深埋弱黏结顶板采场矿压显现特征及载荷传递机理研究

为分析我国西部煤矿深埋弱黏结顶板中厚偏薄煤层的矿压显现特征及覆岩载荷传递机理,基于力学测试、XRD衍射试验及电镜扫描等研究方法,查明色连二矿2-2中煤层顶板主要砂岩层强度低、黏结力弱、抗变形能力差。现场开采实践表明:工作面开采后顶板覆岩破坏充分并及时充填采空区,致使初次来压和周期来压呈现出静压大,动压小、动载系数小等显现特征。据此,建立了压力拱力学模型,得到了压力拱跨度和拱高之间的关系式,计算出该拱高条件下支架的支护阻力,并通过数值模拟和现场实践得到了很好的验证。     

深埋薄基岩采场覆岩冒落拱与拱脚高耸岩梁复合承载结构形成机理与应用

焦作煤田赋存深埋厚冲积层薄基岩煤层，覆岩构成的特殊性导致顶板活动剧烈、地表下沉系数大，采场面临强矿压、突水溃沙威胁，沉陷区出现裂缝和积水，破坏房屋和农田。为提高深埋薄基岩采场围岩控制效果，以赵固二矿14030工作面为工程背景，采用室内试验、理论分析和现场实测等手段研究覆岩采动裂隙发育特征、顶板结构形态与承载机理，探究支架选型与灾害防控方法。结果表明：覆岩变形存在初始静止、慢速增长、快速增长和突变增长4个阶段，前2个阶段覆岩稳定，第3阶段因变形局部集中进入非稳定状态，第4阶段因非连续变形进入裂隙发育进程；采动裂隙萌生于高位厚冲积层，下行扩展导致基岩全厚断裂，形成覆岩冒落拱与拱脚高耸岩梁复合结构；覆岩连续变形受关键层控制，非连续变形由冲积层冒落裂隙主导；基于关键层沉降特征解释了采动裂隙萌生于高位厚冲积层的原因，揭示了裂隙下行扩展并贯穿岩层交界面的能量原理，采用断裂力学理论推导了基岩发生全厚剪切破断的力学条件；构建了冲积层冒落拱与拱脚高耸岩梁复合结构力学模型，提出了冒落拱极限承载能力与实际边界载荷计算方法，得到了冒落拱发生结构失稳的力学判据，采动应力旋转促进冲积层载荷向拱脚两侧传递，增强了冒...     

长壁工作面老顶初次来压的弯曲失稳解析

根据煤矿长壁采煤工作面顶板的物理力学特性建立力学解析模型，按卡氏能量法建立求解方程，并采用挠度增量逐次解析法拟合采煤工作面裂隙顶板弯曲失稳的动态过程．结果表明：当岩体强度及支承面摩擦力足够时，顶板受载变形过程中，由于沿层方向（梁轴向）受动荷载的挤压作用，以压力拱的形式维持不同变形阶段的动态平衡．当挠度超过某一极限状态时，顶板产生失稳破坏．     

桁架锚索在碎裂顶板巷道支护中的应用

碎裂顶板是由裂隙系统切割成的松散岩块所组成的集合体,由于围岩压力(特别是水平挤压力)的作用,碎裂岩块相互挤压而形成压力拱.压力拱下方的岩石,所受的水平挤压力很小,易发生垮冒事故.为有效控制围岩变形和促进矿井安全生产,提出了利用桁架锚索控制碎裂顶板煤巷方法,阐述了其支护原理,建立了桁架锚索的力学模型,得出了压力拱下方岩石达到平衡时桁架锚索最小的预紧力.该技术应用于综放工作面开切眼支护的现场实践表明:在观测时期内,两帮最大移近量小于216 mm,顶板最大下沉量小于287 mm,桁架锚索支护技术对破碎顶板有很好的支护效果,这为复杂地质条件下煤巷支护应用提供了参考.     

长壁工作面老初次来压的弯曲失稳解析

根据煤矿长壁采煤工作面顶板的物理力学特性建立力学解析模型，按卡氏能量法建立求解方程，并采用挠度增量逐次解析法拟合采煤工作面裂隙板弯曲失稳的动态过程。结果表明：当岩体强度及支承面摩擦力足够时，顶板受载变形过程中，由于沿层方向受动荷载的挤压作用，以压力拱的形式维持不同变形阶段的动态平衡。     

顶板大面积来压机理研究

详细论述了顶板大面积来压的机理，结论认为发生大面积来压的主要原因是煤柱被破坏，煤柱破坏的关键是煤柱面积比率和宽度，而发生大面积来压的范围则主要取决于顶板的厚度或刚度分组厚度，以及岩体强度，切冒型与拱冒型来压是由于覆岩组成刚度不同，均匀和递减刚度的覆岩多为切冒型，递增和交替刚度的覆岩多为拱冒型，文中给出了预测顶板大面积来压的计算公式，其计算结果，可作为设计和生产管理中选择开采参数的重要依据，文章还预     

综放采场围岩复合结构力学模型及其控制研究

根据综放采场顶煤冒放形式和顶板移动结构，提出5种煤岩复合结构，研究了其形成条件，并建立了相应的力学模型：拱-拱组合模型、拱-砌体梁组合模型、拱-传递岩梁组合模型、台阶悬臂-砌体梁组合力学模型、台阶悬臂-悬臂梁组合力学模型．并由此推导其控制方程，计算支架载荷；针对不同顶板、煤层条件，运用相应力学模型分析支架-围岩关系，计算综放工作西支架载荷，确定综放采场支架合理工作阻力，从而有效控制综放采场围岩；通过对10个不同条件综放工作面支架载荷的计算与实测比较，计算值的安全系数为1．06，表明根据综放采场围岩组合路构力学模型计算支架载荷比简化的岩重计算更为合理，从而为综放采场围岩控制提供了理论基础．通过一个二程实例详细阐述了根据综放采场煤岩结构力学模型计算支架载荷的方法．图5，表2，参10．     

坚硬顶板围岩垮落变形规律相似模拟试验研究

为了进一步揭示坚硬顶板采区大巷的变形规律和保安煤柱的应力分布特征,利用相似模拟实验,研究了坚硬顶板开采条件下覆岩的运移、垮落规律和大巷变形破坏特征。得到了以下结论:采空区坚硬顶板悬顶长度较长,工作面初次来压步距为37 m,周期来压步距为23 m;采动影响下巷道围岩变形呈现顶板挤压移进、两帮鼓起的大变形的特征,相似试验为工作面顶板来压步距及采区大巷应力及变形提供依据。     

湖南省某煤矿采空区地表变形成因分析

根据对煤矿采空区地表变形进行实地调查的资料，对其地表裂缝进行了统计，并总结了地裂缝的特征和发育规律。再结合矿区地质情况，对地表变形的形成机理进行分析，并通过简化力学模型方法，即根据岩土体的岩性特征和完整程度，将采空区顶板进行相应简化形成简支粱力学模型，和平衡拱理论分别计算不同的采空区顶板跨度所对应的安全顶板厚度，具体分析了该煤矿采空区地表变形的形成原因，并采用传统的三带法对其合理性进行了检验。     

基于双承载拱的巷道再生顶板控制机理

为实现对巷道再生顶板的有效控制,基于再生顶板现场观测和"三带"高度的理论计算,建立巷道再生顶板修正普氏拱力学模型和数值模型,推导了修正普氏拱的曲线方程及矢高的表达式,模拟分析了再生顶板下巷道断面的优势形状及锚喷支护效果,并对现场锚喷支护巷道进行了顶底板移近量观测。结果表明:无留顶掘巷后若短期内无支护,再生顶板下沉后出现第一承载拱,即修正普氏拱,拱的矢高b是岩石坚固性系数f和侧向压力p的减函数,是巷道半跨度a的增函数;再生顶板下留顶掘巷的断面形状宜为直墙圆拱,锚喷支护与巷道拱顶组合形成第二承载拱,"双拱"结构有效控制了再生顶板的变形破坏,具有让抗结合、协调变形的控制机制;现场试验后巷道顶板收敛变形较小,可满足正常生产需要。     

深部软弱破碎复合顶板煤巷稳定控制技术

针对深部软弱破碎复合顶板矩形断面煤巷易冒顶、大变形、难支护等特点,基于锚杆和锚索支护理论,提出了兼具组合梁和组合拱承载效应的梁-拱锚固承载结构,分析了梁-拱锚固结构的几何特征,揭示了不同锚固参数条件下梁-拱锚固结构的形成过程及演化规律,反映了不同支护形式下煤巷顶板的锚固结构效应。采用FLAC~(3D)模拟研究了4种支护技术方案条件下深部软弱破碎复合顶板煤巷围岩位移与塑性区损伤扩展演化规律,揭示了不同支护技术方案对矩形断面煤巷围岩的控制效果,验证了采用基于梁-拱锚固结构的深部软弱破碎复合顶板矩形断面煤巷支护技术方案的合理性,并进行了井下工业性试验。监测结果表明,采用"梁-拱锚固结构"支护技术方案有效地控制了深部软弱破碎复合顶板煤巷离层与大变形,维持了深部软弱破碎复合顶板煤巷围岩与支护结构的稳定及安全。     

薄基岩综放采场直接顶结构力学模型分析

为深入研究薄基岩综放采场矿压显现规律,以山西潞安矿业集团司马煤矿薄基岩区厚煤层开采为研究背景,采用数值模拟、理论分析、现场实测等方法对薄基岩综放采场直接顶结构特征进行了研究,建立了薄基岩综放采场直接顶结构力学模型,分析了直接顶“半拱”式平衡结构的形成机理和破断规律。结果表明：根据司马矿薄基岩区直接顶厚度和岩层性质不同,将直接顶划分为Ⅰ型和Ⅱ型两种类型;采高6.5 m,直接顶厚度大于15 m时,容易形成“半拱”式平衡结构,采场矿压呈现出来压步距短、静压大、动压小、动载系数小等特征,“半拱”结构有规律的破断失稳是薄基岩综放工作面矿压显现的根源,该结论解释了司马煤矿薄基岩综放采场的矿压显现规律。     

软弱再生顶板巷道围岩失稳机理及其控制原理与技术

针对软弱再生顶板巷道围岩大变形问题,结合现场调研、室内试验、理论分析等手段研究了软弱再生顶板围岩失稳机理,并提出了针对该类围岩的控制原理、支护原则和支护技术。研究表明:软弱再生顶板具有自稳平衡拱结构,但极其不稳定。在扰动作用下快速松散、破碎,表现出局部到整体的连锁失稳特征。基于再生顶板围岩条件提出再生顶板"抛物线-半双曲线"扩展力学模型,即再生顶板平衡拱边界在纵向上以"抛物线"形式向上扩展,横向上以"半双曲线"形式延伸。巷道底臌使得两帮整体下沉或两帮肩角处破坏造成再生顶板自稳平衡拱结构不断地向围岩深部转移。根据该模型计算发现,此时棚架上的载荷增加更快。再生顶板松散范围的非线性增加使得棚架上的荷载急剧增加,围岩变形量增大,最终导致巷道整体失稳。因此,提出了"护底→固帮→控顶"的软弱再生顶板围岩控制基本原理。结合州景煤矿再生顶板巷道实际情况,通过疏干排水防止底臌、改善棚架结构加强帮、顶支撑,形成了"强化整体约束、优化棚架结构和架间协同控制"的支护原则,具体形成了"双层金属网+预支撑囧型棚架+可缩性纵向连接器"的组合支护技术,经工程试验表明该支护技术可有效控制软弱再生顶板巷道围岩初期的稳定,后期回采时建议采用"三支一体"支护体系进行加强支护,控制再生顶板围岩回采期间的稳定。     

顶板岩梁结构的稳定性与支护系统刚度

借助结构稳定理论，分析了工作面顶板“三铰拱”结构、“砌体梁”结构的变形失稳机理，建立了顶板变形失稳的几何、载荷参数条件，提出了确定合理支架刚度的标准及计算公式。同时指出，顶板岩层流变会降低顶板结构承载能力，促使变形失稳发生。     

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。     

综放采场直接顶垮落成拱机理相似模拟研究

在综放条件下由于上覆岩层直接顶岩性的不同,在直接顶的垮落过程中可能会形成不同的顶板结构。结合某一矿井的地质条件,对直接顶垮落形成散体拱结构的现象进行了物理相似模拟研究,研究认为直接顶垮落流动的过程中,在某一瞬间产生了散体拱结构形成的合适的力学平衡条件,从而在上位直接顶形成了散体拱结构。     

上向分层充填法地下采矿模型试验与分析

依托于云南磷化集团晋宁磷矿6~#坑深部缓倾斜中厚磷矿充填法地下采矿工程,对充填法模型试验的试验方案、相似材料配比、试验台架、开挖模拟技术、试验量测方案与技术等进行了探索研究,并通过室内平面应变相似模拟模型试验和数值模拟等对缓倾斜中厚磷矿层上向分层充填法地下开采过程中地下采场围岩的应力和变形活动规律、松动范围等进行了分析研究。研究结果表明:模型试验围岩破坏主要发生在顶板中部,破坏模式为块体塌落,且围岩竖向应力的变化呈现拱形,并且以采空区为中心向外扩展,位移最大的位置在顶板中部,朝向采空区,应注意靠近开挖侧的围岩位移的变化。     

放顶煤采场顶板运动规律的研究

利用离散元和有限元数值模拟及力学解析计算，分析了放顶煤采场中上覆岩层运动规律；认为采场上覆岩层运动为分层运动，运动结构为拱－梁结构；拱－梁转换的实现，是以拱顶的失稳升高为条件，在分析了影响顶板运动的主要因素（顶板岩层断裂角、放煤步距、顶板岩层块体尺寸、顶煤厚度）的基础上，认为放煤步距过大（≥２ｍ）会降低放煤率，增大老顶垮落的动压冲击程度。放顶煤工作面与非放顶煤工作面的区别是，采空区充填系数小，顶板岩层运动剧烈，走向方向超前支承应力峰值较大。     

人造假顶超前支护技术在地质破碎带易冒顶区应用研究

介绍了如何利用人造假顶超前支护浇灌钢筋混凝土,形成具有自承能力并有一定抗压强度的半圆拱,再通过注浆加强人造拱与冒落体结合,形成一个更大的稳定拱.阐明了该工艺在地质破碎带井巷施工中的应用,不仅可节省大量水泥材料和人工,而且施工方便、安全,大幅提高了施工进度和企业经济效益.     

煤矿巷道冒落拱高度的测量方法

煤矿巷道的围岩条件复杂多变,且围岩力学性质参数难以及时取得准确值,因而用普氏理论计算冒落拱高度并确定围岩压力时往往造成偏差,这影响巷道支护参数确定的准确性。利用现场监测直接测定冒落拱高度可解决这一问题。以陕西某煤矿巷道为例,介绍利用顶板离层仪进行巷道顶板下沉观测,以获得巷道顶板冒落拱高度的方法。实践表明,这一方法能够准确、快速地得到巷道顶板冒落范围,进而可计算出正确的围岩压力值,对巷道围岩支护参数的合理设计具有一定实际意义和工程价值。