大倾角煤层长壁开采顶板应力传递路径倾角效应

大倾角煤层安全高效开采的关键是对围岩的有效控制,而发现并揭示围岩采动应力的时空演化特征及其倾角效应是围岩稳定性控制的基础。以新疆某矿25221工作面为工程背景,采用现场实测、理论分析与数值计算相结合的研究方法,在综合厘定与分析工作面矿压显现一般规律及其成因的基础上,研究顶板采动应力传递路径的时空演化特征及其倾角效应。结果显示：在大倾角煤层开采中,顶板采动应力随工作面推进的动态演化过程先后经历了增长期和稳定期,其对应支承压力峰值的演化呈现为先增大后趋于稳定的特征。受煤层倾角影响,顶板采动应力的三维传递演化沿走向对称、沿倾向非对称。在倾向剖面内,顶板应力的传递路径呈非对称拱形形态,且沿顶板自上而下,应力偏转位置由工作面倾向中轴线左侧逐渐向其右侧迁移,上覆岩层载荷以应力偏转界线为界,分别向倾向上、下侧煤体传递,造成倾向上侧支承压力集中系数大于下侧。在工作面走向剖面内,围岩应力的传递路径呈扁平拱形态,扁平拱两侧半拱形区域上覆岩层载荷除了向工作面走向两侧煤体传递外,亦向工作面倾向上、下侧煤体传递,而扁平拱中间直线段区域上覆岩层载荷主要向倾向上、下侧煤体传递。随着煤层倾角的增大,围岩应力传递演化的...     

大倾角大采高采场覆岩应力路径时空效应

为揭示大倾角大采高采场覆岩变形破坏的时空演化特征及应力路径效应,以2130煤矿25221工作面为研究背景,采用3DEC数值模拟方法,在对覆岩变形破坏时空演化特征的综合厘定与分析的基础上,提出了大倾角采场上覆岩层在采动应力作用下的扰动分区,量化了采场沿工作面走向、倾向及不同层位覆岩采动应力路径的空间演化规律,揭示了采场空间不同区域覆岩采动应力与断裂失稳过程中的对应关系。研究结果表明：在大倾角大采高开采中,重力-倾角效应作用下矸石呈现非均匀充填特征,导致覆岩垮落形态及顶板承载拱在采场空间均呈现出典型的跨层迁移转化特性,包络面内中上部区域“倒三角临空面+倾斜砌体结构+高位梯阶岩层”形成空洞现象,“高位梯阶岩层”失稳易诱发“倾斜砌体结构”同时断裂,对支架形成较大的冲击动载荷。工作面煤层开采导致采场上覆岩层的三向采动应力大小、方向均发生了显著变化。沿工作面走向,覆岩最大主应力演化先增大再减小,最小主应力则先减小再反向增大,最大和最小主应力沿推进方向的垂直平面内向采空区旋转,上覆岩层的极限平衡状态界面沿工作面倾斜方向呈非对称展布。沿工作面倾向,煤柱侧上方岩层产生应力集中,工作面上方岩层卸荷,覆岩层...     

大采高采场三维应力分布规律数值模拟研究

以谢桥煤矿1232(3)工作面地质条件为基础,利用数值模拟方法研究该工作面采场的三维宏观力学特征,揭示了大采高综采工作面开采过程中工作面煤岩层三维应力分布规律。研究表明:顶板岩层中的最大主应力作用位置位于煤层内最大主应力作用位置前方,采场空间围岩内存在椭球形状的应力拱壳结构,工作面位于压力拱壳结构内部的低应力区。     

基于采动应力边界线的顶板巷道保护煤柱留设方法

针对平顶山一矿31010工作面回采期间顶板丁戊三乘人巷严重变形的问题,通过现场实测和数值模拟研究了巷道变形的原因及保护煤柱留设的问题。结果表明：工作面回采后,上覆顶板岩层中的应力发生改变,将应力值等于1.05倍原岩应力的点构成的曲线定义为采动应力边界线。采动应力边界线由开采煤层向上覆岩层呈外扩式发展,采动应力边界线距开采边界的水平距离随着距开采煤层高度的增大而逐渐增大,但增大趋势逐渐减小。采动应力边界线内侧岩层应力出现增压区和减压区,而外侧岩层仍处于原岩应力状态,采动应力边界线是划定工作面上覆岩层是否受工作面回采影响的边界线。目前顶板巷道保护煤柱宽度是按岩层移动角进行设计的,没有体现内部岩层移动变形及应力特征,导致顶板巷道保护煤柱宽度不合理而出现破坏,为此提出了基于采动应力边界线的顶板巷道保护煤柱宽度设计方法。按照此方法设计的平顶山一矿31010工作面顶板乘人巷保护煤柱宽度应为158 m。     

急倾斜薄煤层仰斜开采覆岩应力分布特征研究

为了确保急倾斜薄煤层的安全回采,基于龙湖煤矿南二采区急倾斜煤层的赋存条件和水文工程地质条件,采用离散元UDEC数值计算,研究了急倾斜煤层仰斜开采条件下上覆岩层的应力分布特征和破坏规律。结果表明：急倾斜煤层仰斜开采实体煤侧和工作面前方均存在应力增高区,其应力集中程度随工作面推进呈抛物线和线性增大趋势;急倾斜煤层开采采空区上方为应力降低区,将主应力轨迹线连接形成应力卸压拱,卸压拱拱高和拱角均随工作面推进呈增大趋势,其形状随工作面推进由对称拱—非对称拱—平顶拱转变,卸压拱形态反映出覆岩不同岩层间的应力传递关系,与覆岩的离层位置密切相关。     

大倾角煤层群开采岩移规律数值模拟及复杂性分析

采用数值计算软件FLAC^3D对东峡煤矿大倾角煤层群走向长壁开采进行了数值计算，并结合现场监测进行了对比分析，总结了工作面开采围岩移动的规律性和复杂性．结果表明，在大倾角煤层群开采时，无论是围岩应力还是岩层运移都表现出与单一大倾角煤层不同的特征，变化现象趋于复杂，上层煤开采不仅影响了上覆岩层的运移规律，而且对下层煤产生了扰动，影响了下层煤开采，其主要表现为上层煤开采的卸载扰动和支架、采空区垮落体的加载扰动．研究结果为现场开采实践提供了科学依据．     

浅埋单一关键层断裂覆岩压力成拱效应及分布特征

我国神东矿区赋存有大量埋深浅且基岩薄的厚煤层,浅埋长壁工作面顶板岩层结构形式和矿压显现具有特殊性,为探究采场断裂覆岩荷载传递特征及承载状态,针对浅埋薄基岩工况条件下断裂结构顶板岩层压力传递成拱特点,以单一关键层断裂覆岩为研究对象,根据采场断裂岩层回转下沉运动中的典型受压状态,讨论岩层接触面和关键块内压应力传递路径及分布特征,分析覆岩关键块内集中压应力的拱效应形成机制。通过构建断裂覆岩铰拱结构力学模型,解析推导了对应覆岩铰拱结构的拱轴力求解公式,分析了周期断裂覆岩关键块回转接触特征及应力传递规律。以神东矿区大柳塔矿典型浅埋单一关键层煤层开采为工程背景,利用块体离散元UDEC软件构建煤岩层数值模型,考虑工作面沿最大主应力方向推进情况,对不同采动阶段断裂覆岩结构形式和主应力演化特征进行模拟分析,获得了初次断裂及周期断裂覆岩承载区域分布规律。结果表明:成拱区域拱脚、拱肩和拱顶区域主应力分布符合二次函数抛物线规律,拱脚主应力沿竖直方向由下向上呈递减分布,而拱肩和拱顶主应力呈递增分布,拱腰主应力分布呈过渡性变化。通过分析主应力集中带关键部位最大主应力拟合规律及垂直应力分布特征,明确了主压应力成拱效...     

大倾角煤层群开采岩移规律数值模拟及复杂性分析

采用数值计算软件FLAC3D对东峡煤矿大倾角煤层群走向长壁开采进行了数值计算,并结合现场监测进行了对比分析,总结了工作面开采围岩移动的规律性和复杂性.结果表明,在大倾角煤层群开采时,无论是围岩应力还是岩层运移都表现出与单一大倾角煤层不同的特征,变化现象趋于复杂,上层煤开采不仅影响了上覆岩层的运移规律,而且对下层煤产生了扰动,影响了下层煤开采,其主要表现为上层煤开采的卸载扰动和支架、采空区垮落体的加载扰动.研究结果为现场开采实践提供了科学依据.     

高瓦斯煤层群“时间-空间-强度”协调开采技术

为实现低透气性高瓦斯煤层群连续协调开采,采用数值分析、现场实测等综合手段,对高瓦斯煤层群工作面的协调开采技术进行研究。结果表明:工作面后方采空区底板岩层中,存在低应力卸压区域,但随着采空区矸石冒落充填压实后,又出现应力回升现象,不利于下伏煤层瓦斯抽采卸压;上覆煤层的采掘空间位于下煤层开采应力壳的影响范围内,围岩稳定性差,不利于上覆煤层的采掘。基于应力壳的存在及其演化带来的影响,提出了高瓦斯煤层群工作面"时间-空间-强度"协调统一的开采技术,新庄孜煤矿六二采区的6211(1)工作面和62108工作面回采结果表明,2个工作面间没有产生相互采动影响,实现了煤层群工作面的连续协调开采。     

大倾角突出煤层群高位巷与高位钻孔瓦斯抽采技术研究

基于大倾角突出煤层群顶板岩层瓦斯抽采困难问题和保护层工作面回风隅角瓦斯超限问题,以湖南省蛇形山煤矿2344工作面为例,根据矿山压力及其控制理论,确定了保护层工作面顶板"三带"的合理高度,初步试验了大倾角突出煤层群岩层高位巷与高位钻孔瓦斯抽采技术。揭示了保护层工作面顶板岩层中采用高位巷与高位钻孔瓦斯抽采技术的区别,其中高位钻孔抽采的瓦斯浓度可达99. 9%,高位钻孔优于高位巷,同时,在工作面顶板岩层中采用钻场钻孔的布置方式,不影响保护层工作面的正常生产,改变了大倾角煤层群保护层工作面瓦斯在本煤层抽采的模式。     

多重采动下大倾角上覆煤岩移动及地面井变形规律

地面井在煤层开采引起的采动作用下极易发生变形直至失稳破坏,这也是制约采动卸压区地面井瓦斯抽采技术应用的关键性问题。以新疆1930煤矿大倾角煤层群开采为背景,开展了大倾角煤层群开采下地面井变形的相似模拟试验,通过监测覆岩移动、煤层应力变化、地面井管道不同位置的轴向与环向变形,揭示了大倾角煤层群采动下地面井变形规律,研究表明：首先地面井在采动过程中处于剪切、挤压、拉伸的复合应力状态,但由于煤岩层倾角的存在,环向的剪切变形大多时间大于轴向的拉伸变形,即地面井受到的剪切作用占主导地位,同时采动过程中,地面井环向的剪切变形与轴向伸缩变形存在一定的负相关关系,在一定程度上说明地面井所受的剪切作用和拉压作用存在相互制约的关系;其次地面井轴向变形规律整体呈现增大趋势,但过程中出现拉缩交替的现象,与近水平煤层重复采动时的一直增大存在较大差异,而环向的剪切变形的变化趋势则与近水平煤层重复采动时较为相似,出现了反复错动的特点,但最终剪切位移的方向始终为煤层的倾斜方向;最后研究也发现在主关键层上部地面井变形规律整体呈现“增大—减小”反复三次交替,在主关键层及下部呈现“增大—减小”反复四次交替。研究成果可以为大...     

深部近距离煤层群采动力学行为探索

我国深部近距离煤层群赋存开采比重大,采动力学机理不清,导致开采效率低,安全事故频发。深部煤岩体所表现出的物理力学特性及变形破坏特征较浅部有着本质差异,尤其在深部近距离煤层群开采条件下,临近工作面扰动影响将导致更加复杂的采动应力重分布过程。针对深部近距离煤层群采动影响下巷道围岩控制难题,依托平煤十二矿己_(14)和己_(15)深部近距离煤层群工程实践,在己_(15)-31030工作面进风巷内开展了巷道收敛变形、锚索应力现场原位监测试验,理论计算了近距离煤层群底板破坏范围并推导得出了巷道围岩变形速度公式,初步揭示了深部近距离煤层群采动力学行为。研究表明:己_(14)煤层底板破坏深度理论值约21.24～30.88 m,上覆煤层采动影响导致本煤层采场边界改变,巷道顶底板及左右帮收敛量约400 mm,巷道收敛变形量随采煤工作面推进呈现阶梯式缓慢增长与指数式快速增长两阶段模式,其中指数式快速增长阶段为巷道变形的主要阶段;锚索应力随采煤工作面推进呈现"近线性增长—跃阶式降低"两阶段演化模式,顶板锚索应力平均变化率、峰值应力均显著高于巷帮相应参数,巷道顶板采动效应较巷帮更为明显;锚索应力峰值点滞后最大收敛变形位置约40 m,采动影响时效相比单一煤层开采大幅延长约35 m,采动应力变化率及其峰值分别降低约53.5%,24.5%,己_(15)煤层采动影响范围约105 m;巷道围岩变形速率与距采煤工作面距离呈现反比例函数关系,在此基础上,进一步推导得出深部近距离煤层群距采煤工作面不同距离处围岩变形速度预测公式,并对比现场原位监测数据验证了该公式的合理性。研究成果可为同类深部近距离煤层群的巷道围岩变形速度预测、巷道支护及采矿技术优化等工程问题提供参考。     

近距离煤层群下行开采底板应力分布与瓦斯抽采技术研究

针对沙曲煤矿近距离突出危险煤层群开采的瓦斯防治难题，采用室内试验、数值模拟现场试验等研究手段对近距离煤层群下行开采底板应力分布特征与卸压范围及钻孔瓦斯抽采布置有进行分析。结果表明：煤层群各顶底板岩层物理、力学性质呈现不均匀分布，表现为岩层间横向性质相近，垂向岩性差异性较大的典型层状分布。其中，3号、4号、5号煤层间顶底板均为密度较大、内聚力较大、抗拉、抗压强度均较高的砂岩。4号煤层开采后采空区中部底板岩层一定范围内出现明显的垂直应力为0MPa的区域，底抽巷处在卸压区范围内，采空区中部下方底抽巷围岩垂直应力低于5MPa。底抽巷布置在距5号煤层14m处是合适的。工程实践表明，抽采半年后瓦斯压力由1.5MPa降至0.2MPa，平均抽采率维持在80%以上，采用底抽巷抽采瓦斯效果较佳。     

大倾角煤层长壁开采空间应力拱壳形态研究

大倾角煤层特殊的赋存条件,造成在大倾角煤层开采中顶板空间应力场的演化规律、顶板破断垮落后所形成的围岩结构等较缓倾斜煤层开采时异常复杂,导致维持顶板稳定性的难道加大。基于大倾角煤层开采物理相似材料模拟实验和数值仿真结果,分析了在大倾角煤层开采中围岩结构的基本特征和应力拱壳的基本特性,认为非对称空间应力拱壳是开采扰动破坏原岩应力平衡后,上覆岩层在自我组织能力作用下所形成的主应力迹线的空间展布形态,空间应力拱壳沿走向对称,沿倾向非对称,且当工作面推进距离远大于工作面长度时,空间应力拱壳中间区域沿倾向的形态基本保持不变。据此,在考虑冒落矸石非均匀充填效应的基础上,建立了沿倾向和沿走向的三铰拱力学模型,推导给出了沿倾向非对称拱和沿走向对称拱的轴线方程,并通过算例对研究结果进行验证。结果表明,文中给出的轴线方程能较好的描述采场空间应力拱壳的基本形态;当工作面推进距离远大于工作面长度时,空间应力拱壳沿走向两端对称区域的形态基本保持不变;沿走向对称应力拱的拱高和跨长在倾斜方向上呈先增大后减小的趋势;最大垮落高度在倾向方向的中上部区域,该区域走向应力拱的跨长和拱高也最大。     

大倾角层状采动煤岩体重力-倾角效应与岩层控制

大倾角煤层开采过程中，重力-倾角效应是导致细观层状煤岩体单元体主应力偏转和层间接触面应力非均衡传递，介观层状采动模型优势破裂面方向偏移，宏观层状关键层区域迁移、岩体结构异化的主要因素。研究表明，在倾角35°以上煤层采场中重力-倾角效应影响尤为明显：(1)煤岩组合界面倾角35°～60°时，非均衡传力特性逐渐凸显，界面附近煤岩体内应力传递方向发生偏转，且偏转量随倾角增加逐渐增大；煤体破坏由压剪破坏转化为近平行于界面的滑移剪切破坏，煤岩体的强度和弹性模量也随之减小。(2)改变了采场围岩采动应力路径演变规律，在采动应力驱动下顶板的损伤变形与破坏运动存在明显的区域性和时序性。(3)诱发了大倾角采场顶板结构跨层迁移转化、底板非对称破坏滑移、区段煤柱或煤壁局部-整体破坏，以上围岩失稳存在多尺度链式时空关联性，特别是引发围岩灾变的采场关键岩块位置多变，形成采场围岩承载结构异化和泛化特征。理论与实践表明，重力-倾角效应作用下大倾角煤层岩层控制具有显著的多维度和多尺度特点，突破传统开采方法与技术瓶颈，研发全新型成套装备是实现该类煤层安全高效开采的有效途径。     

大倾角煤层长壁开采底板非对称破坏形态与滑移特征

底板破坏滑移是大倾角煤层开采亟待解决的关键问题之一,以2130煤矿25221大倾角综采工作面为研究背景,采用理论分析、数值计算和现场监测相结合的研究方法,系统研究了底板的破坏和滑移特征。结果表明,在采动应力和支架载荷作用下底板的力学性状发生改变,由层状连续介质状态演化为具有"结构体+结构面"的块裂介质状态;底板沿工作面倾向的破坏形态呈现为下大上小的非对称反拱,其最大破坏深度位于工作面倾向下部区域,且其破坏深度和范围随着煤层倾角的增大而减小;支架载荷对底板破坏影响有限,主要涉及采场直接底岩层;在底板重力倾向分量及支架和相邻块体载荷作用下,当滑移体存在临空面、滑移体所受主动力与滑移面相交、且主动力合力与滑移面法线方向的夹角大于滑移面的摩擦角时出现底板滑移,且底板岩体结构失稳滑移的概率随着煤层倾角的增大、支架倾斜幅度和范围的增大、直接底破碎程度的增大而增大。     

岩层倾角对采动覆岩应力演化影响规律数值模拟

为研究岩层倾角对采动覆岩应力演化规律的影响,以西北某矿缓倾斜工作面为研究背景,建立近水平和缓倾斜煤层2种模型,采用FLAC3D模拟研究不同开采条件下覆岩应力、位移演化规律和“三带”分布特征,对比分析煤层倾角对覆岩运动的影响,为揭示缓倾斜煤层开采上覆岩层活动规律提供参考。研究表明：随着工作面不断推进,缓倾斜煤层上覆岩层垂直应力的峰值大于近水平煤层上覆岩层垂直应力的峰值;缓倾斜煤层开采覆岩位移峰值大于近水平煤层开采覆岩位移峰值;近水平煤层和缓倾斜煤层开采距采空区上方10 m左右为冒落带,近水平煤层开采距采空区上方47 m左右为裂隙带区域,缓倾斜煤层开采距采空区上方50 m左右为裂隙带区域;缓倾斜煤层塑性区域范围大于近水平煤层塑性区域范围;通过数值模拟对比分析,不能忽略煤层倾角对采动覆岩应力的影响。     

大倾角复合顶板失稳机理及控制研究

为解决大倾角工作面设备稳定控制不易及回撤困难等问题,在采动应力演化规律及矿压显现特征的基础上,分析了工作面顶底板受力-变形-破断特征,研究了工作面煤壁片帮机理及煤岩和设备稳定控制方法,保障了大倾角复合顶板工作面的安全开采。     

不同煤层倾角对围岩及顶底板影响的数值模拟

以安徽某煤矿倾角煤层采煤工作面的开采为工程背景,通过FLAC3D大型模拟软件对不同煤层倾角采煤工作面开采后采场围岩及顶底板矿压分布规律进行研究。研究结果表明: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。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煤层工作面且采场顶板应力分布是不对称的。     

大倾角走向长壁工作面局部充填无煤柱开采理论与技术

大倾角煤层走向长壁采场围岩结构及应力环境异化,工作面不同位置“支架-围岩”系统的构成因素及灾变模式不同,导致工作面安全事故频发、煤炭采出率较低、巷道掘进率高。通过对大倾角采场围岩采动力学行为的分析,提出了大倾角走向长壁工作面局部充填无煤柱开采技术构想,工作面走向推进过程中沿倾向对采空区下部进行局部充填,充填体既与巷旁支护作用形成沿空巷道,取消区段保护煤柱,实现大倾角煤层无煤柱开采,又增大了工作面倾向下部充填压实区长度,加强了工作面“支架-围岩”系统稳定性。根据大倾角走向长壁采场特点,优选确定了大倾角膏体局部充填工艺,设计了大倾角局部充填回采系统、采充工艺。并采用理论分析、模拟实验、数值计算等相结合的方法,分析了局部充填对大倾角走向长壁采场围岩采动力学行为的调节机制。结果表明：充填体影响基本顶岩梁的变形破坏及采场倾向下侧煤岩体承载特征,基本顶、运输巷顶板变形量及运输巷倾向下侧煤岩体所受约束均随充填长度的增大而减小;为防止采空区未充填区悬顶灾害,充填长度不应超过工作面长度的1/3。局部充填体限制了工作面下部区域顶板破断,降低覆岩关键域形成层位,形成稳定的巷帮,减小沿空留巷围岩变形量;同时工...