采场围岩应力壳力学特征的岩性效应

应用计算机数值模拟结合现场实测,对软岩、中硬岩和硬岩采场围岩应力壳力学特征的岩性效应进行了分析和研究。研究表明：岩性变化对应力壳力学特征有显著影响,随岩性增强,应力壳高度降低,且由拱形壳向扁平壳转变;壳体内最大应力峰值和高应力集中范围逐渐增大并向工作面上隅角近场围岩和煤柱逼近,冲击性失稳的动力灾害危险性增大。岩性不同,工作面围岩的主要承载力系亦不同,软岩工作面最主要承载力系是围岩应力壳;中硬岩工作面,上覆岩层荷载由围岩应力壳和基本顶承载岩层共同承担;硬岩工作面,围岩应力壳与基本顶承载岩层重合在一起。随岩性增强,工作面围岩破坏场、位移场的分布范围和强度均减小。因此,根据工作面围岩固有的力学属性采取相应的措施,通过改善采场围岩应力分布,对缓和矿压显现实现安全开采有积极作用。     

采高对工作面及围岩应力壳的力学特征影响

以谢桥矿1151(3)综放工作面工程地质和开采技术条件为背景，应用实验室相似材料模拟和计算机数值模拟（FLAC3D），对不同煤层厚度采场围岩应力分布规律进行系统的分析和研究，获得了采场围岩宏观应力壳力学特点和变化规律，即随开采煤厚的增大，应力壳的几何高度增加，壳基应力降低，分布范围增大且离工作面煤壁越远；揭示了煤层厚度对该力学特征的影响和综放与综采工作面及围岩宏观应力壳力学特征的差异，也正是综放工作面矿压显现不同于综采工作面的根本所在. 表明合理调整开采厚度和采场结构可改善采场围岩宏观应力壳的动态平衡，对保护工作面、减小矿山压力影响和显现有积极作用.     

综放工作面及其围岩宏观应力壳力学特征

采用大型非线性三维计算机数值模拟、实验室相似材料模拟对综放工作面围岩应力分布进行了深入研究,发现综放工作面围岩存在高应力束组成的宏观应力壳,应力壳位于采场四周未采煤岩体和弯曲带内,其形态随工作面推进采场结构的变化而改变.应力壳承担并传递上覆岩体荷载和压力,是最主要的承载体,应力壳拱脚处应力形成采场四周围岩支承压力.砌体梁结构位于宏观应力壳下的减压带内,砌体梁仅承担壳体下岩层部分荷载.综放工作面主要力学特征是位于上覆围岩宏观应力壳保护下的低应力区内,这正是综放工作面矿压显现趋于缓和的根本原因.基于对应力壳体的发现和开展的一系列分析,揭示了综放采场顶煤“垫层”作用的力学本质.     

采场底板围岩应力壳力学特征及时空演化

针对采场底板围岩三维应力场特征及演化规律，以谢桥煤矿1232(1)综采工作面为研究对象，采用综合研究方法开展了系统研究。结果表明:煤层回采过程中，伴随着采场围岩三维应力场的不断调整，在采场底板围岩空间区域也存在高应力束，高应力束在三维空间形成了采场底板围岩应力壳，应力壳壳体内外岩体主应力均低于壳体中的主应力。应力壳内边界之上垂直应力和水平应力均显著降低，部分岩层内压应力转化为拉应力，壳体和应力壳外边界岩层垂直应力降低，水平应力仍然较大，存在水平应力集中现象，三维应力场作用的选择性是采场底板围岩应力壳形成的内在力学本质。采场底板围岩应力壳形态随着采场结构的变化而调整，具有典型的短边依赖效应，破裂区和最大位移区主要发育在应力壳壳体内边界之上的低应力区内。采场底板围岩应力壳是抵抗底板岩层卸压膨胀、进而发展到拉剪破坏的主要集中力系，采场底板围岩应力壳的失衡可能引起较大的动力现象。     

不同采厚围岩力学特征的相似模拟实验研究

针对一次采厚变化对采场围岩变形、位移、应力分布等力学特征的影响,根据淮南谢桥煤矿1151(3)综放工作面地质和开采技术条件,采用实验室相似材料模拟开展了不同采厚回采过程中围岩力学特征的研究.结果表明,不同采厚回采期间煤层顶、底板一定范围内的岩层应力均具有明显的分区特征,在高位岩层和工作面前方及切眼后方未采煤岩体内均形成起主要承载作用的宏观应力拱,覆岩运移形态均为非对称性;随一次采厚增加,覆岩垮落角略有变化,支承压力影响范围和两带（垮落带和断裂带）高度加大并逐渐趋于稳定;两带高度、支承压力峰值位置距工作面煤壁距离与一次采厚呈非线性正比关系.     

大采高采场三维应力分布规律数值模拟研究

以谢桥煤矿1232(3)工作面地质条件为基础,利用数值模拟方法研究该工作面采场的三维宏观力学特征,揭示了大采高综采工作面开采过程中工作面煤岩层三维应力分布规律。研究表明:顶板岩层中的最大主应力作用位置位于煤层内最大主应力作用位置前方,采场空间围岩内存在椭球形状的应力拱壳结构,工作面位于压力拱壳结构内部的低应力区。     

充填开采采场球应力壳分布及演化规律研究

针对传统矿压理论中对采场承载体系的解析所存在的问题,本文提出采用球应力这一表征岩体三维应力及完整性状态的力学参量进行工作面围岩稳定性控制分析。基于充填采场上覆岩层结构及球应力分布的相互关系研究,认为采场围岩中存在对其稳定性起主控作用的球应力壳结构。采用FLAC3D数值软件建立了充填开采的全应变软化数值模型,模拟分析了充填开采采场球应力壳的空间分布形态及其随工作面推进的演化规律。研究表明:球应力壳由低球应力值的应力核区及核外区域所组成,球应力壳随工作面推进呈现阶段性时空演化特征,其趋稳过程历经上壳发展、上壳稳定、下壳发展及应力壳稳定4个阶段;工作面推进距离小于工作面长度时,球应力壳受开采进度影响明显,并且相对上壳而言下壳的发展具有明显的滞后性;顶底板塑性区的破坏范围与球应力核区域范围相同且随工作面的推进保持同步协调关系,扩展空间由下及上,破坏深度由表及里,破坏形式由拉及剪。     

采空区积水对围岩稳态的影响及防治方法研究

采空区积水会改变煤层的力学特性,进而影响采场采动下围岩的应力和变形特征,主要通过数值模拟的方法对采空区积水作用下围岩的应力场和位移场进行分析。研究表明,随着煤体含水程度的增加,工作面开采后形成的应力集中现象减弱,但水平应力对采空区顶底板的挤压作用增强,表现为顶底板移近量的增大,总体上采空区围岩的稳定性随着煤体含水率的增加而减弱,基于此提出了相应的采空区积水防治方法。     

不规则采场应力分布特征的面长效应

为了研究煤层开采过程中采场覆岩破坏与超前应力之间的关系,采用FLAC3D软件对不同面长条件下采场前方支承压力与水平应力的分布特征和动态演化过程进行数值模拟,并从理论层面分析了不等长工作面力学效应与岩层活动存在的规律。结果表明:工作面推进长度直接影响采场前方的应力分布,当工作面推进到"见方"期或推进距离是工作面斜长的整数倍位置时,应力急剧增大;采场覆岩的变形与破坏是水平应力和支承压力共同作用的结果;不规则工作面推进过程中,在对接面前后20~30 m的范围内应力过度集中,数值波动较大;等长工作面在顶板管理与围岩控制效果方面较不等长工作面有着明显优势。工程实例验证了结论的可靠性。     

基于FLAC3D的大采高工作面过向斜构造的矿压显现规律

为了深入了解大采高工作面围岩与支架的关系，采用FLAC^3D数值模拟，研究了工作面不同开采阶段，不同工作面推进下垂直应力场分布、垂直位移场以及塑性破坏场。研究而得出:当工作面初采阶段时，在工作面5~15 m，应力易产生集中，并随着工作面的继续推进，应力集中程度也逐渐增大，采场顶板的下沉量与围岩破坏范围也逐渐增大。工作面过向斜构造阶段:煤壁前方的垂直应力、垂直位移以及塑性区破坏范围都发生了明显的变化，矿压显现剧烈，煤壁片帮，直接顶冒落现象严重。上述研究为控制采场围岩稳定提供了技术基础。     

千米深井超长工作面采动应力旋转特征及应用

千米深井超长工作面采动应力环境更为复杂,围岩破坏程度和控制难度升高,威胁开采安全。为提高该类采场围岩控制效果,采用理论分析、数值模拟和现场实测等综合研究手段,从采动应力旋转角度分析该现象对围岩稳定性的影响及其应用原则。结果表明:千米深井超长工作面围岩裂隙发育程度升高,稳定性受到采动应力大小和方向的双重影响,含裂隙围岩存在优势裂隙扩展角,采动应力旋转造成围岩承载能力降低,采动应力旋转角度愈大,围岩稳定性愈差;采动后,121304工作面采动应力发生旋转,旋转轨迹与采动影响程度、工作面推进方向密切相关,距采空区边界愈近,采动应力旋转速度和旋转角度愈大;煤层和低位岩层最大主应力在平行和垂直于工作面推进方向的竖直平面内旋转,倾角减小,最小主应力则首先向平行和垂直于工作面推进方向的竖直平面内旋转,然后在上述平面内与最大主应力同步旋转,倾角增大;岩层位态升高,采动应力旋转角度先增大后减小,高位岩层采动应力旋转轨迹受121303工作面采空区影响,采动应力旋转轨迹向临近工作面采空区偏转;根据工作面推进方向与采动应力旋转轨迹的关系,提出围岩中存在一组、多组优势裂隙及裂隙随机分布条件下工作面推进方向确定原则,并分析了采动应力旋转现象对覆岩“砌体梁”结构稳定性的影响。     

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。     

煤矿采场围岩智能控制技术路径与设想

煤矿采场围岩的智能控制是实现煤矿智能化的重要组成部分。本文重新定义了采场围岩系统的内涵，明确了围岩控制的范围，包括工作面推进与垂直方向上基本顶范围内支架围岩“小结构”以及影响采场围岩控制的远场岩层；根据作用方式将采场围岩系统因素分为“可控因素”与“不可控因素”，由此确定了围岩智能控制的重点和基本原理。建立了采场围岩系统“多参量智能感知-精准分析模式判别-自主决策-快速执行-控制效果动态评价”智能控制的技术构架，进一步明确了实现智能围岩控制的科学问题和关键技术难题，并提出了工作面开采系统智能化、装备围岩自适应控制、复杂条件围岩智能控制、统一坐标系下的采场围岩系统稳定性分析4点关键技术设想。结合实际案例分析了支架工况信息的可挖掘性，并用堆叠LSTM实现对采场矿压的智能预测。     

工作面支护与液压支架技术理论体系

工作面支护是安全高效综采的首要条件,液压支架是综采系统的核心。笔者和其合作团队持续30多年致力于综采工作面支护与液压支架技术理论的研究和实践,建立了综采工作面支护与液压支架技术理论体系框架,提出了液压支架与围岩耦合原理,建立液压支架与围岩耦合模型,分析了液压支架与围岩的强度耦合、刚度耦合和稳定性耦合规律,阐述了液压支架合理工作阻力、临界护帮力和支护系统稳定性控制策略,提出液压支架三维动态优化设计理论和方法,将围岩下沉、断裂等力、力矩以及边界条件的变化通过液压支架骨架模型传递和分解到具体的液压支架结构上,借助三维设计平台动态模拟仿真液压支架与围岩耦合作用的力学特征,优化得出对围岩最优支护效果的液压支架结构参数。提出液压支架系列型谱和工作面支护系统液压支架群组的自组织协同控制方法,将支护系统群组自组织协同控制分解为围岩自适应控制和队列保持推进控制两个控制线程,同步实现群体系统协调控制。建立了工作面支护设备技术标准体系。     

基于实测地应力的综放工作面采动应力分布及演化特征研究

基于地应力对综放工作面煤岩体变形破坏、动力灾害防治、采动应力场演化等的重要影响,在朱仙庄煤矿南翼地应力实测的基础上,开展了基于多目标约束的矿井应力场最优化反分析,获得了矿区最优边界荷载和地应力分布规律。利用FLAC~(3D)建立数值模型,探讨了最大主应力与工作面推进方向夹角α、侧压系数λ及水平应力非均匀系数ζ等因素对综放工作面采动应力场的影响规律。结果表明:不同地应力对综放采场内各采动应力场分布及演化特征具有显著影响。针对该矿井某一实际工作面的地应力分布特征、煤岩物理力学参数及开采技术条件,分析了综放面采动应力场的分布规律及其随工作面推进的演化特征。研究结果可为综放工作面的顶底板管理、巷道支护等提供重要借鉴。     

相邻亚关键层破断对采场来压的影响分析

采用具有2层亚关键层的采场矿压模型，通过力学分析，给出相邻亚关键层破断对采场来压步距影响的计算公式，并用具体算例及其数值模拟说明了相邻亚关键层破断与采场矿压所受影响间的相互关系．     

深井厚煤层长工作面支护应力特性及分区协同控制技术

加长工作面长度是智能高效长壁综采发展趋势,工作面长度加长后矿压显现一般会出现明显变化,工作面围岩和液压支架的控制难度加大。采用现场实测和理论计算相结合的方法,针对淮南口孜东煤矿千米深井长工作面开展了长工作面来压频率、来压峰值和来压范围的变化特性研究,研究分析了该矿121304工作面支架受力特性及姿态变化特点,建立了基于弹性独立支座的液压支架群组支护力学模型,发现了深井超长工作面支护应力特性,理论计算与实测具有较好的一致性,在此基础上对140502工作面支护参数及控制技术进行了研究。结果表明:随着工作面长度增加,综采工作面支护应力由单峰值逐步转化为多峰值,并向两端头扩展,工作面不同区域来压具有明显的时序性且强度区别较大等特点。深井围岩劣化(低强度顶板)增大了这种趋势,工作面长度300 m即出现了超长工作面多峰值的特征。工作面支护应力出现"M"型三峰值可作为超长工作面的判据,合理工作面长度应综合煤层赋存条件、工作面参数和装备能力进行确定。根据液压支架在空间和功能的不同属性,结合长工作面不同分区特点,揭示了超长工作面判据和群组分区协同控制原理,提出了一种基于状态误差和代价函数的工作面装备群组协同控制方法,制定了"单架控制→组控制→群控制"三级协同控制策略和实现方法,可有效指导深井厚煤层超长综采工作面装备群实现最优协调控制。     

近距离煤层开采对卸压区采场围岩应力演化过程研究

为了研究近距离煤层开采围岩应力演化特征,以淮北海孜煤矿的8煤层762工作面和9煤层首采962工作面的地质和开采条件为研究背景,建立了三维数值计算模型,对762和962工作面开采造成的围岩应力相互影响进行了研究。结果表明:762工作面开采对底板卸压应力基本是以线性降低,在962工作面下平巷形成卸压;762工作面长度缩短对962工作面的解压效果降低,同时762工作面侧向底板集中应力和962工作面的超前支承压力相互叠加;通过在回采巷道内测试煤岩体的电磁辐射脉冲数,验证了采动影响下围岩应力演化。