急斜煤层开采老顶破断力学模型分析

运用弹性力学古典狭长薄板理论 ,建立了急斜水平分段放顶煤开采顶板变形力学模型 ,分析了其变形特征及破断规律。得出了煤层倾角、水平分段高度对顶板变形的影响关系曲线 ,同时 ,给出了顶板破断的判据。     

急倾斜巨厚煤层群难采资源开采的覆岩破断与能量释放规律

针对急倾斜巨厚煤层群难采资源的安全开采问题，采用物理模拟实验与理论分析方法，对急倾斜巨厚煤层群不同开采工艺产生的覆岩变化、破断高度、微震能量等特征进行了分析与对比，推导了急倾斜巨厚煤层坚硬顶板破断积聚能量的理论计算公式，并由不同开采工艺的对比分析结果为急倾斜巨厚煤层群向深开采的方案设计提供思路。研究结果表明：急倾斜巨厚煤层群水平分段综放开采的中间岩柱集中破断形成岩柱与上部煤层顶板的联动效应，容易引发冲击地压等的动力灾害事故；走向长壁开采中区段煤柱的强支撑作用，使得急倾斜巨厚煤层群向深开采过程中覆岩破断高度与范围的增幅较小。通过构建急倾斜巨厚煤层坚硬顶板破断力学模型，推导得出急倾斜巨厚煤层坚硬顶板破断积聚能量计算公式。急倾斜巨厚煤层群采用走向长壁的累计微震能量24.28×10⁵ J,较水平分段开采的累计能量小15.67%。水平分段综放开采过程中，单次开采的平均能量比走向长壁开采较低，且避免了煤柱留设时煤炭资源的浪费。顶板破断的能量不充分释放，容易造成其下次破断能量释放的峰值效应，且中间岩柱大范围集中破断容易对矿井的安全生产带来挑战。基于节约矿井资源的同时又能避免大范...     

复合顶板巷道组合三铰拱断裂形成的力学机理

为了揭示软弱夹层引起顶板分阶段破坏的力学机理,采用数值模拟的方法揭示含软弱夹层(煤线)的复合顶板巷道变形和破断规律,通过建立巷道复合顶板破断结构模型,确定复合顶板断裂的力学条件,并通过现场探测进行验证。研究表明:复合顶板中软弱夹层的破坏是致使顶板变形和破断的主要因素,复合顶板变形破坏过程大致可分为"嵌固梁形成→叠加组合梁形成→组合三铰拱形成"3个阶段;当复合顶板各岩层的屈服跨距小于等于巷道实际跨度时,复合顶板将破断形成组合三铰拱结构。     

基于分区弱化的复合坚硬顶板冲击地压分段压裂区域防治研究

针对复合坚硬顶板联动效应引发的冲击地压灾害,基于复合坚硬顶板的赋存特征,结合弹性力学理论,分析了高-低位坚硬顶板矿压显现特征,建立复合坚硬顶板破断形态和断块铰接形态判识的力学模型,分析了复合坚硬顶板岩层破断形态,研究了复合坚硬顶板协同破断机制,揭示了协同破断易释放巨大的冲击动能,形成冲击灾害的原理。依托坚硬顶板分区降能的弱化防治理念,提出了煤矿井下定向长钻孔裸眼分段水力压裂“高-低”位协同超前区域防治冲击地压灾害技术模式,并设计了错步式分段压裂段工程布置。工程试验得出：复合坚硬顶板高、低位定向钻裸眼分段压裂协同弱化后,顶板微震事件频次、总能量、顶板来压步距及来压范围分别降低42.17%、31.07%、 33.69%、57.14%,合理有效防治了复合坚硬顶板冲击地压灾害。通过顶板分段水力压裂实施,顶板岩体被压裂成若干小块时,大幅降低了蓄积能量,并伴随压裂成缝过程的能量损耗,实现了复合坚硬顶板的分区分段可控破断距的垮落,实现顶板应力的转移、消散及动力灾害有效控制,为同类地质条件下冲击地压灾害区域弱化治理提供技术借鉴。     

深井厚煤层综放工作面顶板运动与沿空巷道围岩变形动态响应关系

针对深井厚煤层综放工作面沿空巷道围岩控制困难的问题，以新河煤矿5302工作面沿空巷道为研究对象，采用理论分析、现场实测、微震监测等手段研究了巷道变形和顶板运动的动态响应关系，重构了工作面顶板破断过程，分析了回采巷道变形特征，建立了回采巷道受力模型，确立了顶板破断与巷道变形的对应关系，得出以下主要结论：5302工作面顶板破断过程存在“大小周期”现象，顶板最大破断高度为70?m，高位岩层( 中位基本顶和高位基本顶 )的破断是沿空巷道变形加剧的主要原因；在顶板初次破断周期内，巷道围岩变形随着顶板破断高度的增加而持续增加，在周期破断过程中，巷道围岩变形不会持续增加，而是在一个范围内周期性地上下波动；高位岩层破断致使两帮移近量和顶板下沉量达到峰值，但两帮和顶板变形峰值响应的时机不同，两帮移近量峰值显现滞后于高位岩层破断位置，顶板下沉量峰值显现超前于高位岩层破断位置。研究揭示了深井厚煤层沿空巷道围岩变形与顶板岩层运动间的对应关 系，可为其围岩控制设计提供参考。     

大倾角仰(俯)采采场顶板破断的薄板模型分析

为了研究大倾角仰采、俯采采场顶板破断机理,建立了大倾角仰、俯采顶板薄板力学模型,利用薄板理论并结合力学分析、数值计算对大倾角俯采及仰采工作面破断时的基本顶岩层应力分布特征与破断机理进行了分析计算,得出了薄板极限破断准则和破断步距理论计算式.结果表明:大倾角仰(俯)采采场顶板破断形式不同于近水平煤层顶板的"O-X"型破断;倾角影响并决定着采场顶板倾向方向的破断特征;走向仰(俯)角对顶板岩层初次破断特征和周期破断特征呈现出不同的影响.     

基于弹性薄板理论的采场顶板破断特征分析

针对煤层开采过程中采场覆岩形成的特定空间结构和变形破断形态,运用弹性薄板小挠度理论构建四边固支、两边固支两边简支和四边简支3种支承边界条件下的顶板力学模型,通过理论计算得出了基本顶断裂前后的挠度、弯矩和应力解析表达式,并从理论层面分析了顶板破断的内在机理与显现特征,揭示了采场顶板横“O-X”破断的力学本质。采用三维数值模拟软件FLAC3D系统分析了顶板应力场的演化特征和分布规律,模拟结果与理论分析较为吻合。     

基于能量计算的预掘回撤通道顶板下沉量分析

采用预掘回撤通道技术的综采工作面在末采阶段易发生顶板大变形而引发压架事故。本文基于工作面贯通后的3种基本顶破坏形式,建立了不同的回撤通道顶板力学模型,通过分析顶板变形过程中的能量释放与做功过程,求得不同基本顶破坏形式下的回撤通道直接顶下沉量。结合张家峁煤矿N14201工作面回撤通道顶板大变形案例,分析了不同顶板力学模型的影响因素,发现基本顶破断位置、关键块及其上覆岩层厚度、关键块回转角和支护强度对回撤通道顶板下沉量影响显著,确定了张家峁煤矿N14201工作面发生压架事故的原因,即基本顶在保护煤柱上方4～6 m范围内破断以及上部3^-1煤层开采导致主关键层破断失稳。     

急倾斜特厚煤层水平分段综放开采冲击矿压机理

我国急倾斜特厚煤层开采冲击矿压越发凸显,且灾害显现特殊。为了揭示急倾斜特厚煤层水平分段开采冲击矿压机理,建立覆岩力学模型,分析了覆岩运动、能量释放、煤层应力分布等规律;采用工作面液压支架工作阻力监测数据,分析了工作面支架工作阻力与动载系数分布规律;利用微震监测得到的矿震空间分布,分析了岩层运动和能量释放规律。研究结果表明:急倾斜特厚煤层水平分段开采,顶板倾向破断步距与煤层倾角呈非线性正相关关系,当煤层倾角大于60°时,破断步距出现陡增;覆岩下位坚硬岩层破断后在倾向上可暂时形成平衡结构,随着下位分段开采和放煤,平衡结构可发生破断旋转、断块跌落、结构挤压俯冲等3种类型的失稳冲击过程,对工作面形成动态冲击;在顶底板夹持作用下,工作面煤体靠近顶底板侧将形成非对称倾向支承压力分布,靠近顶板侧为封闭夹持状态,应力集中程度高,靠近底板侧为开放夹持状态,煤体易破坏卸压而处于塑性状态,在非对称支承压力作用下,工作面中部至顶板侧底煤受强烈剪切应力作用,且处于底板弹塑性交界区,易于失稳冲击;急倾斜特厚煤层水平分段综放开采,覆岩破断步距大,顶板破断和失稳冲击的瞬间释放能量强,扰动底煤高应力区诱发冲击矿压显现,...     

特厚煤层坚硬顶板初次破断特征的力学分析

为了揭示特厚煤层综放工作面坚硬顶板破断与矿压显现的力学机制,基于材料力学与岩石力学等理论,建立了特厚煤层综放开采坚硬顶板初次破断力学分析模型,分析了特厚煤层综放开采坚硬顶板中弯矩的分布情况,推导了坚硬顶板超前破断位置与初次破断距的解析公式,系统研究了煤层厚度、顶板厚度、顶板弹性模量、顶板强度等关键因素对顶板初次破断特征的影响规律。结果表明:特厚煤层综放工作面坚硬顶板的初次破断距与煤层厚度呈负相关的关系,而与顶板厚度、顶板弹性模量、顶板强度呈正相关的关系。在此基础上,开展了山西韩家洼煤矿特厚煤层22203综放工作面矿压规律的现场监测,并将理论分析结果与现场监测数据进行对比分析,两者基本吻合。     

不同顶板关键块破断结构对沿空巷道围岩稳定性的影响

在实际工程中巷道与破断顶板通常有3种不同空间位置的结构特：巷道位于破断顶板断裂线下方;巷道位于破断顶板断裂线内部;巷道位于破断顶板断裂线外部。通过FLAC^3D模拟巷道开挖前后关键块结构的变形与力学特征,得出3种结构下顶板关键块与巷道围岩相互作用的时空演化规律,结果表明,3种空间结构形式的破断顶板对围岩压力的影响程度逐渐减小。巷道位于破断关键块断裂线下方时,煤柱侧支撑压力最大;巷道位于破断关键块断裂线内部时,煤柱侧支撑压力比前者稍低,但两者都存在单斜面剪切破坏的风险,并且此类巷道煤壁侧支撑压力范围最大,底板出现应力叠加区进而引发大范围底鼓。当巷道位于破断顶板断裂线外侧时,中位关键块处于完全垮落态势,对巷道围岩垂直方向的力学传递机制减弱,围岩最为稳定。     

斜沟矿8号煤层采后上覆顶板破断规律及力学分析

我国煤炭资源丰富,但是开采存在许多隐患,为了减少煤体巷道失稳,改善顶板围岩受力状况,减小顶板变形量,有必要对煤矿顶板破断规律及力学特性进行分析。通过分析山西斜沟矿82401、82403工作面,运用公式及实际情况分析顶板破裂的力学问题,并结合Fl AC3D模拟滑移破坏,得到顶板侧向运动及破断的力学模型、周期来压步距10～38m和弧形板长度为11～31m。     

沿空留巷下位顶板破断规律与控制机理研究

沿空留巷下位顶板的破断位置决定着上位顶板的破断位置和巷道围岩的稳定性,其破断位置一般在煤帮附近或巷旁支护体外侧,受控于巷旁支护和巷内支护强度.基于极限分析和力学平衡理论,分别对2个不同破断位置的下位顶板建立力学模型,得到巷旁支护阻力与下位顶板破断位置的关系,并且分析了顶板破断后的扰动效应.结果表明下位顶板在巷旁支护体外侧破断,有利于维护巷旁支护体和煤帮.进而,从提高顶板岩层抗弯能力、增大顶板岩层抗拉强度和改善应力环境3个方面分析了顶板进行合理锚杆支护后,可使下位顶板破断更趋向于采空区侧.     

采动巷道侧向高低位厚硬顶板破断模式试验研究

陕蒙地区冲击地压显现大多发生在二次采掘扰动影响下,煤层上方厚硬岩层结构破断诱发工作面采场附近动压显现已成为煤矿生产中重大安全隐患。为阐明采动巷道上覆高低位厚硬岩层破断对区段煤柱受力以及巷道围岩稳定性的影响,建立高低位厚硬岩层破断结构的力学模型,得到破断扰动影响下区段煤柱结构变形特征及应力分布特征,以巴彦高勒煤矿11盘区煤样试样为研究对象,利用自行设计的高位岩层模拟加载装置,借助非接触式全场应变测量系统的数字散斑相关分析方法,对高低位厚硬岩层在区段煤柱上方不同破断位置组合下区段煤柱及低位岩层的应力变形特征进行了试验研究。分析了上覆高低位厚硬岩层侧向不同断裂位置组合下区段煤柱受力特征及应力传递机制,建立了巷道上部厚硬顶板不同断裂位置与结构整体失稳荷载的力学模型。结果表明:高低位厚硬顶板岩层破断将会引起煤柱采空区应力集中,高低位厚硬岩层不同的破断位置组合,对下部岩层的运动变形和区段煤柱应力分布和巷道围岩稳定影响显著。区段煤柱整体结构稳定性与破断点位置密切相关,煤体在回转作用下破坏所需的应力大小与高位岩层顶板破断点对采空区顶煤的力矩负相关。随着破断点远离区段煤柱,区段煤柱受力由压剪逐渐转化为采空区煤顶传递的压弯作用。高低位厚硬岩层顶板破断的相对位置影响低位顶板的破断情况,当低位破断点处于高位破断点以内,低位顶板随高位顶板破断1次,反之则低位岩层顶板将会随着高位岩层破断回转发生2次破断。随着高位顶板的破断,采动巷道及煤柱上覆岩层应力减小,区段煤柱稳定性下降,冲击地压风险增大。试验研究为陕蒙地区深部厚硬顶板条件下采动巷道动力灾害防治和区段煤柱设计优化提供了参考。     

急斜长壁采场顶板破断和岩块运动规律

本文根据急斜走向长壁工作面周期性矿压显现和沿倾斜不同地段显现的特征，采用倾斜薄板探索了顶板的变形破断规律，建立了破断老顶岩块的力学摸型。分析了不同充填条件下岩块运动与平衡规律，阐明了急斜煤层矿压显现的机理和岩层控制的特点。     

特厚松散覆岩采煤工作面顶板破断规律研究

针对特厚松散顶板采煤工作面顶板破断机理研究不足造成顶板漏冒压坏工作面液压支架问题,采用理论分析、相似模拟实验、数值模拟分析等手段,进行特厚松散顶板采煤工作面顶板破断规律、机理及特征研究,进行特厚松散顶板在采动过程中的裂隙发育情况、离层情况、冒落和垮落特征分析。研究得出:特厚松散顶板采煤工作面顶板垮落特征与常规顶板地质条件下有所不同,特厚松散顶板以冒落拱形式破断;基于特厚松散顶板破断特征,利用采动岩体力学理论,建立了特厚松散顶板破断的力学模型,确立了特厚松散顶板采煤工作面冒落拱参数。该技术成果可为其他类似地质条件矿井煤炭开采提供技术指导。     

基于厚板理论的顶板破断规律研究

基于Ressine厚板理论,对余吾煤矿某工作面的层状顶板开展了力学特性研究,分析得到工作面基本顶初次破断时的挠度分布状态;同时利用3DEC数值模拟软件,对该工作面回采过程的覆岩变形和破断过程等特征进行系统性分析研究,归纳总结了余吾煤矿某工作面顶板岩层破断规律。分析现场实测的液压支架阻力数据表明,工作面初次来压步距为42 m左右,周期来压步距为15 m左右。顶板破断及来压规律与理论分析、数值模拟结果基本吻合。     

水平裂缝对坚硬顶板失稳破断的影响规律研究

为了研究水力压裂形成水平裂缝后坚硬顶板的失稳破断规律,基于材料力学和关键层相关理论,结合数值模拟,对含水平裂缝坚硬顶板的变形破坏特征和失稳破断机制进行了研究。结果表明:当坚硬顶板存在水平贯穿裂缝时,无论上位与下位岩层是否发生同步运动,坚硬顶板的破断步距均小于其初始极限跨距。存在水平贯穿裂缝的坚硬顶板及其上覆岩层,会形成拉压复合破坏区,更易于发生失稳破坏。坚硬顶板块体咬合点区域的拉压复合破坏作用是造成块体局部失稳、回转加剧和整体破断的主要原因。     

浅埋煤层大采高工作面顶板破断角实测研究

基于弹性力学和岩石力学,给出了浅埋煤层顶板破断角的理论计算公式,并在张家峁煤矿22201工作面辅助运输平巷施工9个钻孔,采用钻孔窥视确定了顶板的破断位置,得出了大采高工作面的顶板破断角,结合物理模拟实验对结果进行了验证。研究表明:理论分析得出浅埋煤层采场顶板破断角范围为56.2°～69.3°;现场实测得出22201大采高工作面顶板10～30 m层位的顶板平均破断角约为68.3°,根据物理模拟实验得出的大采高工作面顶板10～30m层位的顶板平均破断角约为66°,理论计算和现场实测、物理模拟实验结果吻合。此外,对浅埋大采高工作面周期性破断角的物理模拟实验统计分析,当采高M≥6m时,顶板破断角在64°～68°,与理论计算偏差在6%之内,表明理论计算公式具有较高的可靠性和适用性。     

急倾斜煤层浅部开采顶板破断致灾原理与控制

为掌握急倾斜煤层浅部开采时顶板的破断规律,确保水平分段综放开采时的安全生产,采用物理相似模拟实验研究急倾斜煤层浅部开采时顶板的垮落规律,通过力学建模分析顶板垮落的条件,运用3DEC对人工爆破强制放顶的效果进行了数值模拟与分析。研究结果表明:浅部开采时急倾斜煤层的顶板不易垮落,容易出现大面积悬顶现象。工作面上方覆岩大面积垮落,产生冲击矿压,危害工作面安全生产;而在第一分段、第二分段回采过程中采用强制放顶的措施可以有效削减顶板的势能,顶板垮落后形成的覆浮矸垫层也可以保证急倾斜煤层下分段的生产安全。