浅埋煤层长壁开采顶板控制研究

通过三个不同条件的工作面实测, 揭示了浅埋煤层采场矿压显现基本规律, 指出顶板台阶下沉是由单一关键层顶板破断失稳造成的, 顶板存在结构效应. 通过相似模拟实验和分步开挖数值模拟分析, 得出顶板破断机理为拉破坏, 老顶初次破断具有非对称性, 老顶周期性破断后可形成不稳定铰接结构. 采用岩块实验、 模拟实验和数值分析, 系统地研究了老顶岩块铰接点的挤压和摩擦性质, 确定了顶板结构定量化分析的关键参数——岩块端角挤压系数和摩擦系数. 在实验研究和实测分析基础上, 首次将初次来压分为两个阶段, 分别建立了老顶触矸前的“非对称三铰拱”结构和触矸后的“单斜岩块”结构模型. 提出了浅埋煤层采场老顶周期来压的“短砌体梁”结构和“台阶岩梁”结构模型. 通过顶板结构稳定性分析, 揭示了顶板的强烈来压和台阶下沉是由结构滑落失稳造成的, 确定了控制顶板滑落失稳所需的支护力, 奠定了采场顶板控制的理论基础. 在顶板结构分析的基础上, 指出浅埋煤层采场支架处于“给定失稳载荷”状态, 在顶板载荷确定中引入了载荷传递因子, 按支架与围岩共同承载的观点给出了采场支护阻力的确定方法和计算公式. 分析了采场支护阻力的影响因素, 指出了顶板控制的经济有效途径. 通过实测分析和初步实践, 验证了研究结论的正确性.总体上,本文建立了以顶板结构及其稳定性为核心的浅埋煤层顶板控制理论框架,首次系统地应用顶板结构理论进行了顶板控制的定量化分析, 取得了比较满意的结果.     

浅埋煤层保水开采隔水层稳定性的模拟研究

 隔水层稳定性是保水开采研究的关键。通过对黏土隔水层应力–应变全程曲线测定,建立以残余强度和应变为关键指标的模拟方法。采用变单因素分析法,考虑材料破坏的峰值强度、峰值应变及残余强度,获得黏土隔水层应力–应变全程相似的模拟材料和配比规律。以榆树湾煤矿条件为背景,开展保水开采岩层移动规律和隔水层稳定性的模拟,得出分层开采基岩关键层和隔水层的移动和垮落规律,揭示顶板淋水是基岩风化层裂隙水的机制,并得到实践验证。实验发现,基岩和隔水层在工作面后部存在主要下沉区,是最易形成导水裂隙带的区域。主要下沉区的下沉梯度Ts是隔水层稳定性控制的重要指标,合理增大下沉区间和减小下沉梯度是隔水层稳定性控制的有效途径。论证榆树湾煤矿保水开采的可行性,并为浅埋煤层保水开采控制提供借鉴。     

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。     

浅埋煤层长壁留煤柱开采方法的有限元分析

针对陕北府谷县郭家湾煤矿的浅埋煤层开采，通过对开采方法的研究，采用有限元仿真试验模拟方法，对实际采用的隔离煤柱和区内煤柱留设的不同方案进行了计算模拟试验，研究了采场煤柱群及上覆岩层的稳定性，探讨了造成大面积垮落灾变的机理，为陕北浅埋煤层以及西部类似条件下中小矿山合理、安全、经济的开发提供了重要的参考依据。     

浅埋煤层覆岩隔水性与保水开采分类

 通过陕北浅埋煤层保水开采的模拟研究与采动损害实测,揭示采动覆岩裂隙主要由上行裂隙和下行裂隙构成,采动裂隙带的导通性决定着覆岩隔水层的隔水性。实验分析上行裂隙带发育高度的计算公式,模拟测定下行裂隙带的发育深度。基于采动裂隙发育程度与采高和隔水岩组的关系,提出以隔采比为指标的隔水性判据,由此将保水开采分为自然保水开采、可控保水开采和特殊保水开采3类,为浅埋煤层保水开采提供科学依据。     

浅埋房式采空区下煤层长壁工作面矿压显现特征研究

针对高头窑煤矿G3-1102工作面回采期间矿压显现剧烈的现象,揭示了浅埋房式采空区下煤层长壁工作面矿压显现特征规律,研究了浅埋煤层回采工作面液压支架压架灾害发生的机理,对高头窑煤矿安全高效生产有一定意义。     

砂土基型浅埋煤层保水煤柱稳定性数值模拟

浅埋煤层间歇开采保水采煤的关键是确定工作面的合理推进距离和煤柱尺寸,通过相似材料模拟已得到工作面的合理推进距离,并为实践所证实。以相似材料模拟所得到的工作面推进距离与覆岩裂隙高度关系为依据,建立了数值模拟模型,以计算工作面合理的煤柱尺寸。运用ALGOR有限元程序,模拟了基岩厚度30m以下、土层20m以下的砂土基型和基岩厚度30m以上、土层20m以上的砂土基型2种类型的工程地质条件,通过煤柱上的米赛斯应力分布、上覆岩层的拉应力分布以及顶板的下沉量等模拟结果分析,判断了煤柱和覆岩的稳定性,得出了不同基岩厚度工作面实现保水开采的合理推进距,这对实现陕北砂土基型地质条件下的保水采煤和矿区荒漠化防治具有重要意义。     

浅埋煤层三软煤巷数值模拟研究

采用数值计算方法,对浅埋薄基岩条件下的三软煤巷不同支护条件下的围岩稳定性进行数值计算,通过数值模拟,比较巷道开挖前后的变形以及应力,讨论锚杆的加入、锚杆间排距、锚索的加入等各个因素对巷道的受力及变形的影响,为现场支护技术改革起到重要的指导作用。     

浅埋高强度开采回撤巷道煤柱受载特征及累积损伤机制

为解决浅埋高强度开采回撤巷道护巷煤柱的长期稳定性问题,以锦界煤矿31409工作面末采段回采任务为工程实例,采用力学测试、数值模拟和现场监测等手段,探究开采扰动期间工作面超前支承压力叠加效应和渐进受载条件下通道煤柱的应力演化和累积损伤机制。设计三级循环加卸载条件下煤样强度弱化和损伤破坏实验,揭示末采段采动应力转移历程,构建工作面末采段采动应力响应数值计算模型。研究表明：(1)循环加卸载损伤煤样单轴压缩强度降低至14.14 MPa(无损煤样单轴抗压强度为18.40 MPa),变化率为23%,峰后承载段有载荷波动现象(有别于瞬间破损),在峰值载荷前累积损伤煤样单轴压缩声发射参数保持低值浮动状态,相比循环加卸载3次时裂隙发育活动性略有衰减;(2)末采段采动应力历经常规回采段煤壁超前支承压力反复叠加、临近通道段支承压力持续转移、贯通段多重累积应力释放3种状态,且通道煤柱载荷在辅回撤巷道和采空区间呈现采掘联合影响、不均匀分布特征,获得煤柱稳定临界损伤度评价参数ω;(3)末采段回采空间前后的上覆岩层或煤体内存在支承压力衰减区、极限平衡区和累积增加区,随工作面继续推进采动应力影响范围扩展至覆岩关键层位...     

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。     

禾二矿浅埋破碎顶板切顶成巷试验研究

针对浅埋薄煤层沿空留巷在工作面回采后垮落带内顶板不易垮落、沿空巷道动压显现剧烈的关键问题,通过关键理论分析、数值模拟、现场工程地质条件分析等手段,对浅埋深、薄煤层、破碎顶板条件下的切顶成巷技术开展研究,并在该条件下的禾草沟二号煤矿1105工作面回风顺槽进行现场应用。通过数值模拟,对比分析了切顶不充分和切顶充分时沿空巷道围岩应力分布及巷道围岩位移,结果表明:切顶充分时,采空区顶板对沿空巷道顶板动压影响大大减弱,巷道围岩变形较小,能够保证留巷效果。根据禾草沟二号煤矿浅埋、破碎顶板开采顶板运动模式和矿压显现特征,确定了切缝角度和恒阻锚索支护等关键参数,为浅埋、破碎顶板切顶卸压自动成巷的成功应用奠定基础,提出了切顶卸压自动成巷的预裂爆破参数设计、自动成巷支护技术;通过对禾草沟二号煤矿1105工作面回风顺槽留巷的工程地质条件分析,运用切顶成巷技术原理进行了留巷设计,并应用到现场,取得较好的应用效果。     

厚沙土层在顶板关键层上的载荷传递因子研究

通过动态载荷相似模拟实验,得出了厚沙土层浅埋煤层工作面顶板关键层载荷的“四区”分布规律,揭示了顶板结构中A、B和C关键块的动态载荷演化规律,发现了周期来压期间二次“卸荷拱”的载荷传递机理。提出了载荷传递因子的概念,基于太沙基土压力原理建立修正的普氏拱模型,给出了卸荷拱高度计算公式,确定了载荷传递的岩性因子和时间因子计算公式。     

无煤柱自成巷聚能切缝技术及其对围岩应力演化的影响研究

 基于切顶短臂梁理论,分析无煤柱切顶自成巷技术原理,结合柠条塔矿施工经验,总结出“支、切、护、封”四步成巷工艺。通过建立联孔聚能爆破力学模型,分析无煤柱自成巷聚能爆破机制,得出联孔爆破损伤贯通判据条件,并结合试验巷道围岩特性,进行聚能切缝关键参数设计。综合运用理论分析、数值模拟及现场实测,对无煤柱自成巷切缝前后工作面和巷道矿压分布规律和演变机制进行系统研究。结果表明,由于切缝结构面切断巷道顶板与工作面顶板岩体间的应力传递路径,改变顶板岩层结构形态,工作面和巷道矿压分布发生明显变化。切缝对工作面矿压影响有一定范围,切缝影响区内周期来压强度有所减小,周期来压步距有所增大。切缝引起的充填结构的支撑作用是造成工作面顶板压力减小的直接原因,来压控制关键层上的有效荷载减小是导致来压步距增大的根本原因。受切缝影响,碎石帮顶板岩体将经历“垮落→压实→稳定”的演变过程,充分利用采空区碎胀矸石的自承载特性和巷道围岩的协同支撑作用,可有效减小支护强度,增强巷道稳定性。     

采场覆岩空间破裂与采动应力场的微震探测研究

介绍了用微地震定位监测技术揭示的采场覆岩空间破裂与采动应力场的关系。认为存在 4种由采动引起的岩体破裂类型。展示了 3种典型采动边界条件下覆岩破裂与采动应力场的关系。提出了由微震事件分布推断区段煤柱稳定性的方法。     

坚硬顶板水压致裂控制理论与成套技术

煤矿坚硬顶板具有硬度大、整体性好、分层厚度大等特点,导致诸多围岩控制与安全难题。水压致裂可改造顶板岩体结构,控制工作面顶板的冒落;提出坚硬顶板水压致裂控制的理论与成套技术框架。采用真三轴实验系统等研究揭示水压裂缝的扁椭球体典型形态和空间转向扩展形态,给出围压主应力差、排量、层面与原生裂隙等对水压裂缝扩展的影响规律,考虑围岩的应力应变状态与控顶效果,阐明定向压裂临空坚硬悬顶的断顶线位置适当内错煤柱的原理。给出采动岩体水压致裂的时空关系及确定方法。针对裂缝形态的控制要求,提出定向水力割缝致裂等系统的控制致裂方法,在此基础上研制煤矿井下高压(60 MPa)水压致裂的成套装备。针对不同类型工程特点,控制水压主裂缝扩展、翼型裂纹扩展和吸水湿润作用,使顶板及时充分冒落,实现围岩弱化、应力转移、诱导矿压破煤等功能。研发了工作面端头悬顶、切眼及中部坚硬顶板、坚硬顶煤弱化、综放面初采瓦斯、临空巷道冲击地压和大变形等控制成套工艺技术。成套技术与装备已在大同矿区、神东矿区等推广应用。与传统爆破弱化顶板相比,水压致裂弱化顶板管理简单、扰动小、安全性高、工程量少、作用范围大、控制距离远,且经济成本不到其1/10,在深部开采中更具有优势。     

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。     

弹性基础边界基本顶薄板初次破断的kDL效应

 基本顶的初次破断规律多采用四边固支边界模型分析,但实际的岩层环境难以实现固支。为了研究基本顶实际围岩条件时的破断规律及破断条件,建立弹性基础边界条件弹性薄板力学模型,运用有限差分方法计算弹性基础系数k与基本顶厚度h、弹性模量E、泊松比、跨度L之间的相互关系对基本顶主弯矩及起始破断位置的影响,并根据主弯矩破断准则得出：弹性基础边界时基本顶首先在中部或长边超前煤壁处破断;比值k/E或k/h3或k/(Eh3)不变时基本顶破断位置不变;k/E或k/h3或k/(Eh3)小时基本顶中部先破断、即煤层松软、基本顶厚度及弹性模量大时基本顶中部先破断;k/E或k/h3或k/(Eh3)大时基本顶长边超前煤壁先破断、即煤层坚硬且基本顶厚度及弹性模量小时基本顶长边先破断。弹性基础边界时基本顶的初次破断规律由k,L和基本顶刚度D复合决定,长壁工作面基本顶的破断类型及条件为(k/D)1/4L＞9.6时：长边超前煤壁→中部→短边超前煤壁、或长边超前煤壁→短边超前煤壁→中部,(k/D)1/4L＜9.4时：中部→长边超前煤壁→短边超前煤壁,(k/D)1/4L = (9.5±0.1)时,基本顶中部和长边超前煤壁位置接近同时破断;对于方形工作面,(k/D)1/4L＞10.5时四边超前煤壁区先破断,(k/D)1/4L＜10.1时中部先破断,(k/D)1/4L = (10.3±0.2)时四边超前煤壁区与中部接近同时破断。     

砂卵石地层浅埋盾构隧道开挖面稳定模型试验

为探究浅埋砂卵石地层对盾构开挖的响应及开挖面的稳定性规律,设计了土压平衡盾构精细模拟装置,并开展室内模型试验研究。试验分析了浅埋砂卵石地层盾构开挖面变形对地表沉降、沉降槽形态的影响,得到了开挖面的破坏模式及变形破坏细观过程,并与纯砂地层试验进行对比。研究结果表明:(1)不同空间位置土体对开挖面位移的敏感性不同,但土体的破坏规律相似;(2)随开挖面位移增大,地层沉降–开挖面位移曲线表现出不敏感阶段、缓慢线性沉降阶段、加速沉降阶段、快速线性沉降阶段等4个阶段的规律;(3)浅埋情况下土体未出现局部失稳,经历弹性变形、弹塑性破坏之后直接发展为整体失稳破坏;(4)砂卵石土沉降槽两侧在对称性上存在差异;(5)浅埋砂卵石地层中盾构开挖对侧面土体影响范围较小,对前方土体影响范围较大。