的优化和管理具有一定的指导意义.     

西部弱胶结地层大采高工作面覆岩结构演化与矿压活动规律研究

随着我国西部大开发的快速发展,近期西部大批开采弱胶结地层煤炭资源矿井陆续建成投产,弱胶结地层天然的禀赋条件决定了其物理力学性能与中东部岩层有明显的差异,开采实践表明弱胶结地层大采高工作面矿压活动规律与中东部大采高工作面矿压活动规律也有一定的差异。因对弱胶结地层性能和工作面矿压活动规律认识不清,导致弱胶结地层大采高工作面开采时常发生大面积冒顶、台阶下沉、溃水溃沙、支架压死等事故。因此,弱胶结地层大采高工作面覆岩运动、三带分布、支架选型等矿压问题亟需解决。以红庆河煤矿弱胶结地层大采高工作面开采为工程背景,通过室内实验、数值模拟、相似材料模拟、理论分析及现场实测等方法,研究了弱胶结岩石物理力学性能及其与中东部岩石的差异性,统计了弱胶结煤系地层地域分布;分析了弱胶结岩石受开采扰动在采空区破碎、冒落、充填、崩解、压实、固结的变形规律;构建了弱胶结地层大采高工作面覆岩结构演化模型,揭示了弱胶结地层大采高工作面冒落带分布特征及其与裂隙带协同演化规律;研究了围岩–支架之间的作用机制,给出了弱胶结地层大采高工作面支架工作阻力计算方法。取得主要研究成果如下:(1)弱胶结岩石具有强度低、胶结性差、遇水泥化、易崩解等特性,我国新疆、神东、蒙东、宁东、陕北等煤矿区具有弱胶结地层开采条件,基于弱胶结岩石的力学参数、物理参数、成岩年代等因素,对西部典型矿区弱胶结岩石进行了变异性评价。(2)针对弱胶结岩石与中东部岩石碎胀性、崩解性的差异,通过碎胀实验和崩解实验,研究了弱胶结岩石的初始碎胀性、残余碎胀性特征及其耐崩解特征,揭示了弱胶结岩石强碎胀、易崩解的特性。(3)针对西部弱胶结岩石物理力学性能与中东部岩石的差异性,通过实验和理论分析,研究了开采扰动作用下弱胶结岩石变形、破坏、冒落、崩解、压实、固结等特征,分析了弱胶结岩石破碎–冒落–充填–崩解–再破碎–压实–固结的变形规律,揭示了弱胶结地层冒落充填体的变形演化机制。(4)以红庆河煤矿3–1煤首采面为工程背景,通过相似材料模拟、数值模拟及理论分析,研究了弱胶结地层大采高工作面覆岩运动规律及应力场分布规律,获得了覆岩由下至上层层递进的冒落特征,揭示了覆岩裂隙萌生–发展–贯通的岩层破坏机制。(5)根据弱胶结地层的物理力学性能和充填体变形机制,通过相似材料模拟和理论分析,研究了弱胶结地层大采高工作面覆岩变形、运动规律,建立了弱胶结地层大采高工作面覆岩裂隙演化模型,研究了三类顶板结构下大采高工作面冒落带分布特征,获得了弱胶结地层大采高工作面冒落带分布规律,揭示了冒落带与裂隙带协同演化机制。(6)根据弱胶结地层大采高工作面"三带"分布特征和演化规律,研究了弱胶结地层大采高工作面矿压活动规律,分析了支架–围岩之间相互作用机制,给出了弱胶结地层大采高支架工作阻力计算方法,现场实测数据初步验证该方法的合理性和实用性。论文初步探索了弱胶结岩石的物理力学性能、弱胶结地层大采高工作面覆岩结构演化规律及三带分布规律,但受西部矿区地域辽阔及复杂地质条件的影响,下一步还需要针对一个矿区内弱胶结岩石的物理力学性能进行深入研究,并开展大量的现场矿压观测,进一步揭示西部弱胶结地层大采高工作面矿压活动规律。     

松散承压含水层水位变化与顶板来压的联动效应及其应用研究

 结合祁东煤矿松散承压含水层下采煤压架突水灾害防治问题,开展松散承压含水层水位变化与顶板来压联动效应的实测与实验研究。结果表明：松散承压含水层水位下降超前于工作面压架突水,且水位下降速度基本保持不变。水位下降幅度和下降速度与工作面来压强烈程度密切相关,水位下降幅度和下降速度越大,工作面来压越强烈,压架突水危险性越大。覆岩关键层的不同破断运动形态是导致水位变化与顶板来压存在上述联动效应的主要原因。当关键层逐层破断时,覆岩缓慢回转下沉,水位降幅和降速较小,不会发生压架突水灾害;而当关键层复合破断时,关键层结构易产生滑落失稳,短时间内大量采空体积传至基岩顶界面,水位出现大幅度快速下降,存在压架突水危险性。利用松散承压含水层水位变化与顶板来压的联动效应,提出将水位下降速度作为预警指标对压架突水灾害进行预警的方法,并基于地下水动力学原理导出工作面压架突水时的水位降速临界预警值计算公式,指导祁东煤矿6130工作面压架突水灾害防治实践。     

“两硬”条件下综放面支架围岩关系

依据对忻州窑矿８９１６综放面矿压的观测，论述了“两硬”条件下综放面矿压显现特征、支架初撑力与阻力的关系和悬梁式力学模型。结论是“两硬”条件下综放面既保持了坚硬顶板的显现特征，又具有放顶煤垫层的特性，支架合理工作阻力应以悬梁力学模型为基础，用垫层效应系数来修正。     

长壁孤岛工作面冲击失稳能量释放激增机制研究

煤矿开采中跳采形成的孤岛工作面由于容易产生应力集中，来压强度高，极容易发生冲击地压。基于唐山矿孤岛工作面的地质条件和周期来压步距的监测结果，通过数值分析的方法，研究孤岛工作面煤岩体能量释放的动态特征，揭示工作面前方能量释放激增机制，对比普通工作面和孤岛工作面能量场的区别，介绍冲击地压预警防治措施。数值模拟结果显示，长壁孤岛工作面回采时随着直接顶的随采随冒，采空区悬空面积的不断增大，使得老顶积聚大量的弹性能。若老顶发生周期性垮落，弹性能将瞬间释放，此时工作面和顺槽巷道极易冲击失稳。由研究结果可知，孤岛工作面周期来压时顶底板和煤层的能量激增可做为判断冲击失稳的前兆信息之一。因此，微震监测等手段可以根据此结论预测潜在的矿山动力灾害。针对老顶周期性断裂时积聚能量的突然释放规律，运用强制放顶、超前卸压孔、开切卸压槽和卸压爆破、煤层注水等技术可以提前释放煤层内积聚的弹性能，达到良好的冲击地压防治效果。     

坚硬薄基岩浅埋煤层合理强制放顶距的确定

 在开采松散表土坚硬薄基岩浅埋煤层过程中,为避免发生压架、溃沙事故,现场常采取强制放顶的方法,但对于强制放顶距如何合理确定则显得理论依据不足。为此,结合凉水井煤矿首采工作面的实际条件,根据岩层控制理论,采用理论分析、数值模拟、现场观测的方法对合理强制放顶距进行研究。结果表明,在工作面推进距离距切眼20 m处,即介于基本顶周期来压步距和初次来压步距之间,进行顶板强制放顶能成功地避免初次来压,对支架影响较小,放顶效果良好,可以避免压架的发生。结论在现场试验中得到了验证。     

初次来压前受超前增压荷载作用的坚硬顶板弯矩、挠度和剪力的解析解

 坚硬顶板弯矩、挠度的理论解是矿山岩体力学中未曾获得较好解决的课题。初次来压坚硬顶板问题的超静定次数,比周期来压坚硬顶板问题的超静定次数要高1次。将煤层、直接顶按弹性地基处理,对初次来压前受均布荷载、荷载峰超前的增压荷载和支护阻力共同作用的,工作面中部煤壁前方和采空区单位宽坚硬顶板的挠度进行求解,采用潘 岳等求解周期来压前坚硬顶板弯矩、挠度解中的部分结果,求得满足全部连续条件和自然边界条件的坚硬顶板的4段式挠度表达式中的所有系数。据所得表达式,采用Matlab软件计算和绘图得到的初次来压前坚硬顶板挠度、弯矩曲线在考察区间光滑连接,剪力曲线连续。对曲线进行分析可知：(1) 荷载增减对顶板弯矩、挠度作用明显;(2) 支护阻力可有效减小煤壁前方顶板和悬空顶板的弯矩、挠度及采空区顶板的剪力值;(3) 单位宽顶板的特征长度由弹性地基系数、顶板抗弯刚度组成。在相同荷载下,只要特征长度相同,顶板弯矩分布完全相同,特征长度大者顶板弯矩大;(4) 弹性地基系数小者,煤壁前方顶板挠度(下沉量)大。抗弯刚度小者,采空区顶板挠度(下沉量)大;(5) 顶板弯矩峰位置在煤壁前方。顶板荷载大,支护阻力小,弹性地基系数大者,其弯矩峰与煤壁的距离近。在控顶区两端顶板剪力取最大值。所得硬顶板的关系式为理想坚硬顶板模型的解析解,其应用是从解析解算例中受到启发,获得参数变动时坚硬顶板弯矩、挠度和剪力变化的规律性认识,对采场顶板状况变化作出合理的定性判断,亦可为坚硬顶板断裂过程和断裂引发顶板应变能释放、冲击矿压能量来源及初次来压步距的量化分析提供基础。     

采场覆岩厚关键层破断与冒落规律分析

具有良好分层性的采场覆岩破断规律己被基本掌握，但对于厚关键层(特厚层砂岩老顶)覆岩的采场矿压规律还需深入研究。运用岩体破裂过程分析系统，结合某矿区实际覆岩构造特征，分析了具有厚关键层的采场覆岩的破断与冒落规律。研究表明：厚关键层的破断、垮落规律与长梁(或薄板)矿压理论存在根本差异，其初次破断与冒落形态为拱形，周期破断与冒落呈不等长的短块状。厚关键层来压具有多样性和随机性，不同形式的采场来压对支架的作用不同，大块滑落失稳对采场支架的威胁最大，对采场矿压控制提出了严峻的挑战。该研究成果为实际采矿设计与矿压控制提供了理论依据。     

覆岩离层区积水引发的采场突水机制研究

 通过工程探测和理论分析,就海孜煤矿745工作面巨厚火成岩条件下顶板异常突水事故的机制进行深入研究。研究结果表明：距开采煤层62 m的巨厚火成岩下封闭的离层区积水是引发745工作面异常突水的水源;按传统估算方法计算导水裂隙高度为25.3～36.5 m,不会沟通巨厚火成岩下的离层区积水,但由于离层区积水的载荷传递作用,导致下部2层亚关键层发生复合破断,使得顶板导水裂隙高度异常发育,沟通了离层区积水,这是引发745工作面异常突水事故的原因。突水机制表明,可以通过向积水离层区施工放水钻孔的方法来防治此类突水事故。     

浅埋房式采空区下长壁采场动载矿压发生机制

为了揭示浅埋房式采空区对下位煤层开采矿压显现的控制机制,降低工作面过房式采空区的动压显现强度和压架风险,以神东矿区霍洛湾煤矿2-2煤层房式采空区下3-1煤层长壁开采工作面动压特征为研究对象,将3-1煤层覆岩结构分为四类,利用理论分析和相似材料模拟等方法,系统研究了不同覆岩结构类型运动特征、力学模型及对3-1煤层长壁工作面的动压控制机制。结果表明:房式采空区稳定房柱下易形成上下位关键层双悬臂梁结构,双悬臂梁结构协同失稳是形成动载矿压的主要原因;房柱失稳区主关键层形成的不稳定砌体梁结构及靠近大煤柱未失稳的房柱随下位煤层开采滑落失稳是导致长壁工作面动载矿压发生的原因;当3-1煤层工作面上覆前方为房柱失稳区时,工作面推出集中煤柱时的动载矿压是由于大煤柱两侧关键块已提前滑落失稳,两关键块间无作用力,倒梯形岩柱与亚关键层联合失稳作用结果;当3-1煤层工作面上覆前方为房柱稳定区时,工作面推出集中煤柱时,动载矿压是由房柱失稳所致。     

山地浅埋煤层工作面支架合理工作阻力研究

针对山地浅埋煤层开采过程中工作面出现的矿压显现强烈,支架被压死或支架尾梁与顶梁分离等现象,通过建立山地浅埋煤层基本顶初次垮落时岩块触矸前控制基本顶滑落失稳的结构力学模型对山地浅埋煤层开采工作面支架合理工作阻力进行了研究。研究表明:山地浅埋煤层开采过程中基本顶出现滑落失稳的可能性相对较大,且基本顶的初次破断具有不对称性,通过计算得出发耳井田1、3煤层山地浅埋煤层工作面液压支架工作阻力应大于5 773 kN。