大同矿区特厚煤层综放回采巷道强矿压显现机制及控制技术

为保证大同矿区特厚煤层开采过程中临空巷道超前支护段的稳定性与可用性,采用理论分析与现场实测相结合的方法,得到巷道超前支护段的强矿压显现机制。研究表明:侏罗系煤层采空区区段煤柱应力集中影响区深度仅50~70 m,不足以影响石炭系工作面回采巷道的强矿压显现;石炭系工作面临空巷超前支护段的强矿压显现,主要受工作面采动超前支承压力及相邻工作面采空区悬顶的双向高支承压力的影响,且当工作面过上覆煤层采空区边界煤柱后,侏罗系煤层顶板大结构被重新激活,再次运动失稳,加剧了临空巷道的强矿压显现。提出并实施巷道顶板水压致裂有效控制技术,对同忻矿8105工作面5105临空巷实施定向高压水力致裂,实现巷道围岩高应力的转移,大大降低了临空巷超前支护段的强矿压显现强度,取得良好的临空巷卸压效果,保证了特厚煤层综放工作面的正常生产。     

综采面多层坚硬顶板破断特征及其安全控制研究

祁东煤矿8_2煤层覆岩存在多层厚度较大坚硬岩层,初次跨落步距大,周期断裂悬顶长,严重危害工作面的安全生产。通过分析坚硬顶板的岩梁结构、力学特性,建立了初次来压双固支梁模型,判断出关键层的位置,获得了顶板初次垮落及周期垮落步距。并建立了有矸石支撑的周期跨落悬臂梁模型,根据平衡关系计算得到给定支架载荷下的合理悬顶长度。采用超前深孔预裂爆破技术弱化坚硬顶板,设计了合理爆破参数。开采实践表明,采用的爆破技术实现了对坚硬顶板的有效控制,减小了基本顶跨落步距,降低了来压程度,保证了工作面的安全正常开采。     

急倾斜煤层坚硬顶板塌落规律及控制研究

急倾斜煤层坚硬顶板塌落控制已成为煤矿生产中的难点问题,深入研究急倾斜煤层坚硬顶板塌落规律及控制方法对煤矿安全生产具有重要意义。通过现场勘查及室内试验方法分析煤岩层岩体的力学特性,采用室内相似材料模拟实验方法及离散元数值计算方法研究急倾斜煤层坚硬顶板的塌落规律,分析急倾斜煤层坚硬顶板的突变塌落特征及范围,设计坚硬顶板预裂爆破方案,利用离散元方法对坚硬顶板塌落控制方案进行数值模拟计算,并与实际工程中的应用效果进行对比分析。研究结果表明:坚硬顶板岩层具有明显的弹脆塑性破坏特性,采用弹脆塑性应变软化本构模型计算煤岩层接触面的破坏过程,能够合理反映急倾斜煤岩层顶板的破坏特征;3DEC离散元计算结果与相似材料模拟实验结果基本吻合,急倾斜坚硬顶板在短壁开采条件下沿倾向位移不明显,沿走向不易塌落,易在后方采空区形成跨度75～85m的大面积悬顶,并伴有明显的突变塌落特征;提出利用离散元方法计算超前深孔预裂爆破顶板的数值计算方法,计算结果与现场实际应用效果相符,验证了该方法应用在坚硬顶板控制研究方面的可行性。     

大倾角煤层工作面采场围岩矿压分布规律光弹性模量拟模型试验及现场实测研究

以平煤集团香山矿戊9-0-22090大倾角煤层工作面为工程背景,通过室内光弹性模拟模型试验和工作面现场矿压实测,对大倾角煤层工作面开采后采场围岩矿压分布规律进行研究.光弹试验和现场实测结果表明:倾角对煤层工作面开挖后采场围岩应力分布、支承压力的分布有显著影响.大倾角煤层工作面开采后,采场顶板岩层的变形、破坏和运动形式不同于一般缓倾斜煤层工作面,采场支架载荷的分布、来压显现程度、来压步距沿采场倾斜方向均不同.工作面煤层开采后,采场顶板应力分布是高度不均匀、不对称的,在采空区两侧保护煤柱角高度集中,形成支承压力区,采空区上方形成支承卸压区.采场顶底板应力释放,两侧煤柱出现应力集中,采场四个角部位出现较大剪应力.剪切应变主要出现在采场下端部顶板和上端部的底板,而体积应变主要出现在煤层较近顶板和两侧煤柱.研究成果,对香山矿和类似条件下大倾角炮采煤层工作面的开采和顶板的支护的优化和管理具有一定的指导意义.     

祁东矿坚硬顶板破断规律研究

祁东矿坚硬顶板大面积悬顶,为生产安全带来了巨大的隐患。通过对祁东矿3245(上)工作面顶板岩石取芯试验取得岩石力学参数,再利用取得的岩石力学参数对矿3245(上)工作面顶板的初次来压步距和周期来压步距理论计算和数值模拟分析。分析所取得的成果为后续的顶板控制提供重要的依据。同时该研究方法也为其他同类工程的处理提供参考。     

大空间远近场结构失稳矿压作用与控制技术

针对大同石炭系坚硬顶板特厚煤层开采造成的强矿压显现及控制难题,通过现场实测和理论分析,揭示了大空间远、近场岩层失稳破断的强矿压显现机制,提出了坚硬顶板控制技术。研究表明:近场岩层破断失稳造成工作面复合周期来压显现,远场结构失稳是工作面强矿压的主要影响因素,临空开采、煤柱赋存条件下,高位结构破断回转、应力集中更复杂,采场矿压显现更强烈。提出井上下、远近场协同控制坚硬岩层技术体系,通过采用井下近场预裂和地面远场压裂的坚硬岩层弱化技术,减弱远、近场坚硬岩层的矿压作用,控制工作面强矿压显现,开辟了采场矿压控制的新途径。     

初次来压前受超前增压荷载作用的坚硬顶板弯矩、挠度和剪力的解析解

 坚硬顶板弯矩、挠度的理论解是矿山岩体力学中未曾获得较好解决的课题。初次来压坚硬顶板问题的超静定次数,比周期来压坚硬顶板问题的超静定次数要高1次。将煤层、直接顶按弹性地基处理,对初次来压前受均布荷载、荷载峰超前的增压荷载和支护阻力共同作用的,工作面中部煤壁前方和采空区单位宽坚硬顶板的挠度进行求解,采用潘 岳等求解周期来压前坚硬顶板弯矩、挠度解中的部分结果,求得满足全部连续条件和自然边界条件的坚硬顶板的4段式挠度表达式中的所有系数。据所得表达式,采用Matlab软件计算和绘图得到的初次来压前坚硬顶板挠度、弯矩曲线在考察区间光滑连接,剪力曲线连续。对曲线进行分析可知：(1) 荷载增减对顶板弯矩、挠度作用明显;(2) 支护阻力可有效减小煤壁前方顶板和悬空顶板的弯矩、挠度及采空区顶板的剪力值;(3) 单位宽顶板的特征长度由弹性地基系数、顶板抗弯刚度组成。在相同荷载下,只要特征长度相同,顶板弯矩分布完全相同,特征长度大者顶板弯矩大;(4) 弹性地基系数小者,煤壁前方顶板挠度(下沉量)大。抗弯刚度小者,采空区顶板挠度(下沉量)大;(5) 顶板弯矩峰位置在煤壁前方。顶板荷载大,支护阻力小,弹性地基系数大者,其弯矩峰与煤壁的距离近。在控顶区两端顶板剪力取最大值。所得硬顶板的关系式为理想坚硬顶板模型的解析解,其应用是从解析解算例中受到启发,获得参数变动时坚硬顶板弯矩、挠度和剪力变化的规律性认识,对采场顶板状况变化作出合理的定性判断,亦可为坚硬顶板断裂过程和断裂引发顶板应变能释放、冲击矿压能量来源及初次来压步距的量化分析提供基础。     

坚硬顶板控制放顶方式及合理悬顶长度的研究

 基于坚硬顶板长壁工作面初次跨落步距大、周期断裂悬顶长,对采场安全危害严重的特点,系统研究工作面顶板初次断裂的3种控制放顶方式和周期断裂的合理悬顶长度。通过建立两端固支岩梁力学模型,分析并比较采用循环浅孔拉槽、中部拉槽和端部拉槽等3种爆破控制放顶方式缩短坚硬顶板工作面初次断裂步距的拉槽深度与爆破工程量。结果表明,就爆破工程量而言,端部拉槽最小,中部拉槽次之,循环浅孔拉槽最大。通过顶板周期断裂悬臂岩梁力学模型的建立及其分析,基于工作面支架的设计工作阻力,推导顶板周期断裂的合理悬顶长度与工作面支架设计支护阻力,以及上覆岩层荷载和工作面控顶距之间的关系式。研究结果在晋城七岭煤矿15102工作面成功应用,可以为相应条件下坚硬顶板控制放顶提供理论依据与应用指导。     

急倾斜三软厚煤层留小煤柱沿空护巷技术

在急倾斜三软厚煤层走向长壁俯伪斜采煤条件下实施留小煤柱沿空护巷十分困难,煤柱稳定性和巷道围岩变形极难控制。针对这一难题,提出了包含煤柱小角度锚固法和十字护顶方法的留小煤柱沿空护巷技术,有效解决了煤柱易沿顶底板剪切破坏并向巷内搓动的问题,降低了巷道软弱围岩的破碎程度和变形量。现场试验结果显示,留设小煤柱的完整性保持较好,其中相较于原支护方式顶底板移近量减少了40%,两帮收敛量则减少了42%,巷道围岩变形得到了有效控制。与此同时,还得到工作面前后方回采巷道的矿压显现呈现明显的6个分区,分别为工作面前方无影响区、工作面前方矿压显现影响区、工作面前方矿压显现强烈区、工作面后方顶板激烈活动区、工作面后方顶板活动减缓区和工作面后方基本稳定区。其中,工作面前方矿压显现强烈区和工作面后方顶板活动激烈区的范围明显大于缓斜近水平煤层,这为分区制定围岩控制措施提供了有利依据。所得研究成果可为我国急倾斜走向长壁俯伪斜工作面沿空护巷技术研究提供一定的补充。     

急倾斜煤层放顶煤顶煤破碎与放煤巷道变形机理分析

在总结现场试验的基础上 ,应用弹塑性力学及矿压理论分析了急倾斜煤层放顶煤法顶煤破碎过程 ,揭示了放煤巷道的矿压显现与顶煤破碎的内在联系 ,提出了顶煤的破碎机理 ,对完善和推广这一开采方法具有较大的理论和现实意义。     

山地浅埋煤层工作面支架合理工作阻力研究

针对山地浅埋煤层开采过程中工作面出现的矿压显现强烈,支架被压死或支架尾梁与顶梁分离等现象,通过建立山地浅埋煤层基本顶初次垮落时岩块触矸前控制基本顶滑落失稳的结构力学模型对山地浅埋煤层开采工作面支架合理工作阻力进行了研究。研究表明:山地浅埋煤层开采过程中基本顶出现滑落失稳的可能性相对较大,且基本顶的初次破断具有不对称性,通过计算得出发耳井田1、3煤层山地浅埋煤层工作面液压支架工作阻力应大于5 773 kN。     

大断面强采动综放煤巷顶板非对称破坏机制与控制对策

 针对大断面强采动综放煤巷开掘过程中出现的顶板非对称变形破坏现象,以王家岭煤矿为工程背景,通过现场调研、室内试验、理论分析、数值模拟和井下试验等手段,对变形破坏机制与控制对策进行研究。得出如下结论：(1) 综放煤巷顶板呈现非对称变形破坏特征,表现为煤柱侧顶板严重下沉、剧烈水平滑移变形及肩角部位顶板错位、嵌入、台阶下沉等;(2) 侧向基本顶于煤柱上方距采空区边缘6～7 m处发生破断,基本顶的破断和回转下沉运动引起的不均衡支承压力q和回转变形压力?是沿空巷道不对称变形破坏的根本力源,靠煤柱侧顶板及肩角部位是巷道变形破坏的关键部位;(3) 受采空区不稳定覆岩运动和巷道开挖影响,巷道围岩结构和应力分布以巷道中心线为轴呈非对称性分布,而原有支护未能对煤柱侧顶板及肩角等部位加强支护且无法适应顶板剧烈水平运动,巷道掘出后呈现出非对称矿压显现,后期受到本工作面回采影响,非对称变形破坏进一步加剧。(4) 分析该类巷道支护原理,提出集高强锚梁网、非对称锚梁桁架结构、预应力锚索桁架的非对称控制体系,阐述其控制机制,并进行方案设计和工程应用。数值模拟和工程实践表明,该技术可有效减弱顶板应力和位移分布的非对称性,控制围岩非对称变形破坏。     

弹性基础边界基本顶板结构周期破断与全区域反弹时空关系

为了提出预警基本顶大面积周期来压灾害的方法,采用理论计算、相似模拟与工程实践相结合的方法研究基本顶板结构周期破断与全区域反弹压缩场的时空关系并得到如下结论:(1)基本顶板结构深入煤体周期破断时,断裂线外围依次产生"Ⅰ级半椭圆反弹区"→"C形压缩区"→"Ⅱ级C形反弹区"→"C形压缩区"。(2)断裂线前侧的Ⅰ级反弹区中部反弹量最大,断裂线端部为压缩区;Ⅱ级反弹区内外边界线的间距基本相等,且反弹量先增大后减小。(3)一次破断形成的反弹压缩区形态与分次破断形成的不同。(4)基本顶的破断程度越大反弹量越大,但基本不改变反弹压缩区的分布形态。Ⅱ级反弹区"包围"整个"悬顶区",所以在邻侧巷道及两巷区可监测基本顶深入煤体周期断裂产生的反弹压缩信息。采用特制高精度位移传感器相似模拟试验和工程实践验证了结论的正确性。形成了预警基本顶大面积周期来压灾害的"1同时、2滞后、2区域、2指标及2控制"的方法体系。     

工作面上覆采空区大面积悬顶隐患治理技术

针对房柱式采空区下方近距离煤层开采时上覆煤柱易失稳,容易发生顶板大面积突然垮落进而造成强动压灾害的问题,以中煤华昱公司元宝湾煤矿为工程背景,分析了6号煤工作面回采过程中上覆4号煤房柱式采空区顶板突然大面积垮落的可能性,研究了复合采空区条件下煤层开采顶板致灾机理,引入了分段定向水压致裂强制放顶技术手段。通过在元宝湾矿6煤6203回采工作面切眼及顺槽运用定向水压致裂技术对工作面顶板及上覆采空区顶板进行弱化治理,缩短了工作面初次来压和周期来压步距,减小了工作面来压强度,成功地防治了上覆房柱式采空区大面积悬顶导致的垮落致灾隐患,保证了工作面的安全回采。取得了良好的经济和社会效益,并为类似矿井的安全回采提供了实践参考。     

周期来压前受超前隆起分布荷载作用的坚硬顶板弯矩和挠度的解析解

将煤壁前方煤层和直接顶视为弹性地基,鉴于坚硬顶板的损伤、破裂从工作面中轴线的超前部位开始,在工作面煤壁中央取单位宽度的岩层结构研究,建立受均布荷载、超前隆起分布荷载和支护阻力共同作用的坚硬顶板超静定挠度微分方程组.在满足所有自然边界条件和连续条件的基础上,导得周期来压前煤壁前方和采空区坚硬顶板的挠度、弯矩表达式.据所得表达式,用Matlab的算例和绘图,对项板荷载、支护阻力、地层刚度、单位宽顶板抗弯刚度及悬顶步距变化时坚硬顶板的挠度、弯矩进行分析,所得到的4段式弯矩、挠度曲线在考察区间内光滑连接,弯矩峰值位置在煤壁前方,顶板下沉量计算值在现场经验范围内.所得坚硬顶板弯矩、挠度的关系式为理想模型的解析解,其应用是从解析解算例中受到启发,获得参数变动时顶板弯矩、挠度变化的规律性认识,对实际采场顶板状况的变化作出由合理的定性判断,并可为坚硬顶板损伤断裂,为因断裂引发顶板应变能释放及冲击矿压能量来源的研究提供基础.     

云冈矿8621综放面坚硬顶板弱化处理技术

针对同煤集团云冈矿8621综采放顶煤工作面煤层和顶板条件,为了保证在"两硬"条件下综放工作面安全生产,沿12号煤层顶板布置了两条工艺巷,在工艺巷内对坚硬的顶煤和煤层顶板进行爆破预裂弱化,保证了顶煤的顺利下放和高效回收,避免了工作面坚硬顶板大面积悬顶的威胁。     

初次断裂期间超前工作面坚硬顶板挠度、弯矩和能量变化的解析解

 在覆岩均布力和增量压力共同作用且光滑连接的荷载形式作用下,将煤壁前方煤层和直接顶视为弹性地基,在工作面中部选取单位宽度的岩层结构作为研究对象,建立采空区与工作面前方坚硬顶板的超静定挠度微分方程组。在满足所有自然边界条件和连续条件的基础上,求得此微分方程组的精确解,导得初次断裂前、后煤壁前方的顶板挠度、弯矩和弯曲应变能量密度分布关系式。对30 MPa的顶板层位荷载和0.6～1.0 GPa的地基刚度,根据所提出的关系式,用Matlab软件的计算绘图形式,给出初次断裂前、后顶板挠度、弯矩、顶板超前断裂位置、弯曲应变能积聚与释放随地基刚度减小而增大的规律。得到顶板超前断裂位置在煤壁前方6.14～7.75 m处,从工作面煤壁到其前方20.45～22.90 m区域是顶板能量积聚集中区,该区域有相当于断裂后顶板弯曲应变能的10～13倍的弯曲应变能在顶板断裂期间释放。从几何上阐明2条顶板弯曲应变能量密度分布曲线之间的面积即为顶板断裂时释放的能量。通过调整所得到关系式的参数,可计算不同采深、不同岩性和岩层结构的工作面煤壁前方的顶板挠度、弯矩和弯曲应变能量密度关系,对冲击矿压防治、顶板管理和放顶有重要参考意义。     

浅埋煤层长壁开采顶板控制研究

通过三个不同条件的工作面实测, 揭示了浅埋煤层采场矿压显现基本规律, 指出顶板台阶下沉是由单一关键层顶板破断失稳造成的, 顶板存在结构效应. 通过相似模拟实验和分步开挖数值模拟分析, 得出顶板破断机理为拉破坏, 老顶初次破断具有非对称性, 老顶周期性破断后可形成不稳定铰接结构. 采用岩块实验、 模拟实验和数值分析, 系统地研究了老顶岩块铰接点的挤压和摩擦性质, 确定了顶板结构定量化分析的关键参数——岩块端角挤压系数和摩擦系数. 在实验研究和实测分析基础上, 首次将初次来压分为两个阶段, 分别建立了老顶触矸前的“非对称三铰拱”结构和触矸后的“单斜岩块”结构模型. 提出了浅埋煤层采场老顶周期来压的“短砌体梁”结构和“台阶岩梁”结构模型. 通过顶板结构稳定性分析, 揭示了顶板的强烈来压和台阶下沉是由结构滑落失稳造成的, 确定了控制顶板滑落失稳所需的支护力, 奠定了采场顶板控制的理论基础. 在顶板结构分析的基础上, 指出浅埋煤层采场支架处于“给定失稳载荷”状态, 在顶板载荷确定中引入了载荷传递因子, 按支架与围岩共同承载的观点给出了采场支护阻力的确定方法和计算公式. 分析了采场支护阻力的影响因素, 指出了顶板控制的经济有效途径. 通过实测分析和初步实践, 验证了研究结论的正确性.总体上,本文建立了以顶板结构及其稳定性为核心的浅埋煤层顶板控制理论框架,首次系统地应用顶板结构理论进行了顶板控制的定量化分析, 取得了比较满意的结果.     

薄煤层巨厚硬顶板断裂规律的模拟实验研究

本文针对淮北矿区朱庄煤矿Ⅱ646综采工作面可能面临的顶板大面积断裂和垮落特征,通过相似模拟实验,对顶板的变形和垮落特性做了具体研究,得出初次来压步距84 m和平均周期来压步距31 m的规律,且回采期煤层顶板运动可划分为六个区。从而为某煤矿Ⅱ646综采工作面坚硬顶板的处理提供理论依据。     

坚硬薄基岩浅埋煤层合理强制放顶距的确定

 在开采松散表土坚硬薄基岩浅埋煤层过程中,为避免发生压架、溃沙事故,现场常采取强制放顶的方法,但对于强制放顶距如何合理确定则显得理论依据不足。为此,结合凉水井煤矿首采工作面的实际条件,根据岩层控制理论,采用理论分析、数值模拟、现场观测的方法对合理强制放顶距进行研究。结果表明,在工作面推进距离距切眼20 m处,即介于基本顶周期来压步距和初次来压步距之间,进行顶板强制放顶能成功地避免初次来压,对支架影响较小,放顶效果良好,可以避免压架的发生。结论在现场试验中得到了验证。