三软大倾角厚煤层大采高综采面覆岩破坏特征研究

针对大倾角三软厚煤层大采高工作面顶板管理难、开采难度大、覆岩变形破坏复杂、支架失稳等问题,以阳泉一矿大采高工作面为工程背景,分析了开采覆岩破坏冒落带呈现"弧形"特征形态,通过相似模拟实验揭示了大倾角三软厚煤层大采高开采过程中上覆岩层破断过程及结构特征。结果表明覆岩破坏及运移特征具有不对称性、不均衡性,最大垮落在工作面上部,采空区充填不均匀,顶板水平、垂直和倾斜位将其有相似的变化规律,基本呈现先增大后减小的变化趋势,且随着距离煤层越远,位移量显著变小,同时建议在开采过程中加强工作面上部顶板、支架管理。研究结果为三软大倾角厚煤层大采高矿山安全生产提供理论指导依据,同时也为同类型矿井提供借鉴。     

大倾角煤层组合覆岩结构力学特征及失稳判据研究

针对大倾角煤层开采过程中顶板覆岩结构特征及应力演化,建立了组合岩体梁计算模型,分析了其受力荷载分布情况;提出顶板覆岩多层岩体梁截面几何特征的计算方法。相关煤矿巷道工程断面的实践应用表明评判结果与实际工况一致,证明模型构建科学合理,开拓了关于大倾角顶板覆岩失稳评判的新思路。     

大倾角煤层开采“关键域”岩体结构稳定性分析

以大倾角煤层走向长壁采场为研究对象,分析采场覆岩运动、应力场分布特征,揭示了围岩"关键域"迁移转化特征,认为"关键域"是大倾角煤层开采覆岩垮落形成的非对称"拱壳"形态区域内对覆岩活动起决定作用的岩层,沿工作面倾斜方向"关键域"转换导致不同区域关键岩块形成层位不同,关键岩块相互作用形成倾向"梯阶"结构。根据倾向"梯阶"结构形成特征,建立倾向"梯阶"结构力学模型,分析得出不同区域"关键域"岩梁的受力特征,揭示了"关键域"岩体结构的剪破裂和张破裂机制,确定了"关键域"关键岩块的破坏失稳引起覆岩"拱壳"空间失稳模式,为大倾角煤层安全高效开采奠定理论基础。     

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。     

大倾角煤层长壁开采覆岩空间活动规律研究

针对大倾角煤层长壁开采覆岩变形、破坏和运移规律复杂,对工作面安全开采影响大等问题,采用现场实测、数值模拟和相似材料模拟,研究总结了大倾角煤层长壁开采直接顶、基本顶和高位岩层空间的变形、破坏和运移规律。结果表明:大倾角煤层走向长壁机械化开采过程中,沿倾斜方向采场顶板低位岩层与高位岩层均呈现出非对称力学特征,且破坏运移呈现出时序性和不均衡性。沿工作面倾斜方向中、上部区域内"三带"特征明显,且层位较高,而下部则顶板岩层没有明显的"三带"特征或"三带"形成的层位较低且不完整;多区段、多煤层开采时,上覆岩层影响程度远大于单一煤层,且具有一定冲击性。     

大倾角煤层开采大型三维可加载相似模拟试验

由于煤层赋存条件特殊,大倾角煤层开采采场围岩空间应力分布及演化、围岩运动特征复杂。现有三维模型试验平台存在模型加载、空间开采与监测等技术缺陷。通过采用新型三维可加载模型试验系统,实现模型均布加载、密闭空间开采模拟等技术创新,对枣泉煤矿120210工作面大倾角煤层开采进行大型三维可加载相似模拟试验研究,得出在工作面上部区域覆岩垮落充分、裂隙发育,关键域形成层位高,下部区域覆岩垮落不充分,关键域形成层位低,覆岩空间垮落呈非对称拱壳形态,上部区域应力值、来压强度、支承压力区应力集中系数等特征量明显大于下部区域。以上结果验证了大倾角煤层开采围岩空间结构形态和应力演化规律。     

基于Schwarz交替法求解分析浅埋近距离煤层开采覆岩结构演化规律

我国西部地区有着丰富的浅埋近距离赋存条件的煤炭资源,其特点是煤层埋藏较浅,上覆基岩厚度较薄,覆盖层为含水砂层.该类型矿井工作面开采一旦波及到含水砂层,工作面将产生涌水溃砂等灾害事故.为了预防此类矿山灾害问题,通过弹性力学和复变函数理论建立了近距离煤层开采扰动的"无限平面双矩形孔口"理论力学模型,并对其覆岩结构演化规律进行了深入研究.主要研究结果为:① 基于弹性力学和Schwarz交替法推导了煤层重复开采扰动覆岩应力场理论公式,并采用理论解析方法对不同中间岩层厚度下覆岩应力场分布规律和破坏范围进行了分析研究.研究表明:覆岩内水平应力σx整体呈"X"型分布,顶底板岩层处于拉应力状态,左右两侧呈椭圆形分布;当中间岩层厚度为20 m时,工作面上方岩层处于拉应力状态,极值拉应力为0.82 MPa,覆岩破坏区达到58 m.与上煤层开采引起的32 m裂缝带高度相比,下煤层开采引起的覆岩破坏范围明显增大;② 灵露煤矿Ⅱ2-1和Ⅱ3煤层开采相似材料模拟结果表明:整个中间岩层发生破坏,与上煤层开采引起的35 m裂缝带高度相比,下煤层开采引起的裂缝带发育高度明显增大,达到61 m.下煤层采动造成了原上覆岩层裂缝带的二次发育.相似材料模拟试验验证了该理论解析方法的可行性.研究成果对浅埋煤层安全高效开采和可持续性发展具有一定的理论指导意义.     

祁东煤矿3_224工作面开采“两带”高度发育特征的数值模拟

在分析祁东井田地质条件基础上,利用RFPA2D分析系统对不同地应力条件下,由于煤层开采引起煤层顶板覆岩发生的损伤演化和应力场调整的过程进行了有限元分析。据此分析研究了工作面覆岩破坏规律,确定了"两带"发育高度。利用简易水文观测法得到的"两带"发育高度值对模拟计算结果进行了验证,得出了3224工作面两带发育高度和规律的结论。     

大倾角厚煤层综放采场应力与变形破坏特征的三维数值分析

应用FLAC^3D计算程序，分析了某矿大倾角厚煤层在综放开采过程中，采场覆岩与顶煤的运移规律及相应的应力场、破坏场的变化特征，揭示了沿煤层倾向布置的综放支架的受力状态及运动趋势，研究结果得到了现场实践的验证，为大倾角厚煤层的综放开采提供了理论依据，对工程实践有一定指导意义。     

“十”字形交错采场覆岩破坏规律研究

针对某煤矿4300采区煤层空间交错工作面形成"十"字型采场开采的情况,并根据采区煤层赋存情况,采用模拟软件FlAC3D建立"十"字型采场开采的三维模型,逐步开挖3上煤层工作面,上覆岩层运动稳定后再逐步开挖3下煤层工作面,获得各开采阶段的上覆岩层破坏形态及应力场分布特征,同时分析出3上煤层开采后覆岩运动规律以及3下煤层开采中覆岩运动规律,取得了良好的效果。