浅埋煤层开采顶板切落压架灾害的突变分析

针对浅埋煤层开采周期来压过程中顶板沿煤壁台阶下沉导致顶板切落压架灾害的问题,根据直接顶岩体在支承压力作用下破坏失稳的非线性变化特征,建立了由基本顶-直接顶-支架-矸石组成的系统力学模型。利用突变理论研究了荷载作用下系统的失稳机制,获得了系统失稳的充要条件及直接顶岩体的变形突跳量表达式,分析了系统失稳的主要影响因素。结果表明:直接顶的失稳破坏,导致了顶板的切落,系统失稳除与支架和直接顶岩体的刚度比及材料参数有关外,还与所受载荷及基本顶周期来压步距相关。结合工程实例,验证了理论推导的合理性,并给出了工程建议。     

房式采空区下近距离煤层开采顶板切落突变分析

本文针对房式采空区下近距离煤层开采时,煤柱上方顶板与直接顶来压不一致容易导致顶板切落灾害,根据煤柱在上覆荷载作用下破坏失稳的非线性变化特征,建立了顶板-煤柱-矸石的力学系统.利用尖点突变理论研究了在线性荷载作用下系统的失稳机制,获得了该系统失稳的充要条件及煤柱的变形突跳量表达式和能量释放计算量,分析了顶板-煤柱-矸石系统失稳的主要影响因素.结果表明,煤柱的失稳破坏是顶板切落的主要因素.同时,利用能量法计算了在冲击作用下的冲击动载系数和支架的工作阻力.最后结合工程实例验证了理论推导的合理性.     

浅埋煤层顶板隐伏断层倾角对矿压显现影响分析

针对顶板隐伏断层倾角对浅埋煤层开采矿压显现的影响作用问题,构建断裂力学模型研究隐伏断层倾角对来压步距和支架工作阻力的影响作用,通过物理模型对比分析了不同倾角隐伏断层在工作面推进过程中的活化、扩展、垮落压架过程,分析了支承压力、断层应力场、支架工作阻力等的变化特征。研究结果表明：随着工作面的推进,断层活化扩展贯通,顶板切落失稳,倾角不同造成了断层1为倾覆式切落破坏,断层2形成滑移式切落破坏,来压步距较长,滑移式破坏切顶的规模要大于倾覆式。裂纹面正应力和剪应力随工作面的推进持续增大,工作面过断层裂纹扩展应力释放后开始降低,断层2降速较缓。切顶线基本是沿断层的扩展方向形成,顶板切落动载荷使支架的荷载大幅增加,过断层1时升高了33%,过断层2时增幅达到64%。倾角的变化对切顶线的形成和上覆岩层切落时的质量有重要影响,形成了顶板的不同切落形式,造成了支架的剧烈来压。     

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。     

液压支架与围岩耦合关系及应用

基于“砌体梁”理论力学模型,对支架所受顶板岩层载荷进行分类,采用理论分析方法对支架与围岩耦合作用关系进行研究,提出支架与围岩之间存在刚度耦合、强度耦合、稳定性耦合关系,并分析了酸刺沟煤矿大采高综放液压支架失稳破坏原因。认为顶板动载荷主要受破断基本顶岩块与随动岩层自身质量、回转空间共同影响,直接顶（含顶煤）-支架-底板的整体刚度可以影响基本顶的断裂位置,从而降低基本顶来压对支架的作用力与作用时间;合理的支架支护强度可以降低顶板下沉量与下沉速度,减轻顶板动载冲击对支架的影响,支架支护强度还对底板及煤壁片帮冒顶产生影响;支架自身稳定性及对围岩失稳的适应性是支架-围岩系统稳定性耦合的关键。     

大采高工作面顶板结构分析与支架工作阻力确定

为掌握大采高工作面顶板破坏结构及矿压显现规律,计算分析了不同采高下顶板垮落规律并采用动载荷法确定支架的合理工作阻力。研究结果表明:大采高工作面基本顶悬顶面积增大,矿压显现明显;采高小且直接顶厚时,下位直接顶垮落后可充满采空区,上位直接顶破断并充当承载层,初次来压和周期来压时工作面矿压显现不明显;对比不同采高围岩塑性区分布规律,采高小,下位直接顶垮落充满采空区,上位直接顶不能承载上覆岩层质量弯曲下沉,在拉应力作用下屈服;采高增大至直接顶全部垮落充满采空区对基本顶形成支撑,基本顶形成承载结构,围岩破坏面较少;大采高开采时,基本顶悬顶面积增大造成工作面煤壁前方支承压力增大,直接顶破坏面较多;垮落带和裂隙带高度随采高增大几乎呈线性增长。根据对工作面支架工作阻力进行计算确定ZY15000/33/72D型液压支架符合现场工作面实际生产需求。     

浅埋薄基岩高强度开采工作面初次来压基本顶结构稳定性研究

为了更合理地进行浅埋采场围岩控制设计,针对工作面出现的顶板沿煤壁大范围切落压架等异常矿压现象,对其发生机理进行了理论分析,得到载荷层厚度、采高、工作面长度的增加导致基本顶破断岩块的高长比增大;由最小势能原理得到了基本顶岩块发生回转失稳的极限位置,由于破断岩块的高长比增加,岩块回转过程中水平挤压力变化曲线斜率减小,而铰接面高度变化曲线斜率增大,铰接结构达到极限平衡位置所需回转的角度增大,导致基本顶结构不容易出现回转失稳,而极易发生滑落失稳。根据浅埋高强度采场顶板结构所特有的失稳形式,提出了确定支架合理工作阻力的动载荷法,并对乌兰木伦井田31402工作面初次来压进行了分析。     

坚硬顶板强制切顶技术在保护层开采中的应用

针对平煤股份十二矿己组煤层顶板坚硬、来压步距大和来压时的动压冲击等问题,提出了爆破强制切放顶技术。通过钻孔设计、沿空留巷区域应力控制原理,对12次爆破强制切顶进行分析,得出初次来压步距为58 m,周期来压步距20~30 m。顶板垮落特征为90 m以外强制放顶后顶板断续垮落,一般随采随垮,有悬顶较小,说明顶板在强制放顶作用下已大大破坏。     

坚硬顶板切顶卸压垮落规律研究

为了解决坚硬顶板垮落步距大而易引起大面积来压等问题,以邱集煤矿1102工作面为研究对象,开展切顶卸压对坚硬顶板垮落规律的研究。基于悬臂梁理论推导了切顶卸压后坚硬顶板垮落步距的计算公式,理论计算了邱集煤矿1102工作面坚硬顶板各岩层荷载和切顶卸压前后各岩层的垮落步距,对比分析了切顶卸压前后顶板的垮落特征,并利用现场实测数据验证了理论分析的准确性。结果表明:切顶卸压后,直接顶的垮落步距从26.66m减小到9.13m,减小了65.8%;基本顶的初次垮落步距从45.41m减小到25.64m,减小了43.5%;周期垮落步距从18.54m减小到12.82m,减小了39.9%。切顶卸压减小了直接顶和基本顶的垮落步距,实现了对坚硬顶板垮落步距的有效控制,保证工作面安全开采,对类似的地质条件下煤层开采和矿压控制具有借鉴意义。     

建筑荷载作用下采空区顶板岩梁稳定性分析

为了给煤矿塌陷区土地的治理利用提供理论依据,对建筑荷载作用下采空区顶板岩梁的稳定性进行了分析研究。采空区顶板岩梁突变失稳过程是比较典型的偏离平衡态的非线性过程,将浅部开采老采空断裂的顶板岩梁概化为三铰拱式力学结构模型。通过力学分析,建立了顶板岩梁力学系统的总势能方程,利用突变理论,构建了采空区顶板岩梁失稳的尖点突变模型,获得了采空区顶板岩梁突变失稳的条件,并通过工程算例进行了分析和验证。研究结果表明,煤矿塌陷区地基的稳定性不仅与采动岩体受地面建筑荷载的影响程度有关,也与老采空区顶板岩层的稳定性有关。采空区顶板岩梁在地表建筑荷载扰动下,若满足稳定的条件,则顶板岩梁回转后仍然处于稳定平衡状态。否则,采空区顶板岩梁将发生突变失稳。     

特厚煤层大采高综放面组合悬臂梁运动特征及支架阻力研究

针对直接顶岩层结构对大采高综放采场矿压显现影响较大的特点,基于关键层理论与岩块铰接条件,分析直接顶岩层运动特征及液压支架工作阻力合理确定方法,以准格尔地区某矿大采高综放工作面为例计算分析。研究表明,特厚煤层综放采场直接顶关键层及其上位直接顶形成组合悬臂梁结构,随工作面推进破断回转,与其后方的已破断岩层接触、分离滑落,其重量由后方已破断岩层与液压支架共同承担,其悬臂破断回转、与已断岩层接触、分离滑落的过程直接影响着工作面矿压显现。正常回采阶段液压支架仅承受顶煤及下位直接顶的荷载;来压阶段应保证承受顶煤、下位直接顶及组合悬臂梁破断所施加的荷载,才能防止支架压死、活柱急剧下缩等现象;依据其力学特征确定了大采高综放工作面合理的液压支架工作阻力。     

浅埋沿空留巷切缝顶板断裂条件及移动规律研究

根据浅埋煤层顶板断裂后岩块间水平挤压力较小难以形成砌体梁的特点,分析了切顶卸压沿空成巷下的巷道顶板断裂结构,建立了下位切缝上位弯曲裂缝的双边悬臂梁的断裂力学模型,推导了沿空巷道侧向基本顶沿切缝结构面裂缝扩展断裂时的切顶工作阻力;建立了侧向基本顶两种不同顶板断裂位态下围岩结构数值模型,得出了两种断裂位态下的结构移动变形规律。当切顶阻力Q?ql时,巷道顶板沿煤壁内一定深度内断裂,空区侧弧形三角板直接顶的倒台阶悬臂结构可向沿空巷道围岩传递较大破断动载和覆岩移动压力;而当切顶阻力Q≥ql并与切缝联合切顶同时作用时,则可使得垮落带内直接顶和低位基本顶沿切缝结构面断裂滑落失稳,实现顶板断裂位态主动控制,减小弧形三角板侧向悬臂传递覆岩荷载的结构长度,优化顶板承载结构和围岩应力,降低巷旁支护体承受的附加荷载。同时切落后碎胀的矸石及时充填空区将上覆岩触矸点前移,减缓了上覆岩下沉和旋转变形作用力。哈拉沟矿浅埋薄基岩大断面复合顶板切顶成巷试验结果表明:沿空巷道超前切缝可减小侧向顶板区域支架工作阻力和直接顶垮落步距,降低岩板破断引起的冲击动载,实际切顶阻力与理论计算分析结果较为吻合。     

大采高开采上位岩层平衡结构及其对采场矿压显现的影响

在工作面上位岩层移动实测、模拟实验及工作面矿压观测的基础上，对大采高综采工作面上覆岩体破断位置及其平衡结构进行了研究。结果表明：大采高综采工作面基本顶断裂的位置在工作面前方、上覆岩层存在着比分层开采层位更高但和放顶煤开采相似的平衡结构，结构的活动是一个逐渐变化的过程，在这一过程中，平衡结构与其下的直接顶相互作用，这种作用方式与直接顶的多次损伤有关；传递到支架的载荷主要取决于支架上方直接顶的岩性和损伤的程度。平衡岩梁的变形对支架产生的影响受直接顶的岩性和其损伤后的强度的影响是明显的。     

基于支架与围岩耦合关系的支架适应性评价方法

基于支架与围岩的动态失稳规律,分析了支架与围岩的强度耦合、刚度耦合、稳定性耦合关系,建立了以支架与围岩适应性综合指数为核心的评价模型,研究了评价指标的获取方法及评价流程。研究结果表明：顶板来压形成的冲击动载荷由顶板岩层自重及顶板运移空间共同影响,通过提高顶板来压前支架、直接顶、底板的组合刚度可促使基本顶断裂位置向采空区移动,降低顶板对支架的冲击,利用三维立体防护装置维护支架自身稳定是支架与围岩保持动态平衡的关键。针对不同煤层赋存条件对围岩控制效果的要求,确定各评价指标的优先关系系数矩阵,采用模糊综合判断矩阵计算支架与围岩适应性综合评价指数。通过分析支架对围岩适应性评价结果,有助于进行支架改进优化设计。     

特厚煤层综放开采支架工作阻力的确定

采用理论分析的方法对特厚煤层综放开采顶板岩层所成结构及支架工作阻力进行了研究.根据特厚煤层综放开采顶板岩层形成的“悬臂梁-铰接岩梁”结构,给出了直接顶、基本顶的新概念及判据;得出了特厚煤层综放开采支架工作阻力的解析计算式,并进行了实例验证.最后对所选架型现场的动态承载特征及其适应性进行了分析.结果表明：依据支架工作阻力解析式计算结果所选架型可靠性高、支架运行合理,利用率高,对工作面顶板条件适应性较好。     

长壁工作面基础板结构模型及其来压规律

首次将长壁工作面承支老顶的直接顶与煤层分别视为弹性，弹塑性，粘弹性及粘塑性基础，将老顶视为弹性薄板，亦即将老顶及其基础（直接顶与煤层）分别视为４种统一的空间结构模型，并采用薄板弯曲边界元法分别与弹性，弹塑性，粘弹性及粘塑性边界元法耦合，对前述空间模型进行了求解，结果表明：老顶断裂后，各断裂岩板之间仍处于联锁咬合状态，形成咬合权结构，随着基础从弹性向粘塑性过渡，老顶的断裂位置与煤壁间的距离以及顶板下     

特厚煤层大采高综放工作面矿压及顶板破断特征

针对大采高综放工作面覆岩活动空间大、开采扰动强烈的特点,以不连沟煤矿特厚煤层大采高综放开采为背景,采用现场实测和理论分析等方法对大采高综放采场矿压及顶板运移破断特征进行分析,建立了大采高综放采场周期来压岩层破断的力学模型,得出了液压支架工作阻力的计算方法。结果表明:大采高综放工作面来压时安全阀开启频繁、顶板快速下沉,额定工作阻力13 800 kN的液压支架不能满足顶板控制的需要;开采空间的增大、直接顶厚度增大,低位基本顶转化为直接顶成为悬臂结构、高位基本顶形成砌体梁,二者形成"上位砌体梁-下位倒台阶组合悬臂结构";工作面来压强烈、动载明显、持续时间短的矿压现象是由于高位砌体梁结构滑落失稳造成的,据其力学特征确定了液压支架的工作阻力。     

综采工作面上覆岩层运动与破坏规律研究

以王楼煤矿11301综采工作面为研究对象,首先对顶板岩梁的运动步距进行理论计算,包括直接顶的初次垮落步距,老顶的初次来压步距以及岩梁的周期来压步距,然后通过对综采支架工作阻力和巷道围岩变形实测,确定了工作面顶板岩梁的运动步距,从而为综采工作面顶板管理提供了技术支持。     

薄直接顶大采高综采工作面切顶留巷合理参数研究

针对薄直接顶大采高工作面顶板垮落后不能及时充满采空区,造成上覆厚硬顶板在工作面侧向形成悬臂梁结构,进而向留巷侧传递覆岩压力导致留巷围岩破坏失稳的现象,以某矿12408工作面薄直接顶、厚硬基本顶条件为工程背景,采用理论分析、数值模拟和现场监测相结合的研究方法,研究了薄直接顶大采高综采工作面切顶留巷合理参数。建立了留巷顶板的力学模型,量化了未贯穿面的拉应力与切顶高度和切顶角度的关系,确定了未贯穿面拉应力随切顶高度和切顶角度的变化规律,得出了切顶角度一定时,未贯穿面处的拉应力与切顶高度近似指数函数规律分布,拉应力随切顶高度的增大而增大,且增长速率逐渐加快;切顶高度一定时,未贯穿面处的拉应力随切顶角度的变化曲线呈抛物线形,随着切顶高度增大,未贯穿面处的拉应力超过极限所需的切顶角度的范围也增大。数值模拟方法分析了留巷中锚索轴力变化系数的变化规律、区段煤柱和相邻巷道竖直方向应力的分布特征,确定了11 m的切顶高度和大于0°的切顶角度即可切断顶板间的应力传递。现场考虑到实际岩层赋存条件的复杂多变、爆破后切缝面的不平整性和贯通程度的差异性以及保证厚硬顶板在矿山压力作用下顺利垮落,采用13.6 m的切顶高度和10°的切顶角度,结合顶板垮落后的碎涨系数,理论验证了顶板垮落后的高度大于工作面实际高度,即垮落顶板能够及早支撑上覆岩层,减轻覆岩运动对留巷和煤柱稳定性的影响。现场监测到巷道顶底板及两帮变形量较小,围岩较稳定,验证了数值模拟结果的可靠性以及切顶卸压技术的可行性,可为类似条件的切顶留巷提供借鉴和参考。