大倾角煤层开采覆岩空间倾斜砌体结构

以大倾角煤层走向长壁采场为研究对象,采用相似材料模拟实验、数值模拟和理论分析综合方法,分析了采场顶板应力分布特征和变形破坏规律,认为大倾角煤层采场顶板破断后形成了倾斜砌体结构,该砌体结构以倾向堆砌和反倾向堆砌两种形式存在,且沿工作面走向和倾向均具有不同的分布特征,该结构的非均衡运动是导致"R-S-F"("顶板-支架-底板")系统失稳的主导影响因素,同时,该结构的运动形式亦受到上覆未垮岩层的变形破坏影响。倾斜砌体结构不仅是支护结构的施载体,也是"似壳结构"断裂失稳对工作面支护系统作用的传力媒介,对倾斜砌体结构的深入研究是探讨大倾角煤层采场"主承载结构"失稳致灾的关键。     

大空间采场覆岩结构特征及其矿压作用机理

特厚煤层开采形成的采场空间大,覆岩扰动范围广,采场顶板来压具有明显的大小周期来压及强矿压显现特点。大空间采场覆岩扰动层位多、岩层间作用机制复杂,顶板破断块体间的作用力及方向多变,导致大空间采场覆岩结构理论分析存在较大难度。为从理论上揭示特厚煤层大空间采场覆岩结构特征及其矿压作用机理,在实测分析得到大空间采场覆岩结构特征基础上,基于能量变分原理建立了大空间采场覆岩结构力学模型,揭示了大空间采场覆岩结构的矿压作用机制;建立了大空间采场覆岩结构条件下的“煤体-支架”协同承载模型,得到了采场支架围岩的相互作用关系。研究表明,特厚煤层开采形成的大空间采场覆岩具有显著的“低-中-高”层位结构特征,是采场复杂矿压显现的直接诱因,“中-低”位顶板结构失稳形成采场大小周期来压,高位顶板结构的失稳联动是诱发大空间采场强矿压显现的主要因素;覆岩结构的失稳运动还受到采空区矸石支撑、顶板有效位能作用及高位顶板悬长等的制约,是采场来压强弱的重要影响因素;大空间采场条件下“煤体-支架”协同承载,所得理论研究成果与基于实测反演分析得到的支架围岩关系研究结论具有较好的一致性,验证了大空间采场覆岩结构理论的正确性。     

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...     

大倾角大采高综采工作面支架受载与失稳特征分析

对支架的稳定性控制是大倾角大采高煤层安全、高效开采亟待解决的关键问题之一,以2130煤矿25221大倾角大采高综采工作面为研究背景,基于现场监测对覆岩破断运移规律和支架受载特征分析的基础上,通过理论分析系统研究了采高和工作面顶板运移对支架受载与失稳特征的影响。结果表明,在大倾角大采高煤层开采中,受采高增大影响,顶板运移的幅度和剧烈程度及支架工作阻力均较一般采高大倾角煤层开采时明显增大,架间推压、咬挤现象明显;当工作面顶底板岩层稳定时,使支架保持不转动和下滑的临界工作阻力均不超过支架自重的2倍;但受工作面顶板运移影响,支架亦会随着顶板的运动而运动,且其不会随着支架工作阻力的增大而消失;支架转动下滑的幅度和失稳概率随着支架工作阻力的减小、顶板与支架间摩擦力绝对值的增大、顶板载荷偏载程度的增大及采高的增大而增大,且其转动失稳的概率大于下滑失稳的概率。     

大倾角大采高采场倾向梯阶结构演化及稳定性分析

以大倾角煤层长壁大采高采场为研究对象,运用数值模拟、相似材料模拟、现场实测和理论分析相结合的手段,揭示了大倾角大采高采场顶板结构形成与演化特征,分析了顶板结构与支架、煤壁及垮冒矸石的相互作用特征。结果表明:大倾角煤层大采高采场空间尺度较一般采高大倾角煤层采场大,垮落顶板向工作面倾斜下方滚、滑特征更为活跃,充填压实程度高,工作面倾斜中、上部顶板岩层破坏运动空间增大,易形成跨层位、大尺度、非对称的空间梯阶状岩层结构。其中,高位梯阶岩层结构周期性破坏具有强度大、步距小、周期短、有冲击性等特点,其对采场低层位岩层、支架和煤壁的稳定性有明显影响。该结构受到切向力和法向力共同作用,且具有拉伸、压剪和复合型失稳模式,易造成工作面倾斜上部支架受载多变、中上部高煤壁片帮。     

大倾角煤层开采围岩空间非对称结构特征分析

基于目前大倾角煤层开采研究成果和工程实践,结合理论分析、相似材料模拟实验、多元数值仿真技术结果,建立了大倾角煤层采场力学模型。分析认为,采场围岩具有非对称应力特征,岩层破坏易形成倾向堆砌和反倾向堆砌结构,且岩层沿倾向不同区域存在不同的破坏结构形式;同时,大倾角煤层采场存在三维“似壳”力学结构,其倾向和走向剖面包络形状可以用包含煤层倾角、开采高度、工作面倾斜长度、顶板岩性等参数非线性二次函数来表示。     

大倾角煤层开采“关键域”岩体结构稳定性分析

以大倾角煤层走向长壁采场为研究对象,分析采场覆岩运动、应力场分布特征,揭示了围岩"关键域"迁移转化特征,认为"关键域"是大倾角煤层开采覆岩垮落形成的非对称"拱壳"形态区域内对覆岩活动起决定作用的岩层,沿工作面倾斜方向"关键域"转换导致不同区域关键岩块形成层位不同,关键岩块相互作用形成倾向"梯阶"结构。根据倾向"梯阶"结构形成特征,建立倾向"梯阶"结构力学模型,分析得出不同区域"关键域"岩梁的受力特征,揭示了"关键域"岩体结构的剪破裂和张破裂机制,确定了"关键域"关键岩块的破坏失稳引起覆岩"拱壳"空间失稳模式,为大倾角煤层安全高效开采奠定理论基础。     

坚硬覆岩大倾角综采工作面安全开采保障技术研究

坚硬覆岩大倾角煤层开采面临坚硬基本顶大面积悬顶、液压支架倾斜挤架、煤壁飞矸、刮板输送机“上窜下滑”等典型问题,严重制约安全高效开采。基于工作面顶板载荷及垮落步距提出爆破预裂强制放顶;基于覆岩“三带”参数,构建超前疏放水体系;基于支架失稳、飞煤飞矸、刮板输送机下滑,构建采场管控措施;基于自然发火分析,构建注氮灌浆综合防灭火体系;基于LMSAC 1.0支架电液控系统、LASC高精度三维惯导定位系统、SAV视频监测系统,构建设备分机控制及设备集成控制,为实现大倾角煤层工作面安全高效开采提供了新技术与新思路。     

大倾角采场覆岩结构及矿压显现特征分析

针对大倾角煤层采场顶板受力特点建立了非均布载荷作用下顶板的固支梁模型,分析了顶板受力特征,并且结合工作面倾向覆岩运动特征分析了大倾角煤层开采时的矿压显现规律。研究结果表明:大倾角采场顶板压应力最大值位于下端头处梁的下表面,其值比上端头高36%左右,而最大拉应力位于梁上端头的上表面,其值比下端头上表面处拉应力高26%左右,梁的不均衡受力特征以及岩石抗压不抗拉的特性导致工作面上部首先破断失稳造成较早来压;上端头梁的较早受拉破坏以及煤层倾角的影响导致沿倾向由下至上可分为密实充填段、不均匀充填段和动载影响段。密实充填段内覆岩结构主要为受垮落矸石支撑的长悬臂梁,来压强度最小,动载影响段主要表现为短悬臂梁,支架载荷平时较小,动载特征明显。现场支架工作阻力监测结果验证了顶板受力分析和倾向覆岩移动假设的合理性。     

倾斜煤层煤柱覆岩结构特征及应力分布规律研究

为研究倾斜煤层煤柱覆岩结构及应力分布规律,采用理论分析、数值模拟、现场实测的方法,分析了倾斜煤层采场倾向岩体运移特征及煤层倾角与煤柱应力之间的关系。结果表明:倾斜煤层煤柱边缘直接顶岩层几乎不冒落,破断后有序排列形成小结构模型,其稳定性差,且失稳破坏为基本顶运动提供了空间,促使基本顶大结构模型的形成,大结构模型形成滞后于小结构模型,且与小结构模型存在空间上的差异;区段煤柱垂直应力集中程度随煤层倾角的增大而减小,水平应力集中程度则随煤层倾角的增大而增大;应力峰值与煤壁距离以及支承压力影响范围均随着煤层倾角的增大而减小。     

浅埋煤层群采场周期来压顶板结构及支架载荷

现场勘查发现,神府矿区浅埋煤层群间隔岩层厚度大多在15～45 m时,间隔岩层易存在单一关键层结构。文章通过现场实测得出了浅埋煤层群开采周期来压的基本特征:来压步距减小、强度增大、煤壁片帮严重,动载现象、台阶下沉现象和大、小周期来压现象明显。物理相似模拟实验揭示了间隔岩层关键层与上煤层已扰动关键层同步与非同步破断的大、小周期来压机理,发现了间隔岩层关键层与已扰动关键层共同形成的"梁-拱-壳"结构形态,给出了上煤层已扰动关键层结构形态的判别方法,得出了浅埋煤层群开采顶板周期破断可形成"台阶-台阶"、"砌体-台阶"、"砌体-砌体"的基本结构。综合建立了浅埋煤层群开采间隔岩层周期破断结构与力学模型,给出了支架受动静载荷作用的工作阻力计算方法,并得到了现场验证。     

峻德煤矿倾斜煤层开采沿空侧巷道诱冲机理研究

针对峻德煤矿倾斜煤层开采期间沿空侧巷道冲击地压频发的问题,采用现场调研、微震监测、物理相似模拟和数值模拟相结合的方法开展了研究,结果表明:倾斜煤层工作面开采期间靠近沿空侧巷道的覆岩关键层更容易破断产生剧烈动载扰动;随着煤层倾角减小,沿空侧巷道煤柱帮应力集中程度减小,实体煤帮应力集中程度增大,应力集中由煤柱帮内向实体煤帮内转移;在动静载叠加作用下导致巷道两帮煤体失稳破坏诱发冲击地压,且不同倾角煤层冲击启动区域不同。研究结果对倾斜煤层工作面后续回采阶段卸压防冲工作具有一定的指导作用。     

特厚煤层大采高综放工作面覆岩结构及支架工作阻力研究

为了掌握特厚煤层大采高综放工作面的覆岩结构及支架合理工作阻力,以同忻煤矿8107工作面为研究对象,采用理论分析、现场观测的方法对特厚煤层大采高综放工作面覆岩的破断和组合形式进行了研究,建立了覆岩力学模型,得出了同忻煤矿8107工作面支架工作阻力计算式。结果表明:正常开采期间,大采高综放工作面直接顶易形成具有整体性的倒台阶组合悬臂梁结构,悬臂梁结构的破断、回转是支架—围岩互馈过程中的主要压力来源;来压期间,高位砌体梁结构与低位悬臂梁结构耦合形成“砌体梁—悬臂梁”结构,砌体梁结构的滑落失稳引起悬臂梁结构的协同回转,是大采高综放工作面强冲击来压的原因;实测8107工作面正常回采以及来压时支架工作阻力分别为26 MPa(9750 kN)和40 MPa(15000kN),与理论计算结果较为吻合;8107工作面采用的ZF15000/27.5/42型四柱低位放顶煤支架能够满足生产需求。     

浅埋煤层采场围岩力链演化规律及工程应用

浅埋煤层回采过程中,矿山压力显现剧烈,压架事故时有发生。针对回采过程中易突发剧烈的矿压现象,系统研究了煤层围岩力学特征及支护结构的受力状态。首先采用颗粒元计算软件模拟分析采场围岩力链演化特征,随后分别建立了覆岩强力链拱失稳前、后力学模型,工作面支架受力模型,推导出强力链拱迹线方程,获得强力链拱在失稳前、后支架荷载的计算表达式,并在此基础上结合现场实测对工作面支架荷载进行了分析。研究结果表明:煤层开挖前,煤岩体受力架构由力链网络组成,围岩的承载作用主要来自于强力链,广泛分布的弱力链仅对围岩起辅助承载作用;煤层开挖后,强力链集结成束形成力链拱,力链拱是承载采场上方煤岩体重量的主要力系,工作面支架仅承担位于强力链拱下方的煤岩体重量;且随工作面的推进,强力链拱不断调整,先后经历了"形成—扩展—稳定—破断"的动态演化过程。随强力链拱拱顶的不断发育,当其承担荷载超过自身强度极限后便会失稳破断,导致剧烈的矿压现象,工作面支架荷载大幅增加,强力链拱的失稳断裂是工作面产生强动载现象的本质原因。研究成果合理解释了浅埋煤层工作面突发的剧烈矿压现象,为煤层的安全高效开采提供借鉴。     

浅埋煤层长壁开采顶板岩层的不稳定性态

针对浅埋煤层顶板关键层破断后的不平衡特性和运动特征,应用初始后屈曲理论和突变理论探讨了顶板结构的不稳定性态,给出了关键层破断后顶板结构回转失稳的必要充分条件,建立了铰接体系在回转状态下的稳定性准则,确定了有无支护时顶板岩层稳定状态下的开采高度.研究发现,顶板破断后岩块的台阶下沉与回转失稳必居其一;回转失稳由两岩块相向旋转形成;岩块在铰接处出现塑性铰只是顶板结构回转失稳的必要条件,顶板结构呈瞬变体系才是体系失稳的充分条件.结果表明,根据浅埋煤层长壁工作面顶板结构的结构特征、岩体材料和上覆厚松散沙层等赋存状况,可进一步确定顶板破断后岩块的运动状态和结构呈瞬变体系时的几何特征;采高是人为控制顶板结构稳定的要素之一,单纯降低采高并不一定安全,控制最大回转角才能保证老顶破断后岩块的稳定性.     

急倾斜煤层深部煤岩动力失稳原因分析

为揭示大洪沟煤矿急倾斜特厚煤层发生动力失稳现象的原因,基于采掘布局特点对其进行理论分析和岩石力学试验,分析得出诱发急倾斜煤层深部煤岩体动力失稳的原因有:开采深度、顶底板夹持作用、顶底板破断、煤岩物理力学性质、应力集中。结果表明:底板的撬动作用是工作面煤层失稳的动力来源,该煤层具备发生动力失稳的条件,B3+6煤层工作面相向采掘导致掘进工作面与采煤工作面超前压力叠加,应力集中较为严重。应对该煤层及顶底板实施爆破卸压与注水弱化,来释放积聚在煤岩体中的弹性势能,并优化采掘布置。     

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。     

特厚坚硬煤层超大采高综放开采支架-围岩结构耦合关系

针对榆神矿区坚硬特厚煤层综放开采所面临的顶煤悬顶距长、冒放性差、采出率低和采放不协调等问题,探讨了机采割煤高度6. 0 m以上的超大采高综放开采可行性和必要性,分析超大采高综放开采支架-围岩耦合关系,在支架-围岩强度、刚度和稳定性耦合的基础上,提出超大采高综放开采支架-围岩结构耦合理论。从液压支架与围岩相互作用机理角度,阐释了支架-围岩支护系统"小结构"初次耦合主动支撑和"大结构"二次耦合被动承载概念和理论,分析了围岩"大、小结构"耦合对工作面围岩支护效果和适应性的影响,指出综采放顶煤液压支架结构设计除需满足"小结构"支护系统适应"大结构"周期性破断失稳形成的强动载矿压外,还需考虑液压支架结构(特别是放煤机构结构)对顶煤冒放运移规律和支架载荷演化过程的影响,通过支架结构与顶煤冒放结构耦合实现顶煤顺利放出,提高顶煤采出率。采用理论分析、相似模拟、数值模拟和现场调研等研究方法,分析了坚硬顶煤冒落和放出结构以及冒放过程的成拱机理,讨论了液压支架结构高度对矿山压力显现强度、顶煤冒放结构和资源采出率的影响,研究了放煤机构结构对顶煤成拱结构的影响,以及放煤机构结构对顶煤的二次破碎作用,提出了强力放煤机构结构改进和优化策略,并对破煤机理和效果进行探讨,以期为相似坚硬特厚煤层综放开采支架-围岩耦合提拱理论指导和借鉴。