基于弹性独立支座的大采高综采工作面液压支架群组支护应力场理论与应用

根据液压支架承载特性,建立弹性独立支座的液压支架群组岩梁模型,采用离散型单跨梁方法得出液压支架群组刚度与载荷关系矩阵,给出在液压支架作用下岩梁挠度与液压支架群组支护阻力计算公式,推导出液压支架对顶板支护应力场矩阵方程,给出相应的简化计算方法。在此基础上,研究基于不同围岩条件和支架结构的液压支架群组支护应力场分布特性,并给出具体算例,同时指出了该理论的具体使用条件与发展方向。     

基于弹性独立支座的液压支架群组支护应力场分析

基于弹性独立支座构建了液压支架群组模型,并且通过对比,分析了基于弹性独立支座的液压支架群组在不同工作面长度、采高、顶板厚度、巷帮刚度以及顶梁前后比等情况下的支护应力场特征。     

辛安煤矿1402工作面矿压显现规律研究

本文主要对辛安煤矿1402综放面液压支架工作阻力进行监测,研究支架受力运行状态、顶板来压特征及支架与围岩运移的适应程度等,确定综放面顶板初次来压和周期来压参数,包括来压步距和来压强度等,从而确定液压支架初撑力、支架工作阻力的经济合理值,同时检验 ZF8000/22/35支撑掩护式液压支架的支护效果,为该工作面顶板管理和矿井安全高效生产提供技术依据     

初次来压前受超前增压荷载作用的坚硬顶板弯矩、挠度和剪力的解析解

 坚硬顶板弯矩、挠度的理论解是矿山岩体力学中未曾获得较好解决的课题。初次来压坚硬顶板问题的超静定次数,比周期来压坚硬顶板问题的超静定次数要高1次。将煤层、直接顶按弹性地基处理,对初次来压前受均布荷载、荷载峰超前的增压荷载和支护阻力共同作用的,工作面中部煤壁前方和采空区单位宽坚硬顶板的挠度进行求解,采用潘 岳等求解周期来压前坚硬顶板弯矩、挠度解中的部分结果,求得满足全部连续条件和自然边界条件的坚硬顶板的4段式挠度表达式中的所有系数。据所得表达式,采用Matlab软件计算和绘图得到的初次来压前坚硬顶板挠度、弯矩曲线在考察区间光滑连接,剪力曲线连续。对曲线进行分析可知：(1) 荷载增减对顶板弯矩、挠度作用明显;(2) 支护阻力可有效减小煤壁前方顶板和悬空顶板的弯矩、挠度及采空区顶板的剪力值;(3) 单位宽顶板的特征长度由弹性地基系数、顶板抗弯刚度组成。在相同荷载下,只要特征长度相同,顶板弯矩分布完全相同,特征长度大者顶板弯矩大;(4) 弹性地基系数小者,煤壁前方顶板挠度(下沉量)大。抗弯刚度小者,采空区顶板挠度(下沉量)大;(5) 顶板弯矩峰位置在煤壁前方。顶板荷载大,支护阻力小,弹性地基系数大者,其弯矩峰与煤壁的距离近。在控顶区两端顶板剪力取最大值。所得硬顶板的关系式为理想坚硬顶板模型的解析解,其应用是从解析解算例中受到启发,获得参数变动时坚硬顶板弯矩、挠度和剪力变化的规律性认识,对采场顶板状况变化作出合理的定性判断,亦可为坚硬顶板断裂过程和断裂引发顶板应变能释放、冲击矿压能量来源及初次来压步距的量化分析提供基础。     

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。     

周期来压前受超前隆起分布荷载作用的坚硬顶板弯矩和挠度的解析解

将煤壁前方煤层和直接顶视为弹性地基,鉴于坚硬顶板的损伤、破裂从工作面中轴线的超前部位开始,在工作面煤壁中央取单位宽度的岩层结构研究,建立受均布荷载、超前隆起分布荷载和支护阻力共同作用的坚硬顶板超静定挠度微分方程组.在满足所有自然边界条件和连续条件的基础上,导得周期来压前煤壁前方和采空区坚硬顶板的挠度、弯矩表达式.据所得表达式,用Matlab的算例和绘图,对项板荷载、支护阻力、地层刚度、单位宽顶板抗弯刚度及悬顶步距变化时坚硬顶板的挠度、弯矩进行分析,所得到的4段式弯矩、挠度曲线在考察区间内光滑连接,弯矩峰值位置在煤壁前方,顶板下沉量计算值在现场经验范围内.所得坚硬顶板弯矩、挠度的关系式为理想模型的解析解,其应用是从解析解算例中受到启发,获得参数变动时顶板弯矩、挠度变化的规律性认识,对实际采场顶板状况的变化作出由合理的定性判断,并可为坚硬顶板损伤断裂,为因断裂引发顶板应变能释放及冲击矿压能量来源的研究提供基础.     

超前液压支架群组–锚固耦合支护力学特性研究及实验验证

为了研究超前液压支架群组与锚杆(索)耦合支护围岩的力学特性,采用中厚板理论对围岩力学特性进行描述,结合能量泛函对等效支架群组支撑力和锚杆(索)作用进行描述,建立超前液压支架群组–锚固耦合支护围岩力学模型,引入罚函数对模型边界条件进行约束,基于Hamilton原理变分获得系统控制方程。依据山西阳泉集团平舒公司温家庄煤矿15106工作面回采巷道超前支护参数,运用Ritz法对模型求解,获得锚固支护、等强支护、非等强支护三种策略下顶板变形量、弯矩、应力分布情况。通过对比3种支护策略下支护效果表明:超前液压支架群组耦合支护下顶板最大位移相对比锚固支护降低36.87%、弯矩降低35.85%、应力降低47.81%,耦合支护能够有效的维护顶板的稳定性;非等强耦合支护相对比等强耦合支护顶板最大位移降低10.29%、弯矩降低12.2%、应力降低29.53%,证明了非等强耦合支护策略对维护围岩稳定的有效性,进而提出超前液压支架群组–锚固耦合"连续渐变"非等强支护策略。采用辽宁省教育厅矿山沉陷灾害防治重点实验室设计的三维相似模拟实验台进行物理实验分析,验证"连续渐变"非等强耦合支护策略的有效性,并将实验结果与理论结果对比分析,等强支护位移最大误差7.2 mm,最大应力误差0.48 MPa,非等强耦合支护位移最大误差5.9 mm,应力最大误差0.19 MPa,考虑实验的复杂性认为误差在控制量范围内,验证所建立的超前液压支架群组–锚固耦合支护围岩力学模型的准确性和揭示耦合支护力学特性的有效性。最后,在温家庄煤矿15106工作面对"连续渐变"非等强支护策略进行现场应用实验,验证研究结果的有效性,研究结果为深部矿井围岩的安全稳定维护和智能化支护控制提供理论支撑。     

浅埋厚基岩松软顶板综放采场矿压特征工作面长度效应

基于现场实测结果,结合数值模拟技术,对浅埋厚基岩松软顶板综放采场矿压特征的工作面长度效应进行系统的研究。研究结果表明：加长工作面长度对矿压特征有显著影响;超长综放工作面来压步距减小、采场支架受力均匀、矿压分布呈以工作面中部为对称轴的拱形分布、支架末阻力–初撑力为线性关系;工作面长度方向存在随工作面长度演化的“复合压力拱”;随工作面长度增加,煤壁前方支承压力峰值增大,工作面长度方向压力拱逐渐升高且扁平率趋于增大,表现为总体的矿压显现增加规律,利于顶煤的破碎;控顶区内顶煤下沉量 S 随工作面长度 L 的增大呈对数规律增大,随支架初撑力 P 的增大呈负对数规律减小;给定 S 后, P 随 L 呈线性规律增加。研究成果可为工作面长度和支架的选择提供有益的借鉴和参考。     

大采高综采工作面上覆岩层破断规律的相似模拟

文章使用实验室相似模拟的方法,对同煤集团晋华宫矿南山12#层8210工作面的矿山压力显现与支承压力规律进行了研究,通过相似模拟实验得到8210工作面基本顶初次来压步距为40.8 m,周期来压步距平均为21.7 m。液压支架的额定工作阻力为1.3×105k N,能支撑顶板的压力,来压时间内动载荷支架工作稳定;对其他大采高工作面支架稳定性研究具有借鉴意义。     

浅埋大采高工作面顶板关键层结构稳定性分析

我国西部浅埋厚煤层普遍采用大采高综采方法回采,大采高综采工作面顶板关键层结构形态及其稳定性对采场矿压及围岩控制具有显著影响。通过建立等效直接顶对采空区充填度的计算模型,将等效直接顶分为"充分充填型"和"一般充填型"。基于物理相似模拟和UDEC数值模拟,分析了大采高采场覆岩单一关键层"高位斜台阶岩梁"结构和双关键层"斜台阶岩梁+砌体梁"结构的稳定性,揭示了单一关键层工作面来压迅猛和双关键层工作面存在大小周期来压的机制,得出工作面支架以等效直接顶静载为基本载荷,以关键层结构失稳动载为附加载荷,给出了工作面支护阻力的计算公式。通过工程实例分析得出,支护阻力随采高、岩层破断角、关键层厚度及关键块长度的增加近似呈线性增大,随关键块回转角的增加近似呈线性减小,采高相同时支护阻力随等效直接顶厚度增加明显增大,等效直接顶静载是大采高支架压力的主要部分,同时验证了支护阻力计算公式的可靠性,表明此计算公式可为类似工作面支架选型及岩层控制提供借鉴。     

坚硬顶板控制放顶方式及合理悬顶长度的研究

 基于坚硬顶板长壁工作面初次跨落步距大、周期断裂悬顶长,对采场安全危害严重的特点,系统研究工作面顶板初次断裂的3种控制放顶方式和周期断裂的合理悬顶长度。通过建立两端固支岩梁力学模型,分析并比较采用循环浅孔拉槽、中部拉槽和端部拉槽等3种爆破控制放顶方式缩短坚硬顶板工作面初次断裂步距的拉槽深度与爆破工程量。结果表明,就爆破工程量而言,端部拉槽最小,中部拉槽次之,循环浅孔拉槽最大。通过顶板周期断裂悬臂岩梁力学模型的建立及其分析,基于工作面支架的设计工作阻力,推导顶板周期断裂的合理悬顶长度与工作面支架设计支护阻力,以及上覆岩层荷载和工作面控顶距之间的关系式。研究结果在晋城七岭煤矿15102工作面成功应用,可以为相应条件下坚硬顶板控制放顶提供理论依据与应用指导。     

薄煤层蹬空开采工作面矿压显现规律研究

为了研究张家湾矿薄煤层蹬空开采工作面矿压显现规律,本文通过对8号煤工作面支架工作阻力和受采动影响后8号煤底板压力分布情况进行观测分析,研究了房柱采空区上薄煤层综采工作面的矿压规律,分析了8号煤层顶板破坏程度及其对矿压的影响。结果表明:工作面中部与机头部矿山压力高于机尾部分,在底板弯曲下沉位置,8201综采工作面初次来压步距为43.2~63.2m,平均52.7m,周期来压步距从5.4m~24.8m,平均14.2m,工作面顶板并不是同时进入来压状态,工作面中部要早于工作面两端头,约滞后5~10m,工作面中部来压强度要高于工作面两端头,建议在回采期间加强各项关键参量的监测,重点监测支架工况、危险区底板承载力及底板出水量,提高推进速度,避免采场底板充分破坏,做好顶板管理工作,预防和及时处理采煤机、支架等设备的歪斜问题。     

大倾角煤层工作面采场围岩矿压分布规律光弹性模量拟模型试验及现场实测研究

以平煤集团香山矿戊9-0-22090大倾角煤层工作面为工程背景,通过室内光弹性模拟模型试验和工作面现场矿压实测,对大倾角煤层工作面开采后采场围岩矿压分布规律进行研究.光弹试验和现场实测结果表明: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.大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缓倾斜煤层工作面,采场支架载荷的分布、来压显现程度、来压步距沿采场倾斜方向均不同.工作面煤层开采后,采场顶板应力分布是高度不均匀、不对称的,在采空区两侧保护煤柱角高度集中,形成支承压力区,采空区上方形成支承卸压区.采场顶底板应力释放,两侧煤柱出现应力集中,采场四个角部位出现较大剪应力.剪切应变主要出现在采场下端部顶板和上端部的底板,而体积应变主要出现在煤层较近顶板和两侧煤柱.研究成果,对香山矿和类似条件下大倾角炮采煤层工作面的开采和顶板的支护的优化和管理具有一定的指导意义.     

深井综采(放)工作面异常来压控制研究

 通过事故调研、理论分析和现场实测,研究深井综采(放)工作面异常来压的发生机制、控制技术及其危险性的分区分级评价方法。得到的主要结论为：(1) 工作面异常来压诱发因素主要有顶板来压、顶板水、控顶距增大、初撑力低、采高变化、断层、推进速度以及这些因素的叠加;(2) 异常来压的发生机制是上述影响因素引起顶板结构与支架作用关系失衡后,导致顶板异常活动和支架异常受力;(3) 异常来压的控制方法为开采前进行评价,预处理危险区,开采过程中实施矿压监测,采用工作面调斜、适当降低采高、提高初撑力、提前疏放水或加固顶板、预裂顶板、加快推进速度、优化支架阻力等措施,降低危险性。研究结果在赵楼煤矿1306工作面进行应用,取得良好效果,可有效避免压架事故。     

大采高沿空留巷围岩稳定性及形变规律分析

为了研究云驾岭矿深部大采高沿空留巷围岩稳定性及形变规律,采用理论分析、现场实测和实验室测试综合研究手段和方法,确定了试验工作面巷旁充填体支护阻力和留巷参数,构建了能够反映沿空巷道受初次采动围岩形变规律的回归函数模型,对比分析了一次和二次开采扰动下围岩的应力应变状态,探究了充填体上方顶板岩层的应力传递规律。结果表明,采用弹塑性力学模型得出的巷旁充填体的临界支护阻力和充填体宽度分别为4.1MN/m和2.47 m,经实验室测试和工业性试验,能够保持高水材料充填体的稳定。受初次采动影响,沿空巷道围岩位移量与工作面至测站点距离之间符合Slogistic增长函数模型,求解了巷道顶板、底板和下帮的最大变形量、变形量最大时工作面的位置以及达到最大变形时工作面推过观测站的时间。对于沿空巷道,工作面超前支承压力波及范围至工作面煤壁前方约34 m,留巷顶板3.8 m以浅的采动裂隙可能会导致顶锚杆锚固失稳甚至失效,充填体切顶阻力的“波动性”能够反映顶板岩层的分层垮落特征。     

特大采高综采面关键层结构形态及其对矿压显现的影响

 通过对我国首个7.0 m支架综采工作面开采的现场实测、模拟试验与理论分析,就神东矿区特大采高综采工作面覆岩关键层结构形态及其对矿压显现的影响规律与支架合理工作阻力的确定等问题进行了深入研究。结果表明：由于特大采高工作面采高明显增大,覆岩亚关键层1易进入垮落带中,不能形成“砌体梁”结构,而呈“悬臂梁”结构周期性破断,形成工作面的周期来压,周期来压的持续长度与支架控顶距接近,较关键层“砌体梁”结构来压持续长度明显偏大。一定条件下,覆岩亚关键层2的周期破断会引起亚关键层1的提前破断,并造成工作面周期来压步距和来压强度呈一大一小的周期性变化。提出了特大采高综采面不同覆岩关键层结构形态时支架工作阻力的确定方法,并依此确定了补连塔煤矿22303工作面7.0 m支架的合理工作阻力为17 612 kN,现有支架额定工作阻力16 800 kN,在工作面部分区域略显偏小。     

综采工作面切眼大断面掘进工艺

本文叙述了综采工作面切眼大断面掘进的整个施工过程,采用左旋螺纹钢锚杆、钢筋网,配合锚索、梯子梁和单体液压支柱进行支护顶板,计算了支护强度对顶板下沉量的影响,分析了支护强度如何控制原岩应力受到破坏后的矿压显现。通过采用左旋螺纹钢锚杆、钢筋网,配合锚索、梯子梁和单体液压支柱进行支护,顶板得到了很好的加固效果为综采工作面ZF10000/23/37大型液压支架的安装创造了有利的条件,探索出了一条井下掘进大断面井巷工程以适应大型采掘井工设备的拆除与安装发展趋势之路,为今后的井工开采大断面掘进支护工艺提供了一个成功的案例。     

浅埋综放L工作面开采方法及其矿压实测研究

 根据路天煤矿16#煤层的具体条件,提出并成功实践L形巷道布置的开采方法。通过现场实测分析,研究L工作面浅埋综放开采时顶煤和顶板的垮落特征、支架的工作阻力、地表塌陷规律及填埋碾压技术等,分析L工作面顶板破裂扩展及分块垮落顺序,建立浅埋综放开采的拱–台阶岩梁组合力学模型,揭示浅埋综放的覆岩移动规律及破煤机制,并给出维护顶板稳定的支架阻力计算公式。研究结果表明：(1) L工作面开采方法是一种高效、安全、高回收率的采煤方法,采露头煤或者露天转井工开采时可以借鉴;(2) 在合适的煤层条件下,浅埋深放顶煤开采在技术上是可行的;(3) 周期来压步距随覆盖层厚度的增加呈增大的趋势;(4) 工作面中部周期来压显现明显;(5) 地表变形垮落可分为4个阶段,填埋碾压应分2个阶段进行;(6) 为提高端面顶板和煤壁的稳定性,应提高支架初撑力。研究结果对类似条件下的开采方法及矿压规律研究具有积极的指导意义。     

综采工作面矿压监测的实践应用分析

通过对 2 3 5 0 5回采工作面支护进行的矿压监测的应用分析 ,阐述了液压支架的工作状态 ,提出了综采工作面推进速度与周期来压步距的关系 ,以指导综采工作面安全生产。     

复合石灰岩顶板垮落特性研究

研究针对晋城矿区特殊的工作面顶板特性,通过数值模拟对晋城矿区卧庄煤矿15号煤厚层复合石灰岩顶板在开采过程中的垮落特性进行了综合研究,深入了解了工作面厚层复合石灰岩顶板的初次来压步距和周期来压步距以及垮落规律。