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...     

大倾角煤层群长壁开采承载拱与间隔岩层采动应力演化特征

大倾角煤层群开采过程中，受重复采动影响，采动应力在间隔岩层中的演化规律复杂，揭示间隔岩层采动应力传递与三向应力状态演化特征是实现该类煤层群绿色高效开发的核心。采用物理相似材料模拟实验研究了大倾角煤层群长壁开采围岩变形破坏的演化特征，采用数值模拟分析了围岩采动应力传递演化规律，揭示了间隔岩层三向应力状态演化特征，量化表征了第1主应力大小渐变、方向偏转的演变规律。研究结果表明：大倾角煤层群开采过程中，间隔岩层历经了“原岩应力状态-上煤层开采卸压-矸石非均衡约束-下煤层开采卸压”的扰动历程，最终产生非对称变形破坏。间隔岩层的破断失稳将使得上、下工作面开采过程中各自形成的承载拱演化成包络2个工作面在内的“大范围”承载拱，其承载拱上拱脚位于下工作面回风巷，下拱脚位于上工作面的运输巷，控制岩层变形破断内在的“大范围”应力传递拱壳亦呈现出类似的演化特征。低位间隔岩层受采动影响程度剧烈，应力释放程度较大；中位岩层压、拉状态发生改变的位置较低位向倾向下部偏移；高位岩层压、拉状态产生改变的位置位于上层煤底板临空面位置处，岩层由三向受压状态转化为单、双向受压状态。间隔岩层沿工作面倾向自下而上可分为上层煤增压...     

大角度俯采覆岩运动规律数值模拟

针对大倾角煤层俯采过程中覆岩运动所引发的支架倾倒、输送机下滑和顶板破碎等安全事故,以霍州煤电辛置煤矿10 428C工作面为例,运用FLAC3D数值模拟软件,分析了顶板岩层沿工作面走向和倾向采动特征。结果表明：大倾角俯采煤层顶板岩层无论沿工作面走向或倾向方向上,垂直应力等值线和位移等值线均呈现非对称拱形态。工作面下方支承压力和位移值普遍大于上方,岩层运动范围在中上部扩展较快。工作面顶板塑性破坏区向顶板发展,工作面下方顶板破坏范围明显增大。     

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。     

大倾角走向长壁工作面局部充填无煤柱开采理论与技术

大倾角煤层走向长壁采场围岩结构及应力环境异化,工作面不同位置“支架-围岩”系统的构成因素及灾变模式不同,导致工作面安全事故频发、煤炭采出率较低、巷道掘进率高。通过对大倾角采场围岩采动力学行为的分析,提出了大倾角走向长壁工作面局部充填无煤柱开采技术构想,工作面走向推进过程中沿倾向对采空区下部进行局部充填,充填体既与巷旁支护作用形成沿空巷道,取消区段保护煤柱,实现大倾角煤层无煤柱开采,又增大了工作面倾向下部充填压实区长度,加强了工作面“支架-围岩”系统稳定性。根据大倾角走向长壁采场特点,优选确定了大倾角膏体局部充填工艺,设计了大倾角局部充填回采系统、采充工艺。并采用理论分析、模拟实验、数值计算等相结合的方法,分析了局部充填对大倾角走向长壁采场围岩采动力学行为的调节机制。结果表明：充填体影响基本顶岩梁的变形破坏及采场倾向下侧煤岩体承载特征,基本顶、运输巷顶板变形量及运输巷倾向下侧煤岩体所受约束均随充填长度的增大而减小;为防止采空区未充填区悬顶灾害,充填长度不应超过工作面长度的1/3。局部充填体限制了工作面下部区域顶板破断,降低覆岩关键域形成层位,形成稳定的巷帮,减小沿空留巷围岩变形量;同时工...     

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。     

大倾角层状采动煤岩体重力-倾角效应与岩层控制

大倾角煤层开采过程中，重力-倾角效应是导致细观层状煤岩体单元体主应力偏转和层间接触面应力非均衡传递，介观层状采动模型优势破裂面方向偏移，宏观层状关键层区域迁移、岩体结构异化的主要因素。研究表明，在倾角35°以上煤层采场中重力-倾角效应影响尤为明显：(1)煤岩组合界面倾角35°～60°时，非均衡传力特性逐渐凸显，界面附近煤岩体内应力传递方向发生偏转，且偏转量随倾角增加逐渐增大；煤体破坏由压剪破坏转化为近平行于界面的滑移剪切破坏，煤岩体的强度和弹性模量也随之减小。(2)改变了采场围岩采动应力路径演变规律，在采动应力驱动下顶板的损伤变形与破坏运动存在明显的区域性和时序性。(3)诱发了大倾角采场顶板结构跨层迁移转化、底板非对称破坏滑移、区段煤柱或煤壁局部-整体破坏，以上围岩失稳存在多尺度链式时空关联性，特别是引发围岩灾变的采场关键岩块位置多变，形成采场围岩承载结构异化和泛化特征。理论与实践表明，重力-倾角效应作用下大倾角煤层岩层控制具有显著的多维度和多尺度特点，突破传统开采方法与技术瓶颈，研发全新型成套装备是实现该类煤层安全高效开采的有效途径。     

大倾角煤层开采围岩的力学行为研究

针对大倾角工作面上覆岩层运动和破坏特征、支承压力分布规律及其对开采的影响,以走向长壁大倾角综采工作面为工程背景,采用现场实测、理论建模及数值模拟等方法,研究了大倾角煤层开采顶板岩层的断裂机制,以及大倾角煤层煤壁前方和采空区倾向的最大应力集中系数、支承压力塑性区范围、顶板的来压步距、顶底板的位移量等特征。在获得大倾角煤层开采矿压特征基础上,提出工作面支架稳定性、设备防滑以及来压期间采场围岩的控制技术。对减少煤矿顶板事故、提高大倾角煤层开采的安全性具有一定的指导意义。     

断层倾角对上盘工作面冲击危险性影响分析

以红岭煤矿沿F505正断层走向布置的上盘工作面为背景,采用数值模拟软件FLAC3D,研究了在断层倾角不同的情况下,上盘工作面开采采动应力及断层滑移规律。结果表明,断层倾角越大,断层煤柱及断层侧工作面超前支承压力集中程度越高,采动空间冲击危险性越高;断层滑移量与煤柱应力峰值变化趋势相同,均随着断层倾角的增加而增加,由于上覆岩层跨落角与断层倾向相反,断层对顶板活动的影响较小,而且断层倾角越小煤层顶板越不易受到断层影响。     

大倾角煤层走向长壁开采支架稳定性力学分析

大倾角煤层走向长壁工作面安全高效开采的关键是对围岩的有效控制,而围岩控制的难点在于"支架-围岩"系统的稳定性控制。在综合厘定与研究工作面"顶板-支架-底板"系统相互作用关系的基础上,采用理论分析方法,将底板假设为弹性地基,构建支架倾向力学模型,研究顶板载荷作用下支架的行为响应,并探讨采高、底板物理力学属性和架间作用等因素对支架稳定性的影响。结果显示,在大倾角煤层走向长壁开采中,工作面顶板在其自重及上覆岩层载荷作用下,沿着渐进于重力方向的曲线处于非连续运动状态中;受工作面顶板非连续运动影响,其对支架的作用载荷处于渐进累积过程,支架亦会随着顶板的运动而运动,且其运动幅度处于非连续渐进累积过程;支架稳定性随着顶板法向载荷的增大、顶板切向载荷的减小、顶板载荷偏载程度的减小、底板硬度的增大、采高的减小和支架侧护板千斤顶刚度的增大而增强;顶板法向载荷、底板地基系数、采高和支架侧护板千斤顶刚度仅能在一定程度上增大或减小支架的运动幅度,而顶板切向载荷和顶板载荷作用位置不仅能影响支架的运动幅度,亦会改变其运动方向,且较其它因素而言,其对支架稳定性影响较显著。严控工作面倾斜中上部区域顶板稳定并及时调整支架位态,以减小工作面顶板对支架的切向载荷和顶板载荷的偏载程度,是控制支架稳定的有效途径。     

大倾角煤层开采围岩的力学行为研究

针对大倾角工作面上覆岩层运动和破坏特征、支承压力分布规律及其对开采的影响,以走向长壁大倾角综采工作面为工程背景,采用现场实测、理论建模及数值模拟等方法,研究了大倾角煤层开采顶板岩层的断裂机制,以及大倾角煤层煤壁前方和采空区倾向的最大应力集中系数、支承压力塑性区范围、顶板的来压步距、顶底板的位移量等特征。在获得大倾角煤层开采矿压特征基础上,提出工作面支架稳定性、设备防滑以及来压期间采场围岩的控制技术。对减少煤矿顶板事故、提高大倾角煤层开采的安全性具有一定的指导意义。     

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。     

不同煤层倾角对围岩及顶底板影响的数值模拟

以安徽某煤矿倾角煤层采煤工作面的开采为工程背景,通过FLAC3D大型模拟软件对不同煤层倾角采煤工作面开采后采场围岩及顶底板矿压分布规律进行研究。研究结果表明: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。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煤层工作面且采场顶板应力分布是不对称的。     

大倾角煤层采场顶板运动与矿压显现规律研究

双鸭山东保卫煤矿36#大倾角煤层采场顶底板运动直接制约生产安全。通过现场监测,结合计算机数值模拟等理论方法,对大倾角条件下采场顶板运动与矿压显现规律、工作面支架载荷进行了研究。研究结果表明,由于煤层倾角增大,老顶沿倾向会形成一个由断裂岩块铰接而成的拱形结构,工作面中上部与下部载荷比为1.41。     

大倾角煤层覆岩破坏规律相似材料模拟研究

针对某矿2317工作面地质条件,结合相似材料模拟基本理论,对大倾角煤层顶板破裂过程与覆岩破裂结构进行观测,并对直接顶、基本顶的破坏规律,大倾角煤层覆岩空间结构演化进行了研究,结果表明:随着工作面推进,工作面上位岩层在一定范围内裂断与分离,形成高位岩层的传递力结构;沿工作面倾斜方向中、上部区域内"三带"特征明显,且层位较高,而下部区域的顶板岩层形成的层位较低或不明显。     

煤矸互层顶板大倾角大采高工作面覆岩活动规律相似模拟研究

为了弄清煤矸互层顶板大倾角大采高工作面覆岩活动规律,以新疆焦煤集团25213工作面为工程背景,采用物理相似模拟实验方法研究了煤矸互层顶板大倾角大采高工作面覆岩活动规律。研究结果表明:25213工作面来压步距的变化范围为8~17m。与同倾角条件下的坚硬顶板大倾角大采高工作面相比,工作面来压步距较大,覆岩垮落形成冲击载荷的量级较大,工作面支承压力分布平稳且较大,上、下端煤柱支承压力峰值均较小。沿煤层高度方向,该工作面下位岩层运移量大于上位岩层;沿煤层倾向,该工作面中上部区域覆岩运移量大于下部区域。     

大倾角厚煤层顶板破断规律的数值模拟研究

为了研究大倾角综采工作面顶板破断及矿压显现规律,采用UDEC2D数值模拟软件建立了沿工作面走向和倾向的数值分析模型,模拟了工作面开采过程中的顶板破断和矿压显现规律及围岩应力分布特征,可为类似煤层开采提供参考.     

大倾角煤层长壁开采覆岩空间活动规律研究

针对大倾角煤层长壁开采覆岩变形、破坏和运移规律复杂,对工作面安全开采影响大等问题,采用现场实测、数值模拟和相似材料模拟,研究总结了大倾角煤层长壁开采直接顶、基本顶和高位岩层空间的变形、破坏和运移规律。结果表明:大倾角煤层走向长壁机械化开采过程中,沿倾斜方向采场顶板低位岩层与高位岩层均呈现出非对称力学特征,且破坏运移呈现出时序性和不均衡性。沿工作面倾斜方向中、上部区域内"三带"特征明显,且层位较高,而下部则顶板岩层没有明显的"三带"特征或"三带"形成的层位较低且不完整;多区段、多煤层开采时,上覆岩层影响程度远大于单一煤层,且具有一定冲击性。     

大倾角煤层长壁伪俯斜采场围岩应力演化及顶板破断特征

以绿水洞煤矿3132俯伪斜工作面为工程背景,研究了大倾角伪俯斜采场围岩应力演化、顶板破断及采场空间尺度特征。结果表明,大倾角伪俯斜采场围岩存在应力拱特性,沿走向呈对称性应力拱,沿倾斜方向呈非对称性应力拱;在工作面推进过程中,基本顶应力演化形态依次为楔形→倒立桃形→倒立梯形等主要形态;基本顶岩层在中上部区域呈拉、压破坏,在下部区域呈压破坏;伪俯斜采场支承应力峰值较真倾斜采场支承应力峰值略大,随开挖次数的增加支承应力峰值逐渐叠加产生累积效应;伪俯斜采场受顶板断裂、垮落"时序性"以及矸石充填"负约束效应"的影响,易形成空间尺度上大、下小的非对称性采场空间。     

大倾角工作面矿压显现分析

文章分析了大倾角工作面上覆岩层结构及其矿压显现规律及结构的平衡条件，认为覆岩在走向和倾向均能形成三铰拱岩结构，其工作面矿压显现沿走向变化较小，沿倾向表现为上弱下强。