交错巷道巷间围岩承载结构稳定性分析

针对普遍存在的矿井交错巷道围岩体稳定性及支护问题,运用极限平衡分析和弹塑性力学建立交错巷道巷间围岩稳定性分析判别方程,探讨了交错巷道巷间围岩稳定性主要影响因素,并进行了工业性试验。结果表明:交错巷道巷间围岩体受围岩水平应力集中叠加影响,围岩破坏自巷间围岩体上下表面向中部延伸,加之巷间围岩体尺寸有限,一旦破坏贯通将致使巷间围岩承载存在失稳隐患;交错巷道巷间距越小,越近乎平行布置都会加剧巷间围岩破坏且诱发巷间围岩破坏贯通,合理设计断面尺寸及下方巷道合理支护强度可有效控制并维持围岩稳定;现场采用交错巷道联合支护方案后,交错位置上巷道断面完整无较明显变形且下巷道围岩最大变形量小于100 mm,支护效果显著。     

等间距底锚巷道层状底板变形失稳力学机理

为探索等间距底锚巷道层状底板变形失稳的力学机理,以常村煤矿S6采区2~#回风上山为研究对象,在调研其工程地质的基础上,建立等间距底锚巷道层状底板力学模型;运用力学理论分析了层状底板压曲作用机理,构建了层状底板任分层鼓起失稳的力学判定准则;借助提出的力学判定准则,对S6采区2~#回风上山底板的稳定性进行了力学判定与分析评价,得到了最先发生破坏及导致支护体系失效的岩层。     

煤柱尺寸留设与巷道围岩稳定性关系实验研究

煤柱尺寸大小影响巷道围岩稳定性,通过不同煤柱尺寸软煤巷道围岩变形与应力分布相似模拟实验,研究了不同煤柱尺寸下巷道围岩裂隙、岩层移动的演化特征与巷道围岩应力、支架载荷的分布规律,确定了巷道围岩初始扰动与临界失稳的煤柱尺寸。结果表明:软煤平巷围岩裂隙演化特征表现为两帮煤体裂隙水平扩展后的顶板裂隙产生,围岩失稳诱发点为巷道两帮上角部;当煤柱尺寸小于300 mm后,巷道两帮表现为非对称塑性破坏后顶板裂隙扩展的加剧,顶板下沉量、两帮移近量与巷道围岩应力、支架载荷变化剧烈,围岩与支架最大应力集中系数分别为2.53和1.67;当煤柱尺寸为150 mm时,煤柱两侧的巷道围岩裂隙与采区煤壁裂隙贯通,煤柱呈屈服承载状态,巷道支架载荷右侧大于左侧,巷道围岩稳定性降低;对巷道围岩稳定性产生影响的煤柱尺寸为300 mm,保证巷道围岩稳定性的最小煤柱尺寸为150 mm。     

采场厚硬顶板破断失稳与能量聚散演化研究

针对采场厚硬顶板强矿压问题,在采场厚硬顶板采动失稳影响特征分析基础上,运用力学理论构建采场厚硬顶板采动承载力学模型,分析采场厚硬顶板采动承载状态及能量积聚演化发布规律,从能量转化角度分析采场厚硬顶板破断致积聚能量释放与强动压显现关系,推导出工作面液压支架动载响应估算方程,揭示厚硬顶板破断失稳强矿压显现影响特征。研究结果表明,1)厚硬顶板在破断失稳前处于覆岩承载状态和自身弹性势能积聚,在破断瞬间显现略高于重力作用的加速运动失稳,加之悬伸跨度较大,导致厚硬顶板条件工作面动压显现尤为强烈;2)悬伸跨度、上覆岩层荷载是厚硬顶板采动承载和能量聚散演化的关键影响因素,上覆岩层荷载、自身厚度和强度是厚硬顶板极限悬伸跨度的关键影响因素;3)在工作面液压支架动态阻力响应的力源构成中,厚硬顶板破断积聚能量释放所形成的动态阻力占比最高,上覆岩层荷载做功转化所形成的动态阻力占比次之;4)在工作面液压支架动态阻力响应的影响因素中,厚硬顶板的悬伸跨度、上覆岩层荷载起直接加剧影响,岩层厚度增加厚硬顶板极限悬伸跨度,进而间接加剧动态阻力响应,直接顶厚度可对动态阻力响应起缓冲降低作用,支架控顶距的加剧影响程度不明显。     

浅埋厚煤层开采覆岩采动裂缝时空演化规律

为了分析浅埋厚煤层采场覆岩失稳运动对采动裂缝形成的影响以及覆岩采动裂缝的动态发展变化特征,基于串草圪旦煤矿浅埋厚煤层开采为背景,采用相似模拟、理论分析、数值计算相结合,研究了浅埋厚煤层开采覆岩采动裂缝形成机理及其时空演化规律。结果表明:浅埋厚煤层采场覆岩移动变形随承载关键层的失稳运动呈现动态性变化特征,承载关键层的失稳运动导致覆岩产生直通地表的采动裂缝,裂缝的尺度特征亦随承载关键层的失稳运动发生动态性变化;覆岩采动裂缝具有明显的纵向和横向分区特征,纵向分区以承载关键层为界分为两个区域,横向分区将采空区覆岩分为裂缝产生区、裂缝贯通发展区以及裂缝闭合区;6104工作面采空区内裂缝贯通发展区在滞后工作面0～100 m范围内,当在采空区下开采时裂缝贯通发展区减小为0～80 m范围内,该区域内裂缝随滞后工作面距离的增大而趋于闭合。     

变坡度大倾角煤层开采覆岩应力场分布规律研究

以刘东煤矿西47201工作面生产实际为背景,采用数值模拟、理论分析和现场实测相结合,研究了变坡度大倾角煤层开采工作面覆岩应力场分布规律、超前支承压力分布规律、以及变坡点附近支架承载特征等,并提出了相关的顶板控制技术措施,保证了变坡度大倾角煤层的安全高效回采。     

坚硬顶板特厚煤层初采初放卸压控制及回采率分析研究

针对工作面初采期间强矿压显现现象以及采出率低的问题,以唐家会煤矿坚硬顶板特厚煤层为背景,采用数值模拟、理论分析、现场实测等方法综合研究开切眼切顶卸压技术条件下工作面上覆岩层垮落规律、围岩应力与位移演化特征、顶煤受采动影响破坏规律。FLAC^3D数值模拟发现,采用切顶卸压技术可以切断工作面基本顶和切眼煤壁的应力传递,降低工作面超前支承压力峰值,加快上覆岩层回转下沉失稳,使顶板垮落更充分,同时使工作面前方顶煤水平位移增加,顶煤得到更高程度的破坏。理论分析发现,初采切顶卸压技术使基本顶由固支梁转化为悬臂梁,工作面切顶后可以避免采空区顶板大面积悬空,使顶板迅速垮落,优化工作面应力环境。现场实测表明,该技术的应用有效解决了坚硬顶板特厚煤层工作面强矿压显现问题,保障了工作面安全开采,使综放开采可以快速放煤,大幅提高了煤炭回采效率和经济效益。     

基于提高割煤效率的坚硬煤层煤壁弱化技术

为了解决坚硬煤层综采工作面采煤机割煤困难、割煤效率低,影响正常生产的问题,采用理论分析、数值模拟及现场实测相结合的方法,对坚硬煤层工作面支架-围岩关系进行了研究,提出了基于提高割煤效率和顶板控制的坚硬煤层综采工作面液压支架合理工作阻力的确定方法。结果表明:在覆岩恒定载荷作用下,适当降低工作面支架工作阻力,有利于增加煤壁侧实体煤塑性区宽度,提高坚硬煤层预裂程度;在保证采煤机割煤效率和顶板有效支护的情况下,工作面支架合理工作阻力取值范围为7 200～8 400 kN。实测表明采煤机割煤时间与支架工作阻力正相关,适当调整支架工作阻力,有利于提高采煤机的割煤效率。