采场覆岩“宏观-大-小”结构及其失稳致灾机理

针对薄基岩工作面易发生顶板整体切落压架事故问题,采用理论分析和数值模拟对一般工作面和薄基岩工作面采场覆岩结构失稳致灾机理进行对比研究。建立采场覆岩"宏观-大-小"结构力学模型,确定不同覆岩结构失稳支架临界工作阻力,分析了关键层上覆载荷对关键层破断形式和破断块体稳定性的影响,并通过UDEC数值模拟软件对典型工程地质条件下采场覆岩结构及应力场演化特征进行了模拟验证。研究结果表明:(1)一般工作面回采后,采场覆岩中会自下而上依次形成"支架-围岩"小结构、"砌体梁"大结构、"压力拱"宏观结构,小结构的稳定性取决于大结构的稳定性,而大结构的稳定性又取决于宏观结构的稳定性;(2)在宏观结构的保护作用下,关键层上覆载荷较小,关键层破断岩块容易形成"砌体梁"平衡结构,作用在支架上的力较小,工作面矿压显现缓和;(3)随着关键层上覆载荷增大,关键层破断步距减小,破断形式由弯拉破断转变为剪切破断;(4)当关键层破断岩块上覆载荷过大,大结构发生失稳,关键层自重及其上覆载荷经垮落带岩层作用在采场支架上,导致小结构失稳,发生压架事故;(5)薄基岩工作面采场覆岩中无法形成宏观结构,上覆岩层在承压含水层水压力及自重作...     

神东矿区大采高综采工作面关键层运移规律研究

大采高和特大采高综采工作面由于其特殊性,顶板结构运动形式与中等采高工作面相比存在较大不同。大采高综采工作面受采动影响后,通过对其上覆岩层关键层的运移规律进行研究得出:对于大采高或者特大采高情况下,覆岩关键层通常会以"悬臂梁"结构破断的形式存在,有时也会形成稳定的铰接结构,而上位关键层则一般可形成"砌体梁"结构;当上部关键层发生破断时,其下部关键层也将受到上部关键层破断的影响,工作面压力显现情况和周期来压步距不直接受上部关键层的破断影响而是由下部关键层是否发生破断而决定。     

特厚煤层大采高综放工作面矿压及顶板破断特征

针对大采高综放工作面覆岩活动空间大、开采扰动强烈的特点,以不连沟煤矿特厚煤层大采高综放开采为背景,采用现场实测和理论分析等方法对大采高综放采场矿压及顶板运移破断特征进行分析,建立了大采高综放采场周期来压岩层破断的力学模型,得出了液压支架工作阻力的计算方法。结果表明:大采高综放工作面来压时安全阀开启频繁、顶板快速下沉,额定工作阻力13 800 kN的液压支架不能满足顶板控制的需要;开采空间的增大、直接顶厚度增大,低位基本顶转化为直接顶成为悬臂结构、高位基本顶形成砌体梁,二者形成"上位砌体梁-下位倒台阶组合悬臂结构";工作面来压强烈、动载明显、持续时间短的矿压现象是由于高位砌体梁结构滑落失稳造成的,据其力学特征确定了液压支架的工作阻力。     

大倾角厚煤层放顶煤开采覆岩活动特征

为了分析13102工作面放顶煤开采后的覆岩活动特征,本文采用UDEC数值模拟的方法对仰斜开采放顶煤开采后的覆岩活动特征进行研究。模拟结果显示,随综放工作面的不断向前推进,工作面直接顶随采随冒,基本顶也将不断的破断和垮落,但基本顶回转量较大,破断顶板相互间未能铰接形成"砌体梁"结构,致使综放工作面矿压显现较为剧烈,从而导致综放工作面液压支架的工作阻力呈现较大值,尤其是液压支架的尾部受到顶板压力较大。     

小纪汗煤矿11213大采高工作面矿压规律研究

为解决小纪汗煤矿11213大采高综采工作面来压剧烈,部分支架压死及支架掩护梁开裂等问题,通过分析工作面开采地质条件和现场矿压观测结果,认为关键层的垮落失稳结构特征是矿压显现剧烈的主要原因。根据关键层理论应用数值模拟研究得到11213工作面上覆岩层存在复合关键层结构,上位及下位关键层的周期性破断导致工作面来压,特别是上位关键层的破断导致工作面来压剧烈,因此提高液压支架的初撑力和稳定性能够很好的防止煤壁片帮,控制直接顶和基本顶的相对运动,从而有效地保证工作面安全有序生产。     

浅埋近距离多煤层采空区下厚关键层破断特征及支架工作阻力确定

针对浅埋近距离多煤层中间厚关键层破断呈现的大小周期来压现象,以神东补连塔煤矿上煤层采空区下大采高工作面为背景,采用现场实测与理论分析等方法对多煤层工作面厚关键层破断特征及矿压显现规律进行了研究。结果表明:多煤层中间厚关键层在矿山压力和自身弱面结构影响下将以分层方式垮落;根据关键层判别方法、钻孔岩芯和工作面矿压显现综合判断,垮落位置位于该岩层中部,上位厚关键层顶板形成"砌体梁"结构,下位厚关键层顶板形成"悬臂梁"结构;"砌体梁"结构对工作面矿压影响减弱,"悬臂梁"结构成为支架作用力的主要力源;正常回采时影响支架稳定的最危险状态是悬臂梁与砌体梁组合同时破断,对工作面顶板管理带来一定的困难;厚关键层在特殊情况下会产生整层破断形成"台阶岩梁"结构,应提前采取应对措施。     

浅埋煤层大采高工作面支架工作阻力确定

通过对大采高工作面推进过程中支架压力监测,得出工作面周期来压规律。根据覆岩破断特征,揭示了大采高工作面周期来压是由上覆岩层垮落带中形成"悬臂梁"结构造成的。建立关键层"悬臂梁"、"砌体梁"平衡方程,给出了确定大采高工作面支架工作阻力的计算方法。     

浅埋煤层大采高工作面矿压规律及机理研究

通过对大采高工作面推进过程中支架压力、煤壁完整性、顶板变形监测,得出工作面初次来压、周期来压规律及矿压显现特征。大采高工作面初次来压时,支架压力明显升高,煤壁动力现象不明显,周期来压时,支架活柱发生下缩,煤壁片帮严重,来压特征强烈。大采高工作面开采后,上覆岩层垮落带中形成"悬臂梁"结构,裂隙带中形成"砌体梁"结构,根据覆岩破断特征,给出了"悬臂梁"结构的形成条件,揭示了两种结构对工作面矿压特征产生的机理。     

大采高工作面复合关键层破断模式与矿压显现机理研究

针对大采高工作面矿压控制难题,利用相似模拟方法对覆岩破断特征与矿压显现机理进行研究,分析了覆岩运移特征与声发射监测信息,提出异步及同步断裂关键层破断模式,建立了相应的上覆岩层复合关键层结构模型和覆岩破断的力学条件,总结上覆岩层移动变形和破断随时间和空间的变化规律,得出关键层同步断裂是造成大采高工作面开采矿压显现强的根本原因。     

大采高综放工作面顶板破断特征及液压支架阻力确定

以神东矿区某矿大采高综放42105工作面为背景,采用现场实测、理论分析和相似模拟等方法对工作面矿压和顶板破断特征进行分析,并得出更合理的液压支架工作阻力。结果表明,随着采高的增大,覆岩最下位关键层易进入垮落带,不能形成"砌体梁"结构,呈现"悬臂梁"的周期破断特征。提出了重复采动下大采高综放面下位关键层以"悬臂梁"形式破断时支架工作阻力的确定方法,并依此确定了42105工作面支架的合理工作阻力为19 800 k N。     

软岩下浅埋煤层大采高综采面矿压显现规律研究

通过对内蒙古同煤鄂尔多斯矿业投资有限公司色连一号矿(以下简称"色连矿")综采面现场实测与理论分析,就其工作面矿压显现特征、覆岩关键层结构形态和运动规律及其对矿压显现的影响等问题进行了深入研究。覆岩中细、中粒砂岩层分别为亚关键层I、Ⅱ,亚关键层I破断运动形成"悬臂梁"结构,其周期性失稳运动产生工作面小来压,亚关键层Ⅱ破断运动形成"砌体梁"结构,其失稳运动形成工作面周期来压。"悬臂梁"结构的"稳定—失稳"运动促使下,在直接顶中产生拉断区和压缩变形区,"两区"贯通时最易发生严重端面漏冒。     

大采高综采推进速度对关键层垮落型式的影响研究

针对大采高综采工作面推进速度对覆岩关键层"悬臂梁"垮落运动的关系及其对矿压的影响,通过对工作面关键层"长悬臂梁"和"短悬臂梁-砌体梁"两种结构对工作面矿压影响机理和张集矿1611(3)大采高综采工作面矿压实测数据进行分析验证,发现不同推进速度下关键层"悬臂梁"垮落型式的矿压显现规律;在慢速推进时,关键1与关键层2破断重叠,致使工作面来压剧烈,支护困难,适当提高推进速度可以避免两关键层同时断裂,降低来压强度。     

特厚煤层综放开采大空间采场覆岩结构及作用机制

针对大同矿区石炭系3-5号特厚煤层坚硬顶板综放开采时工作面易出现压架、临空巷道超前区域变形、破坏严重等强矿压显现问题,采用理论分析、物理模拟及现场实测等方法,建立了特厚煤层开采大空间采场岩层结构演化模型。结果表明：特厚煤层综放开采覆岩远、近场关键层运动都可能会对采场矿压产生影响,近场关键层为“竖O-X”破断的“悬臂梁+砌体梁”结构,远场关键层为“横O-X”破断的“砌体梁”结构模型。近场关键层结构主要影响工作面支架压力及其稳定性,近场关键层结构中,以“悬臂梁”结构破断运动的关键层层数越多,对支架安全越不利;远场关键层结构则主要对工作面临空侧巷道变形产生影响,其破断块体的回转运动对临空侧巷道围岩产生径向挤压作用,是造成巷道超前底臌的主要原因。据此开发了基于地面钻孔压裂与井下顶板预裂相结合的远、近场协同弱化的坚硬顶板预控技术,将有效降低岩层破断的能量释放和关键层结构失稳的压力传递,减轻特厚煤层综放开采采场矿压的显现强度。     

大采高工作面推进速度对关键层垮落型式的影响研究

针对大采高综采工作面推进速度对覆岩关键层"悬臂梁"垮落运动的关系及其对矿压的影响,通过对工作面关键层"长悬臂梁"和"短悬臂梁-砌体梁"两种结构对工作面矿压影响机理和庞庞塔煤矿大采高综采工作面矿压实测数据进行分析验证,发现不同推进速度下关键层"悬臂梁"垮落型式的矿压显现规律;在慢速推进时,关键1与关键层2破断重叠,致使工作面来压剧烈,支护困难,适当提高推进速度可以避免两关键层同时断裂,降低来压强度。     

推进速度对大采高工作面关键层“悬臂梁”垮落形式的影响

针对大采高综采工作面推进速度对覆岩关键层"悬臂梁"垮落运动的关系及其对矿压的影响,通过对工作面关键层"长悬臂梁"和"短悬臂梁—砌体梁"2种结构对工作面矿压影响机理进行分析,并利用张集矿1611(3)大采高综采工作面矿压实测数据对机理进行分析验证,得出不同推进速度下关键层"悬臂梁"垮落形式的矿压显现规律:在慢速推进时,关键层1与关键层2破断重叠,致使工作面来压剧烈,支护困难,适当提高推进速度可以避免两关键层同时断裂,降低来压强度。     

浅埋特大采高综采工作面关键层“悬臂梁”结构运动对端面漏冒的影响

通过对神东矿区大柳塔煤矿52304综采工作面7.0 m支架开采时端面漏冒的现场实测、模拟实验与理论分析,从特大采高综采工作面覆岩关键层"悬臂梁"结构运动对直接顶作用的角度,阐述了端面漏冒的发生机理,并提出了相应的控制对策。结果表明:综采工作面的端面漏冒不仅与顶板岩性、构造和裂隙发育以及支护工况有关,还与关键层破断块体的回转运动密切相关。特大采高综采工作面覆岩第1层关键层易破断进入垮落带而形成"悬臂梁"结构,不同于低采高综采工作面关键层稳定铰接的"砌体梁"结构,由于其破断块体后方无水平的侧向约束力,它将无法形成自稳的承载结构;当支架初撑力不足以平衡该"悬臂梁"破断块体及其上覆垮落带岩层的载荷时,易造成该块体发生失稳错动而切割直接顶,从而导致贯穿式的端面漏冒的发生。这是造成52304特大采高综采工作面在顶板完整、煤壁片帮并不突出的条件下,仍发生严重端面漏冒的主要原因。由此提出了以提高支架初撑力来防止关键层"悬臂梁"破断块体发生失稳错动为思路的端面漏冒控制对策,并依此确定了52304综采工作面7.0 m支架的合理初撑力为12 405 kN,现有支架的初撑力仍显不足。     

特厚煤层大采高开采覆岩运动与矿压显现特征分析

为更深入了解特厚煤层大采高开采覆岩运动与矿压显现特征,采用数值模拟以及现场矿压监测方法,分析了大柳塔煤矿大采高开采覆岩移动、矿压显现以及支架工作阻力特征。结果表明:支架顶梁应力振幅可用于判断采场支架来压状态和覆岩破断剧烈程度;工作面推进50 m处基本顶小范围分层破坏;爆破预裂使基本顶形成不对称拱结构,拱结构破坏使基本顶岩层内水平应力减小,垂直应力升高,形成工作面初次来压,来压步距88 m;基本顶上部铰接结构使基本顶岩层内水平应力升高,垂直应力降低,下部悬臂结构破断导致第2次来压,来压步距25 m;铰接结构破坏使基本顶岩层内水平应力和垂直应力均升高导致第3次来压,来压步距20 m;基本顶拱结构和铰接结构失稳引起来压强烈,覆岩破断延伸至地表。     

推进速度影响下的上湾煤矿高强度开采覆岩-地表移动特征

为了获得上湾矿特大采高(8.8 m)工作面高强度开采的覆岩-地表移动特征,对基岩破断移动、地表下沉开裂以及矿压显现进行了系统观测。观测结果表明：与传统厚硬岩层为主导的高强度覆岩移动特征不同,上湾矿12401工作面采动覆岩移动主要受三层控制层的影响,分别为基本顶、关键层以及顶部厚软岩层(缓冲层),且由于推进速度的影响形成了“两带”和“三带”基岩的破坏模式。下位基本顶和关键层共同决定工作面的矿压显现程度;关键层的破断导致基岩整体剧烈沉降,同时由于缓冲层为厚而软的砂质泥岩,具有较强的膨胀性,对开采覆岩移动传导具有一定的缓冲作用,是基岩形成“三带”的关键因素。通过对覆岩-地表移动规律的分析,提出了基于覆岩控制层的地表裂缝主控机理,获得了推进速度影响下的覆岩-地表移动特征,为预防采动地表破坏和实现减损开采提供了科学依据。     

大采高开采高位关键层运动致灾机理研究

大采高工作面采场强矿压灾害与上覆高位关键层的赋存状态及破断运动密切相关。研究与实践表明：特厚煤层综放开采或特大采高综采工作面顶板高位关键层横“O-X”破断、竖“O-X”破断以及悬而未断都将显著影响采场矿压,导致工作面易出现强矿压灾害或冲击地压灾害等动力现象。结合部分工程案例,阐述了大采高开采高位关键层在不同破断形式或悬而未断条件下的致灾机制,并提出了高位关键层致灾防控技术,为西部类似大采高开采条件下的工作面安全高效开采提供借鉴。     

厚基岩坚硬顶板下中厚煤层开采矿压规律研究

为探究厚基岩坚硬顶板工作面回采时矿压规律及覆岩垮落结构,以锦界煤矿三盘区首采工作面31301综采工作面为研究对象,采用理论分析、现场试验等方法进行研究,同时采用数值模拟进行验证。结果表明：影响工作面支架载荷的岩层为等效直接顶、下位基本顶、上位基本顶,等效直接顶基本随采随落,下位基本顶以台阶岩梁结构周期性垮落,上位基本顶及以上坚硬岩层以砌体梁结构周期性破断。工作面初采时,下位基本顶先出现周期性破断,工作面显现为弱来压状态,支架动载系数约1.14～1.2;当上位基本顶达到破断极限时,工作面开始出现强来压,且之后周期来压呈现强弱交替的规律,当下位基本顶来压而上位基本顶未来压时工作面矿压显现弱且来压持续距离较短,支架动载系数约1.18～1.28;当双层基本顶同时来压时工作面矿压显现强且来压持续距离短,支架动载系数约1.36～1.44,当下位基本顶先来压而上位基本顶后来压时工作面矿压显现先弱后强且呈现持续来压状态,支架动载系数约1.32～1.38。下位基本顶两次周期来压步距之和基本与上位基本顶周期来压步距一致,当下位基本顶两次来压步距之和小于上位基本顶周期来压步距时,则下位基本顶第二次周期来压一...