房式采空区下近距离煤层开采支架工作阻力研究

为研究房式采空区下近距离煤层开采支架合理支护阻力,基于石圪台煤矿实际地质条件,构建了房式采空区下关键层初次破断与周期性破断力学模型,得到了初次来压和周期来压步距表达式,并构建了对应的"支架-围岩"相互作用力学模型,获得了支架工作阻力的计算式。研究结果表明:房式采空区下煤层开采关键层破断步距主要特点有2个:①关键层初次破断及周期性破断步距与上覆留设煤柱应力集中程度密切相关;②破断步距大小受关键层前次破断位置影响较大。理论计算31201综采工作面关键层初次来压步距为40.1 m,前3次周期来压步距分别为20.4、18.9、20.8 m。与均布载荷条件下相比,房式采空区下支架支护阻力的主要影响因素有2个,即关键层受上覆岩层集中力的位置和关键层初次破断结构形态。理论计算获得该工作面初次来压和前3次周期来压合理工作阻力分别为17 372、11 722、15 252、15 206 kN。结合工程实例,验证了理论推导的合理性,研究成果为房式采空区下近距离煤层开采液压支架选型提供了指导。     

采场覆岩厚硬关键层初次破断的研究

以某矿12号煤层开采为背景,运用RFPA2D数值模拟软件,通过理论分析与现场实测相结合,研究不同厚度的直接顶条件下,采场上覆厚硬关键层初次破断的形式,以及初次破断步距的预测。结果表明,当直接顶厚度为2m时,厚硬关键层会发生回转失稳,容易造成支架压架或更为严重的冲击矿压事故;当直接顶厚度为5m时,厚硬关键层会形成相互咬合的砌体梁结构;基于厚硬关键层初次破断是非对称的,结合薄板理论公式可预测厚硬关键层的破断步距。     

周源山煤矿24采区上覆岩层关键层研究

结合周源山煤矿24采区上覆岩层实际情况,根据关键层强度和刚度理论判断了该煤矿关键层的位置及初次破断距,并且利用RFPA软件进行数值模拟分析,验证了理论计算的正确性,为煤矿开采提供开采参考依据。计算结果与该矿24采区已开采的工作面矿压显现及顶板下沉的实测结果大致相符。     

公乌素矿1604工作面覆岩关键层的判定及分析

综放工作面上覆岩层中的关键层位置及破断距的确定对控制工作面的矿山压力有重要的作用。以公乌素1604超长综放工作面的上覆岩层为研究对象,采用钱鸣高院士的关键层理论,对工作面上覆岩层的载荷量与破断距进行计算研究。研究结果表明,1604工作面上覆岩层中的C2、C7、C11～13、C16～18为单一或组合硬岩层,其中距煤层顶板20.75 m厚为12.65 m、破断距为31.2 m的复合岩层C11～13为亚关键层,距煤层顶板40.59 m厚为13.2 m、破断距为36.7 m以细粒砂岩为主的复合岩层C16～18为主关键层。关键层及破断距的确定将对1604综放工作面顶板的管理有着一定的指导意义。     

分布式光纤监测的采场巨厚复合关键层变形试验研究

为了深入探究采场上覆巨厚复合关键层的移动变形规律,以义马矿区的地质条件为背景,利用计算机软件(KSPB)判别覆岩关键层位置;根据高位关键层与工作面推进长度的空间位置关系,结合符拉索夫厚板理论对其进行力学分析与计算;搭建三维立体模型(3.6 m×2.0 m×2.0 m)进行物理模拟试验,采用压力传感器测试采场支承压力,分布式光纤传感技术(BOTDA)监测覆岩动态变形过程,多点位移计测试岩层内部位移,并将3种测试结果进行综合对比分析。结果表明:复合关键层破断距理论计算值与物理模型试验测量值基本一致,传感光纤频移峰值在数值、位置、形状上的变化可反映覆岩关键层弯曲变形、破断、回转的动态演化过程;当工作面1推进至960 m时,40 m厚亚关键层一细砂岩(煤层上方112 m位置)中的传感光纤V_(11)出现了4次频移峰值,分别为438.98,313.85,304.27和288.97 MHz,发生了4次破断,初次破断距为368 m,周期破断距为186 m,处于垮落带;160 m厚亚关键层二下组巨厚砾岩(煤层上方225 m位置)中的传感光纤V_(12)出现了1次频移峰值,为165.94 MHz,仅发生1次破断,初次破断距为736 m,但结构未失稳,处于裂隙带;250 m厚主关键层上组巨厚砾岩(煤层上方386 m位置)中的传感光纤V_(13)最大频移峰值为38.61 MHz,远远小于光纤V_(11)和V_(12)的频移峰值,仅发生微小弯曲变形,处于弯曲下沉带。工作面2覆岩变形规律与工作面1趋势基本一致,但关键层在工作面1的破断距离比工作面2大。随开采范围增大,巨厚复合关键层自下而上逐步发生破断,会出现同步和非同步破断现象,增大了采场围岩失稳的不确定及控制难度,易诱发矿井动力灾害。     

采场上覆关键层破断角的力学推导和实验模拟

为研究采场上覆关键层破断角,基于弹性力学和岩体力学,建立采场上覆关键层破断的梁力学模型,推导得出关键层破断角的计算公式,并通过物理模拟实验进行公式合理性和可靠性的验证。结果表明:(1)理论计算关键层破断角的变化范围为57.5°~71.0°,实验模拟破断角为50°~70°,理论计算结果与实验模拟结果吻合较好,说明理论推导关键层破断角的计算公式具有较高合理性和可靠性;(2)关键层破断角公式说明,关键层破断角与关键层的内摩擦角、抗拉强度、容重、弹性模量、关键层厚度和上覆载荷层的弹性模量、容重和厚度有关。对某一采场覆岩,关键层破断角的变化主要受关键层自身厚度和载荷层厚度的影响;(3)关键层厚度与载荷层厚度比值h/h'1.5时,关键层破断角随h/h'的增大而减小,载荷层厚度变化对破断角的影响程度大于岩层厚度变化的影响;(4)当h/h'1.5时,载荷层厚度增大引起关键层破断角减小,关键层厚度增大引起关键层破断角减小,两者对关键层破断角的影响作用相同,关键层厚度变化对关键层破断角的影响程度大于载荷层厚度变化的影响;(5)当h/h'=4时,关键层厚度变化与载荷层厚度变化对破断角的影响程度相同。     

软岩岩层厚度、刚度和水平应力对关键层应力的影响

为了进一步研究采场上覆岩层的移动规律,对影响关键层上载荷分布的因素进行分析.采用FLAC如软件模拟了不同的软岩岩层厚度、刚度和水平应力对关键层上载荷峰值的影响.通过模拟,发现关键层上覆软岩岩层的厚度、层刚度和水平应力对关键层的载荷峰值都有影响,且不同的水平应力在关键层破断前后会产生不同的影响.在初次来压前,水平应力加速了采空区的上方关键层的破断,但延缓了煤壁前方关键层的破断.初次来压后对关键层的破断影响很小.通过此次研究可以对关键层的破断以及采场的周期来压进行预测,对于采场覆岩的控制具有一定的指导意义.     

富水顶板大采高综采工作面涌水与矿压关系研究

针对纳林河二号煤矿31101富水顶板大采高综采工作面涌水情况,分析了工作面涌水与工作面矿压以及顶板岩层结构之间的关系。通过理论计算得出了关键层层位,认为基本顶及其控制的上覆岩层和关键层Ⅱ及其控制的上覆岩层共同组成了"复合悬臂梁—复合铰接岩梁"结构。计算得出关键层Ⅱ的初次断裂步距为210.3m,周期性断裂步距为101.1m,与现场实际矿压与涌水情况相符。认为"复合悬臂梁"的周期性破断失稳使得工作面产生"小"出水,而后发生小周期来压;"复合铰接岩梁"的周期性破断失稳使得工作面产生"大"出水,而后发生大周期来压。研究结果为31101工作面的出水预测提供了理论依据,并为相似工作面涌水与矿压关系研究提供参考。     

浅埋煤层长壁开采顶板岩层的后屈曲性态

根据浅埋煤层顶板岩层的赋存特点和长壁开采时关键层的变形破断特征,应用初始后屈曲理论探讨了开采过程中顶板关键层的后屈曲性态,得出了老顶初次来压时顶板的临界载荷和破断步距,确定了顶板破断后的极限下沉量和回转角,并以神东矿区大柳塔1203工作面为例给出了工程实例.研究发现,顶板上覆厚松散沙层对关键层的后屈曲性态有影响;顶板从破断至极限下沉其平衡路径不稳定.应用初始后屈曲理论可揭示浅埋煤层长壁开采顶板岩层的分叉点平衡构形及后屈曲平衡路径的稳定性,是确定非完善结构位移场的一种有效方法.     

孤岛工作面顶板破断的薄板模型分析

为了研究孤岛工作面的顶板破断机理,利用理论分析和数值模拟的方法建立了两对边简支两对边固定、三边简支一边固定的顶板薄板力学模型。分析计算得出薄板的极限破断准则和应力分布情况,并通过极限破断准则计算出顶板破断初次来压步距和周期来压步距。通过现场观测顶板断裂的初次来压步距和周期来压步距,其结果与理论分析计算的结果较吻合,可为类似的工作面来压预报提供依据。     

岩层移动模拟研究中模型范围问题探讨

基于岩层控制的关键层理论和开采沉陷理论,采用相似材料模拟试验、FLAC和UDEC数值模拟计算,对岩层移动模拟研究中如何确定模型上边界范围进行了研究。研究结果表明,当模型中存在关键层时,应将模型的上边界取至主关键层以上,否则将导致岩层载荷分布和破断距的严重失真;当模型中不存在关键层时,应将模型上边界取至导水断裂带以上,否则会导致岩层破断距的严重失真和载荷集中程度偏大。     

关键层运动对覆岩及地表移动影响的研究

采用实验、０实测及数值模拟方法,研究了关键层对覆岩及地表移动的控制作用和关键层破断块度对其位移曲线形态的影响,提出了“砌体梁”结构位移曲线的拟合方程;对关键层与表土层间耦合关系进行了研究,提示了关键层与表土层间合关系的一些基本规律,对改进地表下沉预计方法具有指导意义。     

不连沟煤矿巨厚煤层综放开采覆岩运移规律研究

 为了研究在内蒙古地区比浅埋煤层埋藏更深煤层在开采过程中的覆岩运移特征,以内蒙古不连沟煤矿F6201综放面为工程背景,运用理论分析和现场观测相结合的手段,对其矿压显现与覆岩运移规律进行了研究。研究表明：F6201工作面亚关键层(基本顶)属台阶岩梁结构,呈现滑落失稳形式;主关键层垮落滞后于基本顶破断,同样以滑落失稳形式出现。由于主关键层与亚关键层破断的不同步性,导致工作面来压步距出现大小间隔现象。     

尖点突变理论在顶板突水规律研究中的应用

以大佛寺煤矿工程为背景,运用关键层理论与尖点突变理论分析了采场顶板透水的发生机理,认为基岩关键层突发性破断失稳是顶板突水的诱因。通过建立基岩关键层破断力学模型,得到了表征断裂过程的势函数,定性解释了顶板突水机理,定量得到了基岩关键层极限跨距及顶板突水的充分必要条件。最后与固体相似模拟实验结果对比分析,说明应用突变理论分析顶板突水机理是可行的。     

关键层破断对地表移动变形超前影响的机理研究

探讨了地表移动变形超前影响的本质,揭示了关键层破断对地表移动变形超前影响的机理。基于关键层理论进行地表移动变形超前影响机理分析,通过分析神东矿区钻孔内部位移监测记录、物理相似模拟试验成果及综采工作面矿压显现规律、地表沉陷观测记录等,研究关键层破断与超前影响距(角)周期性变化之间的关系。研究结果表明：超前影响距(角)不是一成不变的常量,而是周期性变化的变量|原创性提出超前影响距最大值和最小值之差与工作面周期来压步距大致相等的新观点|实例证明新观点是科学可靠的。为探索实现采场来压与地表移动变形的有机统一提供了新的技术思想。     

关键层初次破断前动态载荷研究

利用FLAC数值模拟软件建立矿区具体工作面的开采模型,模拟研究了随着煤层的开采关键层初次破断前载荷的动态变化过程。根据对关键层载荷起控制作用的岩层的特征,借鉴关键层理论,提出"载荷控制层"概念,给出其定义和判断方法,并借助固支梁力学模型给出了一种计算关键层动态载荷的方法。研究成果揭示了关键层载荷的动态变化原因和上覆岩层载荷的传递机理,进一步发展和完善了关键层理论。     

关键层的复合效应及其对矿压显现的影响

为分析相邻关键层组合运动对采场矿压产生的影响,揭示关键层复合效应产生的机理,利用并行电法测试技术系统研究了两关键层临近赋存顶板破坏特征及其破断规律,并通过与该测试段工作面矿压数据相互印证,确定关键层复合效应使采场来压步距呈一大一小周期性变化。由此,建立了该类型采场覆岩的空间结构模型,按该模型中关键块体结构关系计算得出的工作面支架工作阻力值与实测结果基本吻合,这为同类地质条件下采场围岩控制提供依据。     

工作面过空巷基本顶超前破断压架机理及控制技术研究

基本顶超前破断及压架研究对工作面过空巷、进入回撤通道安全保障有重要意义。通过相似模拟得到了工作面过大断面空巷基本顶超前破断前后覆岩破断特征、围岩应力及支架载荷。研究表明:在基于圣华煤业复采工作面围岩条件的相似模拟实验中,工作面通过12 m宽不支护空巷时,基本顶会发生超前破断。导致基本顶上方亚关键层随基本顶破断、滑落,支架上载荷由4 000 kN激增到12 500 kN再到16 200 kN,支承应力升高并前移。从理论上研究了超前程度、围岩条件、开采技术对破断后基本顶稳定性的影响,结果表明:随超前破断距离增大,阻止关键块所需阻力成倍增加;随自由空间高度的增加、块度的增加,基本顶结构稳定性降低;亚关键层破断会导致所需支架阻力激增,单从提高支架阻力来维持超前破断后基本顶结构稳定性不可行,应当从防止基本顶超前破断来预防切顶压架事故。提出了针对此类工作面的控制技术,现场应用效果明显。     

关键层结构提前滑落失稳对浅埋近距离煤层出煤柱压架灾害的影响

针对神东矿区浅埋近距离下部煤层工作面出煤柱时频繁发生的压架灾害问题,综合采用理论分析、模拟实验与现场实测,从煤柱边界上方关键层结构稳定性角度,阐述了该结构在下部煤层工作面出煤柱前预先发生滑落失稳对压架灾害的影响规律。结果表明:下部煤层工作面出煤柱开采过程中,煤柱上方关键层破断后与采空区一侧已断块体形成的三铰式结构是不稳定的,它的相对回转运动向下传递的过大载荷是引发压架灾害的根源;若采空区一侧已断块体提前发生滑落失稳,则下部煤层工作面出煤柱等效于采空区下的重复开采,煤柱上方关键层破断后将无法与采空区一侧已断块体发生同步的相对回转,从而可有效减缓煤层间岩层的负载,最终对压架灾害发挥明显的削弱作用;据此提出了对煤柱上方关键层铰接结构提前实施爆破强放的防治对策,其有效性得到了模拟实验和开采实践的验证。     

上覆煤层开采后下伏煤层卸压机理分析

以开滦唐山矿Y485工作面受上覆5#煤层采空影响为背景,基于关键层理论,采用数值模拟和现场实测研究了上覆煤层开采后下伏煤层的卸压机理。结果表明:覆岩中往往存在多层关键层,会对工作面支承压力产生影响。卸压开采后上覆关键层发生破断,下伏煤层工作面回采时仅在层间关键层的影响下支承压力的影响范围和峰值显著降低。唐山矿上覆5#煤层工作面回采后,仅在层间关键层的影响下,下伏9#煤层Y485工作面超前支承压力影响范围由73 m减小至38 m,超前支承压力峰值与工作面煤壁的距离由29 m减小至20.5 m。当两煤层间存在厚硬关键层时,开采上覆煤层对下伏煤层进行卸压时,下煤层工作面支承压力峰值的最大值是无关键层时的2.34倍,下煤层回采时仍产生了显著的应力集中。