混合综采工作面覆岩运移规律及空间结构特征分析

基于平煤十二矿深部开采面临的排矸量大、辅助运输困难、矿区环境污染以及常规充填面产能不足工程背景,创新了矸石充填与垮落法混合综采技术并阐述了其技术内涵。采用理论分析、物理相似模拟和现场实测方法系统地研究了混合综采工作面覆岩运移规律和空间结构特征。通过理论分析得到了不同充实率状态下混合综采工作面覆岩空间结构特征;物理相似模拟结果表明,混合综采工作面充填段基本顶仅发生弯曲下沉,而垮落段直接顶垮落、基本顶断裂,垮落段基本顶平均下沉量是充填段的4.2倍,覆岩空间结构表现出明显的非对称特征。矿压实测数据显示,充填段采场无明显的来压现象,垮落段来压现象显著,初次来压步距约30 m,周期来压步距约22 m,动载系数达1.7左右;岩层钻孔窥视结果观察到充填段顶板完整,覆岩空间结构呈现“两带”发育特征;垮落段覆岩结构呈“三带”发育特征,混合综采工作面覆岩非对称性空间结构特征显著。     

大采高综采面覆岩运动及矿压显现规律研究

为了研究补连塔煤矿12511综采工作面上覆岩层运动及矿压显现规律,使用相似材料模拟实验对12511综采面进行模拟,通过覆岩垮落特征,获得了覆岩垮落规律。通过工业试验、理论计算验证其合理性。研究表明：通过理论计算周期来压步距为11.6 m,此结果与实际观测的周期来压步距相一致。通过相似材料模拟实验发现综采面推进至60 m时发生初次垮落,推进至90 m时离层长度达到最大60 m,随着综采面推进离层长度逐渐减小;综采面推进到210 m时离层闭合不再发育。通过现场观测得出综采面超前支承力影响范围约25 m,超前支承压力对顶板影响距离约为22.55 m。     

垮落法与充填开采破坏范围和超前应力对比分析

为分析兴宁一矿1207工作面垮落法开采和充填开采后,覆岩破坏范围和超前支撑压力分布特征,采用UDEC数值模拟的方法,根据1207工作面的地质采矿条件建立数值模拟模型,分别对垮落法开采和充填开采后的覆岩破坏范围和超前支撑压力进行模拟。模拟得出垮落法开采和充填开采时覆岩破坏范围分别是30 m和2 m,超前支撑压力峰值位置分别为4 m和1 m,峰值分别为22 MPa和17 MPa,超前影响范围分别为25 m和15 m。可以得出充填法开采相较于垮落法开采对覆岩应力分布和破坏范围的影响减弱很多。     

固体充填采煤矿压显现规律及机理分析

针对五沟煤矿邻近工作面垮落法和固体充填法2种不同采场顶板管理方式采煤,基于现场矿压显现实测结果,对比研究了同一地质条件下2种采煤方式工作面矿压显现规律。结果表明:1013垮落法开采工作面初次来压步距28 m,支架支护强度0.6 MPa,支架安全阀开启率为5%~9%,采场应力集中系数为3.76,采场覆岩"三带"特征变化,覆岩裂隙发育高度45 m;而CT101充填工作面,初次来压步距58 m,支架支护强度0.5 MPa,支架安全阀不开启,采场覆岩"两带"变化,覆岩裂隙发育高度10 m左右。在分析两者矿压显现特征的基础上,通过力学分析及数值模拟方法,对不同充实率下采场矿压显现特征、机理进行了研究,对现场实测结果进行了验证。     

8.8m超大采高综采工作面覆岩活动规律研究

为了掌握浅埋深8.8m以上特厚煤层一次采全高开采覆岩活动规律,以上湾煤矿8.8m超大采高综采工作面为研究对象。利用理论计算,相似模拟以及数值模拟等方法,通过顶板位移深基点观测、微震监测、矿压监测等多种手段,将远场覆岩活动与近场矿压显现相结合,对8.8m超大采高综采工作面采场覆岩运移规律和顶板结构形式进行研究。推演得出浅埋深8.8m超大采出空间下覆岩垮落的结构模型,揭示了工作面远场顶板断裂与垮落时空演化规律,分析了8.8m超大采高综采工作面矿压机理及支架与围岩的力学关系,为类似条件下特厚煤层综采工作面支架选型及安全高效开采提供理论及技术指导。     

6.0 m大采高厚硬顶板工作面强矿压特征

针对大采高工作面覆岩顶板运移规律及工作面矿压显现强烈的问题,通过理论推导、UDEC数值模拟与现场调研的方法,分析了小保当煤矿6.0 m大采高厚硬顶板工作面推进过程中煤层顶板覆岩破断形式、垂直应力分布特征及变化规律。研究了小保当一号煤矿112207工作面顶板覆岩压力的分布规律,并通过数值模拟分析得出综采工作面煤壁支撑影响区、顶板离层区、后方压实区的范围。研究结果表明：随着工作面的不断推进,厚硬顶板形成“砌体梁”结构,形成覆岩“F”型悬顶,对煤壁前方产生高应力、大范围的超前支承压力区,通过理论计算结合数值模拟,并综合现场实际观测结果得到：工作面煤壁支撑影响区为工作面前方约70 m内;顶板离层区为工作面后方约50 m内;后方压实区为工作面后方50 m之后;对厚硬顶板综采工作面进行矿压显现分析,研究结果可为矿山安全高效生产提供重要参考。     

极近距离煤层固体充填充实率协同控制 覆岩运移规律研究

针对南屯煤矿工广区域下极近距离煤层难以安全回收的问题,采用物理模拟、数值模拟和概率积分法相结合的方法,研究了极近距离煤层固体充填开采充实率协同控制覆岩运移规律。通过对比垮落法与固体充填法开采条件下的覆岩运移特征,得到了极近距离煤层覆岩运移控制关键。通过模拟分析不同充实率条件下极近距离煤层固体充填开采的覆岩运移规律,揭示了上下煤层充实率协同控制覆岩运移机理,从而实现极近距离煤层充实率的优化设计。最后利用概率积分法预计了极近距离煤层固体充填开采下的协同控制效果。结果表明:上下煤层充实率均为80%时可保证工广煤柱回收时地表建筑物的安全稳定。     

C2316工作面冲击地压诱发因素及矿压显现特征分析

安居煤矿C2316工作面埋深达到956 m,其顶板主要由中砂岩和细砂岩组成,硬度较大。同时,受高地应力、强采动的影响,工作面与回采巷道易诱发冲击地压的可能。因此,为确定工作面冲击地压诱发因素及矿压显现特征,采用理论分析和数值模拟方法,研究了工作面推进过程中覆岩运动及矿压显现规律。结果表明,诱发冲击地压的主要因素为煤层埋藏深度、煤层赋存特征及工作面顶板关键岩层。通过FLAC3D数值模拟结果得出,基本顶的来压步距为24 m,垮落范围约14 m,超前支承压力达到45.03 MPa,基本顶初次来压,工作面前方垂直应力集中显现,易诱发冲击地压危险。     

采空区覆岩破坏变形特征研究

以成庄矿4322综采工作面为工程背景,采用分析软件RFPA 2D对该工作面采空区覆岩破坏变形特征进行了数值仿真模拟研究。结果表明:受采矿应力大小、类型及分布等差异性影响,导致不同层段覆岩垮落、裂隙发育程度及类型、裂隙发育高度不同,并在采空区覆岩自下而上依次形成“垮落带、裂隙带及下沉弯曲带”等三个特征明显的采矿破坏变形带。采空区稳定形成后,垮落带最大发育高度达24 m(约3~4倍采高),裂隙带最大高度可达56 m(约9倍采高)。     

复合顶板条件下综采工作面覆岩破断及应力变化规律研究

针对山西晋能集团常顺煤矿9108工作面复合顶板稳定性控制的技术难题,通过采用理论分析、物理模拟及现场实测等研究方法,建立了工作面复合顶板覆岩破断分析的力学模型,理论分析了复合顶板条件下综采工作面顶板的破断规律以及矿压显现规律。理论分析结果表明:9108工作面复合顶板极限垮落步距为35.21m,复合顶板周期来压步距为14.37m。相似模拟结果表明:9108工作面复合顶板平均周期来压步距为18.4m,复合顶板初次垮落步距为31.5m;复合顶板的破断主要以拉伸破坏为主。数值模拟结果表明:9108工作面复合顶板主要变形破坏步距处于30m～40m。现场实测结果表明:9108工作面复合顶板的初次垮落步距为32m,周期来压步距为17m。现场实测的结果与理论分析、相似模拟、数值模拟的结果相吻合,验证了理论分析、相似模拟与数值模拟结果的合理性。研究结果揭示了9108工作面复合顶板条件下综采工作面覆岩破断规律,可为常顺煤矿9108工作面安全高效开采提供技术参考。     

大同矿区双系煤层开采煤柱影响下的强矿压显现机理

针对大同矿区石炭系煤层8105工作面过上覆侏罗系煤层采空区留设煤柱时的强矿压显现特征,采用理论与现场实测分析相结合的方法,对侏罗系煤层采空区煤柱的应力影响规律与石炭系煤层顶板的垮裂带范围进行了分析,得到了双系煤层开采煤柱影响条件下工作面强矿压显现的“煤柱-覆岩运动”联合作用机理。研究表明：侏罗系煤层采空区留设煤柱的水平与垂直应力较高,达10.5～13.5 MPa,应力集中区深度为40～70 m,剪应力波及范围达180 m;8105工作面顶板的垮裂带高度为150～170 m;工作面过煤柱时的强矿压显现是由采空区煤柱与煤层顶板垮裂运动联合作用的结果。     

不规则工作面开采矿震活动规律及其致冲风险控制研究北大核心

针对不规则工作面开采期间矿震频繁问题,以陕西某矿21306工作面为工程背景,采用理论分析、数值模拟和现场实践等方法,分析了21306工作面上覆岩层破断特征及开采期间围岩应力分布特征,研究了不规则工作面开采矿震活动规律,优化了降载释能的矿震致冲风险控制方案。结果表明:35 m的区段煤柱可一定程度上制约两工作面覆岩协同运动,21306工作面开采期间覆岩结构呈“O-X”型破断结构,与相邻采空区形成对称长臂T型结构;工作面推进过程超前区域及运输大巷侧应力影响范围不断扩大,以区段煤柱区域应力集中程度最大,回采至480m时垂直应力最大,已达到54.67 MPa,约是回采前垂直应力的1.41倍;随着工作面推进形成“刀把型”不规则结构,工作面缩面拐角区域应力集中程度明显较高,工作面缩面后降低了对运输大巷的影响;工作面开采期间震源事件主要分布于回采工作面前方,强矿震主要集中在工作面开采缩面区域、见方区域,且强矿震主要发生在工作面前方50 m及底板上方22~74 m范围内;强矿震诱发力源主要由关键层破断引起;实施了降载释能的矿震致冲风险控制优化方案,有效降低了强矿震的发生频次,保障了工作面后期的安全回采。     

大采高工作面覆岩移动规律的采厚效应

为了确定大采高工作面覆岩移动规律与采厚的关系,以某矿201工作面为工程背景,采用UDEC数值模拟不同采厚下工作面推进过程中工作面发生初次来压时覆岩垮落特征、塑性区及主应力场分布范围。结果表明:随着工作面采高增加,工作面初次垮落步距增大、覆岩垮落高度增加,塑性区及主应力场分布范围变大,同时为合理开采提供有利依据。     

固体充填开采矿压显现特征监测及数值模拟

为了研究充填开采覆岩破坏及应力场分布特征,以鑫源煤矿6~#煤层T6001充填工作面为工程背景,采用现场监测、数值模拟方法,通过布置液压支架压力感应器对工作面顶板压力进行监测,运用FLAC~(3D)软件模拟充填开采与垮落开采过程,分析覆岩破坏及应力场分布情况。结果表明:支架阻力曲线呈现两头高中间低的趋势,反映了充填体经过接顶、压实对顶板的支撑作用由小变大的过程;采空区范围较小时充填开采顶板破坏与应力分布情况与垮落开采相近,随着采空区范围增大,充填体对覆岩活动的控制作用逐渐增强,最终充填开采应力峰值约49MPa,覆岩破坏高度为3.5 m,较垮落开采分别降低了10%、71.5%,充填开采有效降低了矿压显现程度。     

补连塔煤矿22303工作面两巷超前矿压规律实测分析与模拟研究

为了掌握7.0 m支架综采工作面矿压显现规律、覆岩结构特征与支架的适应性,在补连塔煤矿22303工作面开展了7.0 m支架综放开采试验。在现场实测22303工作面7.0 m支架不同开采阶段两巷超前矿压规律的基础上,采用数值模型对两巷支承压力的变化及两巷支承压力随采高的变化情况进行了分析。结果显示:大采高模型的应力影响范围随着开采逐渐增大,影响范围增速较快,应力值也增大较快,其开采引起的超前影响范围达到65 m。     

浅埋煤层采场覆岩运动及来压规律研究

针对浅埋煤层采场覆岩运动特征及来压规律问题的研究,以万利一矿42303工作面的浅埋煤层为工程背景,通过物理模拟和数值模拟开展分析和研究。研究表明：42303工作面初次来压垮落步距为60 m,其压力峰值为14.7 MPa,覆岩初次周期来压步距为90 m,其压力峰值为15.97 MPa。此后周期垮落步距平均为12 m,最终呈现出垮落带高度为22 m,裂隙带高度为169 m的梯形结构。采空区上覆岩层呈现为梯形垮落结构,随工作面向前推进,采空区上覆岩层的梯形垮落结构影响范围逐渐增大。     

河下综放开采覆岩破坏特征研究

为了研究河流下综放工作面开采的覆岩破坏特征,防止突水溃沙,以山西某矿综采工作面的相关地质条件为背景,应用FLAC3D建立数值模拟模型,对工作面覆岩应力分布和塑性屈服区发育特征进行分析,得出了该工作面两侧煤柱附近出现应力集中,中部覆岩出现卸压区,覆岩导水裂隙带发育最大高度62 m。     

充填与垮落协同开采覆岩层间滑移破坏规律研究

充填与垮落协同开采技术发挥了综采“高产高效”与充采“绿色环保”的双重技术优势,目前对协同开采覆岩移动变形的研究已取得了一定的成果,但忽略了岩层层间的滑移效应对覆岩移动的影响。基于充填与垮落协同开采技术原理与工艺,根据协同开采覆岩结构特征,建立协同开采覆岩复合岩梁滑移力学模型,解出双层复合岩梁挠度、滑移、剪力和弯矩的理论解,分析复合弹性地基系数k对四者的影响规律,并通过物理相似模拟试验得出不同充实率条件下覆岩层间滑移规律;研究认为,采用充填与垮落协同开采方法时,受到同一工作面中同时布置充填段和垮落段的影响,双层复合岩梁四者理论解较垮落法的单一开采均发生突变,四者统计数值随复合弹性地基系数k的变化规律具有一致性,均可划分为快速降低区、缓慢降低区和平稳区,并计算得出滑移效应影响下的充填段临界充实率为93.75%;将理论计算与物理模拟结果进行对比分析,知充填段与垮落段覆岩均向协同工作面中央位置移动,验证了滑移模型的合理性。     

深部临空综放工作面矿压显现危险区域数值模拟分析

针对华亭煤矿250105综放工作面回采初期矿压显现频繁发生的问题,为探明矿压显现发生原因,指导矿压防治工作,运用FLAC3D数值模拟软件对工作面回采过程进行模拟研究。分析认为邻近工作面顶板垮落不完全和本工作面回采形成的多重应力叠加是造成该区域矿压显现频发的主要原因,并得出回采过程中工作面高应力区域分布规律:250105工作面回采前方20~70 m内应力集中程度最为严重,随工作面推进呈逐步升高趋势;在临空侧回风巷内帮上方岩体中存在高应力集中区,其分布范围广,并由回风巷侧向运输巷侧减弱;造成工作面围岩体中应力集中的主要原因是邻近250103工作面顶板垮落不完全,本工作面回采又加剧了这一现象。     

基于Hoek-Brown 准则的薄基岩厚松散层覆岩变形破坏特征研究

基于Hoek-Brown准则,以实验数据为基础确定了乌兰木伦矿的岩体力学参数,并运用 FLAC3D 研究了煤层开采引起的覆岩破坏特征。 结果表明:①在浅埋深条件下覆岩破坏直至地 表,地表形成偏态下沉盆地,最大下沉值2.1m,下沉系数0.6。 ②在开采区域四周边界一定范围 内分别形成应力降低区和应力增高区,呈现“外紧内松”状态,在工作面煤壁前方垂直应力集中 程度最高,应力集中系数为2.2,在工作面煤壁上方和开切眼上方均存在“压力拱”,但两者的跨 度、拱脚区域大小及应力集中程度不同。 ③乌兰木伦矿12403工作面垮落带高度为18.9m,导水 裂隙带高度为62.5m。