固体充填开采矿压显现特征监测及数值模拟

为了研究充填开采覆岩破坏及应力场分布特征,以鑫源煤矿6~#煤层T6001充填工作面为工程背景,采用现场监测、数值模拟方法,通过布置液压支架压力感应器对工作面顶板压力进行监测,运用FLAC~(3D)软件模拟充填开采与垮落开采过程,分析覆岩破坏及应力场分布情况。结果表明:支架阻力曲线呈现两头高中间低的趋势,反映了充填体经过接顶、压实对顶板的支撑作用由小变大的过程;采空区范围较小时充填开采顶板破坏与应力分布情况与垮落开采相近,随着采空区范围增大,充填体对覆岩活动的控制作用逐渐增强,最终充填开采应力峰值约49MPa,覆岩破坏高度为3.5 m,较垮落开采分别降低了10%、71.5%,充填开采有效降低了矿压显现程度。     

房柱式采空区下长壁工作面覆岩宏观变形特征研究

基于鄂尔多斯矿区房柱式采空区下长壁工作面回采实际情况,采用理论分析、现场实测和数值模拟相结合的方法,对该条件下工作面覆岩宏观变形特征进行了研究。结果表明,房柱式采空区下长壁工作面顶板结构呈现上部大结构和下部小结构的特征,大结构和小结构交互影响,导致支架循环末阻力和来压判据较实体煤下和长壁采空区下都大,遗留煤柱下方工作面煤壁处存在应力集中异常区,工作面片帮和切顶危险增加,更易导致采场支架失稳。     

浅埋难垮顶板强放爆破参数的研究

榆神府矿区覆岩力学强度不大,属非坚硬顶板,浅埋煤层长壁开采矿压显现特点是埋深小、压力大、来压剧烈,工作面初采时常常出现老顶大面积垮落的现象,单体支柱无法抗拒覆岩整体切落和大面积垮落压力,从而引发灾变发生。本文在陕北某矿浅埋煤层间歇式开采成功的基础上提出通过确定合理的爆破参数,进行强制放顶的方法,从而实现单体支柱长壁工作面安全连续推进。     

近距离煤层采空区下工作面矿压显现规律研究

针对近距离煤层采空区下开采采场矿压控制问题,根据某煤矿地质条件及工作面布置方式,采用物理相似模拟与现场实测相结合的研究方法,总结了近距离煤层上煤层开采完毕后,采空区下工作面回采过程中矿压显现规律,进一步分析了采空区下采场覆岩运动规律;由于上煤层开采造成上覆岩层垮落,老顶岩层完整性受到破坏,采空区下煤层开采时,工作面采场覆岩构成"块体-散体-块体"的复合老顶结构,从而使工作面开采过程中形成"小-大初次来压及周期来压"的矿压显现规律.     

浅埋难垮顶板强放爆破参数的研究

榆神府矿区覆岩力学强度不大，属非坚硬顶板，浅埋煤层长壁开采矿压显现特点是埋深小、压力大、来压剧烈，工作面初采时常常出现老顶大面积垮落的现象，单体支柱无法抗拒覆岩整体切落和大面积垮落压力，从而引发灾变发生。本文在陕北某矿浅埋煤层间歇式开采成功的基础上提出通过确定合理的爆破参数，进行强制放顶的方法，从而实现单体支柱长壁工作面安全连续推进。     

老采空区地表残余沉降预计与应用

为了对长壁垮落法开采老采空区"活化"引起的地表残余沉降进行估计,从老采空区的覆岩形态结构出发,提出把长壁垮落法开采老采空区分成2个区进行预计:边界的欠压密区和中部的压密区,给出了欠压密区和压密区的尺寸.针对边界"活化"空间的分布特征和突发性"活化"特点,提出等价成变采高的小工作面开采来预计边界"活化"引起的地表残余沉降...     

大倾角煤层变角度综放工作面开采覆岩运移规律

大倾角煤层变角度综放工作面受倾角变化的影响,覆岩运移、矿压显现规律更为复杂。针对枣泉煤矿大倾角煤层120210变角度工作面综放开采条件,采用物理相似模拟实验和现场监测方法,对比研究了大倾角煤层变角度工作面和单一角度工作面综放开采覆岩运移规律。研究表明:120210工作面受不同倾角的影响,覆岩运移规律较单一角度工作面差异大,上部区域倾角26°,覆岩运移特征表现出倾斜煤层开采的特征,基本顶以"悬臂梁"结构形式发生破断运动,顶板平均压力23.7 MPa,分布均匀;下部区域倾角44°,覆岩运移特征表现为大倾角煤层开采特征,顶板垮落的矸石沿倾斜滑移充填采空区,顶板平均压力29.5 MPa,分布不均、变化范围大;中部区域过渡段覆岩运移既有倾斜煤层又有大倾角煤层开采特征,顶板平均压力27.15 MPa,分布较均匀,是两者转换的关键区域。根据工作面不同倾角区域覆岩运移、矿压显现特征提出大倾角煤层变角度综放工作面开采围岩控制原则,并依据此原则提出工作面分区域顶煤放出量控制方法。     

房柱式采空区下部综采工作面矿压显现特性分析

昊达煤矿4205工作面位于4-2煤层,覆岩中存在上覆3-2煤层房柱式采空区,受上覆煤层遗留区段煤柱影响,4205工作面回采过程易出现顶板突然剧烈来压,且来压规律不显著,支架频繁被压毁。通过采用现场实测与理论分析相结合的研究手段,对工作面主要来压原因进行分析,并结合房柱式采空区煤柱破坏失稳理论判据,认为在靠近房柱式或炮采采空区边缘容易出现顶板剧烈来压,且支架直接被压坏的现象,并提出了通过缩短工作面倾斜长度,以减小上部房柱式采空区的横跨区域范围,从而降低采空区顶板大范围垮落的危险性的工作面调整措施,并在现场得到了良好的应用效果,为类似条件的矿井提供了高效安全开采的经验。     

极近距煤层群重复采动覆岩破坏规律相似模拟试验研究

针对近距离煤层群下行开采时重复采动引起的覆岩冲击性破断问题以及再生破碎顶板条件下工作面安全开采问题，以潘二矿11221,11223工作面为研究背景，通过物理相似模拟试验，对极近距煤层群重复采动覆岩破坏及裂隙发育规律进行了研究。结果表明，1煤工作面覆岩垮落带平均高度22 m,裂隙最大发育高度85 m,“两带”发育高度相当于采高的24.2倍；受3煤、1煤工作面联合采动影响，裂隙带相对向上发育增加15 m,覆岩采动充分垮落角基本对称，顶板破坏范围增大；随着工作面推进，煤层群顶板均经历垮落、裂隙发育、采空区冒矸被压实的演变过程，14 m厚的粗砂岩层作为关键层抑制裂隙向上发育，在回采结束后其下方产生较大离层；3煤顶板覆岩垮落形态近似呈非对称“Π”型，相对于3煤，1煤采完后，工作面呈现出“两大一小”的特征；“两带”高度发育大，垮落带和裂隙带的高度分别增加了46%、21%,顶板下沉量大，顶板垮落步距小，初次垮落步距和周期垮落步距明显减小，来压较为缓和。研究结果可为煤层群开采的围岩控制提供参考。     

三软大倾角厚煤层大采高综采面覆岩破坏特征研究

针对大倾角三软厚煤层大采高工作面顶板管理难、开采难度大、覆岩变形破坏复杂、支架失稳等问题,以阳泉一矿大采高工作面为工程背景,分析了开采覆岩破坏冒落带呈现"弧形"特征形态,通过相似模拟实验揭示了大倾角三软厚煤层大采高开采过程中上覆岩层破断过程及结构特征。结果表明覆岩破坏及运移特征具有不对称性、不均衡性,最大垮落在工作面上部,采空区充填不均匀,顶板水平、垂直和倾斜位将其有相似的变化规律,基本呈现先增大后减小的变化趋势,且随着距离煤层越远,位移量显著变小,同时建议在开采过程中加强工作面上部顶板、支架管理。研究结果为三软大倾角厚煤层大采高矿山安全生产提供理论指导依据,同时也为同类型矿井提供借鉴。     

大采高工作面顶板结构分析与支架工作阻力确定

为掌握大采高工作面顶板破坏结构及矿压显现规律,计算分析了不同采高下顶板垮落规律并采用动载荷法确定支架的合理工作阻力。研究结果表明:大采高工作面基本顶悬顶面积增大,矿压显现明显;采高小且直接顶厚时,下位直接顶垮落后可充满采空区,上位直接顶破断并充当承载层,初次来压和周期来压时工作面矿压显现不明显;对比不同采高围岩塑性区分布规律,采高小,下位直接顶垮落充满采空区,上位直接顶不能承载上覆岩层质量弯曲下沉,在拉应力作用下屈服;采高增大至直接顶全部垮落充满采空区对基本顶形成支撑,基本顶形成承载结构,围岩破坏面较少;大采高开采时,基本顶悬顶面积增大造成工作面煤壁前方支承压力增大,直接顶破坏面较多;垮落带和裂隙带高度随采高增大几乎呈线性增长。根据对工作面支架工作阻力进行计算确定ZY15000/33/72D型液压支架符合现场工作面实际生产需求。     

特厚煤层大空间综放采场覆岩运动及其来压规律研究

为实现复杂条件下特厚煤层综放工作面安全高效开采,采用理论分析、相似模拟试验和微震监测等多种方法,对极近距采空区下特厚煤层综放采场大空间覆岩结构形式及其运动规律和覆岩来压机理进行研究。结果表明:1)上部2#煤层的开采,从下向上的上覆岩层依次发生垮落、断裂和弯曲下沉运动,上覆岩层完整性得到破坏,且不易积聚弹性能,降低了下部极近距离特厚煤层综放工作面顶板动压系数和来压强度;2)考虑上部煤层的采动影响,在特厚煤层综放采场,上覆岩层下沉运动空间大,采动围岩超前破坏范围大,基本顶岩梁岩块数量多于一般综放采场,且其下沉运动主要为回转失稳或剪切滑落失稳,采场覆岩动压发生的可能性降低;3)相似模拟试验、微震监测和现场实测等结果与理论分析基本吻合,特厚煤层综放采场覆岩超前远距离破坏范围达400 m;4)支架工作阻力和现场矿压实测结果表明,支架工作状态较稳定,来压动载系数平均1.19～1.22,支架来压步距离散性较大、规律性不强,工作面整体来压强度较小。结果可为类似条件下特厚煤层综放工作面支架选型、顶板控制、高效生产等提供参考。     

厚煤层综放工作面覆岩运移规律研究

针对厚煤层综放工作面覆岩突然性断裂垮落导致动力灾害的问题,根据煤岩层赋存条件和开采布局,考虑工作面顶板裂隙分布规律和开采扰动影响,采用现场勘察、岩石力学实验、数值计算等分析方法,综合分析厚煤层综放工作面覆岩运移活动规律。结果表明:受重力作用,覆岩垮落自采空区中心向四周均匀发展,岩层在拉伸应力作用下拉伸应力区呈U形破坏分布;随着掘进深度与层位的延伸,工作面顶板破坏区相互铰接形成稳定结构,阻碍了顶板运动;工作面来压步距较大,覆岩垮落冲击矿压载荷量级较大,工作面中上部区域覆岩运移量大于下部区域。     

慈林山矿煤层群下部采场覆岩运移规律

煤层群下部煤层开采,上部工作面与下部工作面双重扰动作用会加剧覆岩运移,覆岩原、次生裂隙发育演化形成导水裂隙,顶板、采空区水会极大地制约下部工作面安全、高效开采。为解决此类工作面开采难题,采用相似材料实验、理论分析法,对慈林山矿煤层群下部煤体开采时覆岩运移规律等进行研究。研究结果表明:慈林山矿煤层群下部工作面初次来压步距为55m,平均周期来压步距18.7 m,岩体垮落角在煤壁侧大于切眼处,下部煤体开采会扰动上部工作面煤柱,破断裂隙会贯通上部工作面采空区,且在上部壁式工作面一侧不易闭合,进而演变为导水裂隙,使下部工作面遭受岩体冲击、采空区水威胁,覆岩运移量由下至上具有降低—升高—降低演变特性,上部工作面覆岩沉降量整体较下部工作面大。     

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。     

大柳塔煤矿多煤层开采覆岩变形破坏模拟研究

针对大柳塔煤矿远距离多煤层开采冒裂带发育及采动影响问题,通过相似模拟和数值模拟计算,系统研究了2个主采煤层开采过程中覆岩垮落、裂隙发育及地表沉陷规律。研究结果表明：浅部2-2煤覆岩主关键层破断后,顶板基岩会发生直达地表的整体切落现象,5-2煤一次采全高长壁开采冒裂带连通上部采空区,形成工作面涌水的导水通道;重复采动岩层与地表移动和变形值增大,非连续性破坏增加;采空区上覆岩体依据主应力分布可划分为双向拉应力区、拉压应力区和压应力区3个区,主应力状态对采动裂隙的形成、发育起着控制作用;采动影响与工作面几何参数密切相关,地表沉陷随着工作面斜长或采厚的降低而减小。研究成果对大柳塔及类似条件下的煤矿安全开采与设计有指导意义。     

近距离煤层采空区下工作面覆岩结构特征研究

通过理论分析和数值模拟,对西铭矿43108工作面的覆岩结构特征进行研究,研究表明:工作面开采前,其顶板受到一定破坏,但破坏深度明显小于层间岩层的厚度,对煤层正常开采的影响较小;工作面开采时,顶板垮落带与上煤层采空区贯通,但未造成上煤层垮落带的扩大,并依此建立结构模型,在数值模拟中得到验证;通过3种不同方法,对工作面支架阻力进行合理计算,为工作面支架选型提供理论依据。     

深埋煤层覆岩结构与支架工作阻力研究北大核心

针对深埋煤层大采高工作面覆岩结构复杂,矿压现象强烈的特点,以羊场湾煤矿为工程背景,采用理论分析、相似模拟、现场实测等方法,建立羊场湾矿大采高覆岩结构力学模型,对大采高综放工作面覆岩结构的断裂和液压支架工作阻力进行综合性研究。研究表明:正常回采期间,基本顶未达到极限垮落距之前,直接顶和部分基本顶破断并不能充填采空区,以至工作面上方形成倒台阶式的“悬臂梁”结构,液压支架主要作用于防止悬臂梁结构发生回转失稳;来压期间,基本顶连同上部两岩层破断垮落充填采空区,工作面上方形成“砌体梁-悬臂梁”结构,液压支架一是提供防止直接顶“悬臂梁”结构发生回转失稳的压力,二是提供防止基本顶“砌体梁”结构回转的压力。     

房式采空区失稳煤柱下回采异常矿压发生机理

针对神东矿区石圪台煤矿31201工作面在上覆房式采空区失稳煤柱下回采期间矿压显现异常问题,利用现场实测和理论分析方法,对失稳煤柱下回采矿压显现异常的机理进行了研究。结果表明:失稳煤柱下回采期间,上煤层失稳煤柱冒落覆岩断裂岩块间不能形成铰接结构,且工作面上方冒落覆岩上覆岩层断裂岩块与其前方岩层共同向下运动,从而增加了下煤层顶板受力,使工作面呈现来压步距减小、来压强度增大的特征;由于失稳煤柱覆岩对煤层间岩层的作用力相比出集中煤柱期间小,因此未发生动载矿压灾害;煤层间岩层厚度的增加将减小下煤层顶板受力,进而减小失稳煤柱下回采矿压显现强度;提出在上煤层房式采空区失稳煤柱覆岩运动较充分后再进行下煤层开采的控制措施。     

大倾角伪俯斜采场顶板运移规律实验研究

为研究大倾角伪俯斜采场顶板垮落运移及其与支架相互作用关系。采用大比例三维物理相似模拟实验和数值计算相结合的研究手段,深入分析了伪俯斜采场初采阶段和正常回采阶段顶板应力演化与变形破坏规律,垮落顶板充填特征以及"支架-顶板"相互作用规律。结果表明,大倾角伪俯斜采场顶板应力分布与位移具有非对称性,顶板具有非对称"O-X"破断特征,且具有明显的时序特征,其中"O"破断顺序为:采空区侧边界—采煤工作面侧边界—上部边界—下部边界;"X"破断顺序为:工作面倾斜上方基本顶先发生破坏,随后基本顶沿顺时针方向依次破断。顶板周期性来压与垮落均具有分区特性与时序性,沿走向工作面各个区域顶板的垮落位置与支架相对位置不同,其中,工作面倾斜中部支架直接受到垮落顶板的作用,具体为"砸—压—推",而倾斜上部与下部垮落顶板仅在下滑过程中对支架产生倾向向下的推力,未出现明显的砸、压现象,上部作用最弱,破断顶板使支架发生不同程度的"倒"、"扭"现象;垮落顶板对采空区的充填可分为4个阶段,各个阶段交替转化的过程对工作面中、下部支架的稳定性产生了影响,矸石堆积区最终沿走向形成充填稳定区域与动态运移区域。为大倾角煤层伪俯斜采场岩层控制提供科学依据,也丰富了大倾角煤层采场岩层控制理论。