深埋厚冲积层薄基岩煤层开采地表沉降特征与预测方法

煤炭地下开采导致上覆岩层的破断和运动,岩层运动传递至地表引发地表沉陷,改变地表形态,破坏地表连续性和生态环境。为降低采矿活动的负外部性,以赵固二矿为工程背景,综合运用室内试验、理论分析和现场实测等方法研究深埋厚冲积层薄基岩煤层开采地表沉陷与覆岩运动的关系、地表沉陷演化特征和地表沉陷预测方法。结果表明：深埋薄基岩厚煤层开采覆岩运动存在关键层控制和厚冲积层主导2个阶段,第1阶段薄基岩呈现层状破断特征,关键层下缘离层现象明显,厚冲积层保持稳定;第2阶段采动裂隙萌生于高位厚冲积层,下行扩展导致薄基岩全厚破断,层间离层现象消失;得到了工作面推进过程中不同层位覆岩沉降曲线动态演化特征,发现厚冲积层对覆岩运动和地表沉陷具有强烈控制作用,冒落拱失稳导致覆岩沉降曲线呈现周期性突变现象;薄基岩全厚破断后整体下沉,厚冲积层冒落体下向压实,采动裂隙快速闭合,导致采空区上方垮落带和裂隙带岩层破坏后的碎胀系数小,地表下沉速度快,沉降系数高,最大下沉量达到开采厚度;将地表沉陷区划分为直接沉降和间接沉降2个区域,深埋厚冲积层薄基岩赋存条件下间接沉降区范围增大,构建了地表沉陷分区预测模型;对赵固二矿地表沉陷特征进行了预...     

含弱层边坡分区滑动破坏模式及演化规律研究

含弱层岩石边坡的破坏模式及滑坡机制对露天矿边坡稳定性研究具有重要意义.基于极限平衡理论建立含弱层岩石边坡分区滑动力学模型,将弱层上部坡体分为稳定区-欠稳区-失稳区,推导三区力学平衡方程与坡体稳定差函数,研究含弱层边坡分区稳定性的影响因素,揭示欠稳区是形成大型滑坡的关键区域.并进行边坡分区滑动破坏过程的底摩擦模型试验,验...     

厚煤层综放开采顶煤分区破坏特征研究

顶煤破坏机理是综放开采的一个基本理论问题,研究顶煤渐进破坏过程可为冒放性准确判别奠定基础。为提高顶煤冒放性预测精度,采用理论分析、数值计算和现场实测等手段对山西新柳煤矿顶煤分区破碎特征进行了研究。将液压支架简化为恒刚度弹簧建立顶煤力学模型,借助Ritz法和最小势能原理得到了工作面前方和控顶区上方顶煤位移场和应力场,分析了考虑初始地应力和开挖卸荷效应的采动应力分布特征;定义顶煤破坏危险性系数为应力圆半径同圆心至强度曲线垂直距离之差,实现顶煤破坏危险程度的定量表征;根据破坏面上正应力大小将剪切破坏划分为压剪和拉剪2种形式,推导出2种剪切破坏模式之间的过渡条件;以顶煤破坏危险性系数k=0等值线、水平应力σh=σts等值线和控顶区上方抛物线形拉剪破坏边界线为界,将顶煤划分为弹性状态→压剪破坏→拉剪破坏→拉伸破坏4个阶段;对综放开采顶煤渐进破坏过程进行了模拟分析,借助FISH语言对顶煤破碎分区进行提取,模拟结果同理论结果较为吻合,但控顶区上方顶煤漏斗形拉剪破坏区同拉伸破坏区之间存在一条狭窄的剪切-拉伸混合破坏带;最后对顶煤裂隙发育特征进行了实测,煤壁前方为闭合型剪切裂隙,煤壁后方为张开型拉伸裂隙...     

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。     

煤基固废制备充填材料配比优化试验研究

为制备低成本、高强度的煤矿充填材料,以煤矸石做骨料,以粉煤灰、脱硫石膏、硅钙渣为 胶凝材料制作试件,并对其进行单轴抗压强度、坍落度、扩展度指标测试,研究了充填材料配比优 化前后的力学性能、各组分影响情况。 结果表明,脱硫石膏、硅钙渣在一定掺量范围内具有较强 的胶凝作用;随着粉煤灰掺量增加,充填材料初期强度增长较慢,应控制其掺量不高于6.67%;粉 煤灰与硅钙渣联合使用能激发硅钙渣的胶凝性能;煤矸石、粉煤灰、脱硫石膏、硅钙渣、水泥最优 质量比为70:6:3:12.5;8.5。 利用响应面法对结论进行了验证,试验结论与预测一致。     

特厚煤层卸压综放开采顶煤破碎及运移规律实验研究

为了实现20m以上特厚煤层的安全高效开采,提出特厚煤层卸压综放开采技术。采用60∶1的大比例相似模拟实验方法,研究20m以上特厚煤层卸压综放开采顶煤垮落破碎及运移特征、顶煤位移场和矢量场演化特征、支架阻力的影响等。研究结果表明:卸压开采阶段,顶煤顶板垮落空间形态呈近似梯形,支架上方台阶状顶煤悬臂梁结构的破断和失稳具有周期效应,上位顶煤位移中位顶煤位移下位顶煤位移,基本顶初次来压后出现切顶压架事故。综放开采阶段,短悬臂梁结构最终破碎成散体结构,且中位顶煤的总位移大于上位顶煤。由于支架的支撑作用,下位顶煤中产生明显的竖直裂隙,受支架影响的顶煤厚度约为10cm。顶煤位移场、矢量场演化特征和实验结果一致。为我国20 m以上特厚煤层开采技术开发奠定了理论基础,具有重大科学意义与应用价值。     

综放工作面临空开采顶煤主应力旋转特征

综放工作面采动应力场分区特征决定顶煤裂隙场发育特征,为获得临空开采条件下顶煤裂隙扩展的应力驱动机制,本研究采用数值模拟、理论分析和现场实测手段对该类综放工作面顶煤主应力分布特征进行分析。结果表明:顶煤渐进破碎过程受主应力大小和方向的双重影响,最大主应力升高和最小主应力降低促进顶煤破碎,后者碎煤效率为前者的3.0～4.5倍;煤层为含有大量原生裂隙的复杂地质体,裂隙煤体具有各向异性力学特征,主应力方向旋转必然改变顶煤力学行为,进而影响顶煤破碎难度和破坏裂隙扩展特征;非临空开采条件下,顶煤主应力分布呈现对称分布特征,主应力旋转轨迹在赤平投影图中集中为一簇,旋转幅度小;临空开采条件下,顶煤主应力分布呈现非对称特征,临空侧顶煤主应力集中程度明显高于实体煤侧,主应力旋转轨迹在赤平投影图中分为两簇,旋转幅度大;采动影响下,顶煤最大主应力向竖直方向旋转,最小主应力向水平方向旋转,根据主应力同平行于推进方向竖直平面之间的空间位置关系,将顶煤主应力方向旋转轨迹划分为4个阶段:面外旋转阶段、面外反向回旋阶段、面内反向回旋阶段和非协调旋转阶段;最后采用临空开采工作面两侧巷道围岩的非对称变形现象验证了顶煤主应力...     

千米深井超长工作面顶板分区破断驱动机制与围岩区域化控制研究

我国煤矿开采深度和工作面长度不断增加,矿压显现剧烈程度逐年走高。为提高深部超长工作面围岩控制效果,以中煤新集口孜东矿121304工作面为工程背景,采用现场实测、理论分析、室内试验等手段研究顶板微震活动规律,揭示顶板分区破断与动态迁移机制。结果表明：千米深井超长工作面支架阻力呈现“中间小、两端大”的谷形分布特征,顶板破断有异于常规采场的“O-X”模式;工作面不同推进阶段,顶板破断引起的高能级微震事件位置在工作面长度方向上动态变化,表明基本顶破断存在分区和动态迁移现象;工作面中部高能级微震事件携带能量小于工作面两侧,造成中部动载冲击效应弱,与支架阻力谷形分布吻合;将超前采动应力大于基本顶初始屈服强度的区域定义为峰值影响区,区内应力集中驱动超前裂隙萌生,应力释放和应力旋转促进裂隙扩展,揭示了旋转性采动应力驱动超前裂隙发育机理;构建了基本顶分区破断与动态迁移力学模型,原生裂隙和采动裂隙改变了基本顶局部边界条件,引发基本顶分区破断现象,由中部峰值影响区至工作面两侧,基本顶极限承载能力降低,导致分区破断动态迁移现象;峰值影响区基本顶破断尺寸小于非峰值影响区,解释了121304工作面支架阻力呈谷形分...     

深埋薄基岩采场覆岩冒落拱与拱脚高耸岩梁复合承载结构形成机理与应用

焦作煤田赋存深埋厚冲积层薄基岩煤层，覆岩构成的特殊性导致顶板活动剧烈、地表下沉系数大，采场面临强矿压、突水溃沙威胁，沉陷区出现裂缝和积水，破坏房屋和农田。为提高深埋薄基岩采场围岩控制效果，以赵固二矿14030工作面为工程背景，采用室内试验、理论分析和现场实测等手段研究覆岩采动裂隙发育特征、顶板结构形态与承载机理，探究支架选型与灾害防控方法。结果表明：覆岩变形存在初始静止、慢速增长、快速增长和突变增长4个阶段，前2个阶段覆岩稳定，第3阶段因变形局部集中进入非稳定状态，第4阶段因非连续变形进入裂隙发育进程；采动裂隙萌生于高位厚冲积层，下行扩展导致基岩全厚断裂，形成覆岩冒落拱与拱脚高耸岩梁复合结构；覆岩连续变形受关键层控制，非连续变形由冲积层冒落裂隙主导；基于关键层沉降特征解释了采动裂隙萌生于高位厚冲积层的原因，揭示了裂隙下行扩展并贯穿岩层交界面的能量原理，采用断裂力学理论推导了基岩发生全厚剪切破断的力学条件；构建了冲积层冒落拱与拱脚高耸岩梁复合结构力学模型，提出了冒落拱极限承载能力与实际边界载荷计算方法，得到了冒落拱发生结构失稳的力学判据，采动应力旋转促进冲积层载荷向拱脚两侧传递，增强了冒...     

大采高工作面支架刚度对煤壁稳定性的影响效应研究

大采高开采技术是我国厚煤层开采的主要技术选择之一，大采高工作面一次割煤高度增大，煤壁稳定性降低，煤壁破坏成为制约该类工作面生产潜能释放的关键因素。为提高大采高工作面围岩稳定性，实现厚煤层高效开采，采用理论分析、室内试验和现场实测等综合手段分析了支架刚度对煤壁稳定性的影响。结果表明：大采高工作面存在3种常见煤壁破坏形式：硬煤劈裂式、中硬煤剪切式和软煤塑性流动式；定义煤壁稳定性系数为煤壁极限承载能力与作用在煤壁之上的顶板载荷之差同顶板载荷之比，得到顶板载荷对稳定性系数分布特征的影响；建立顶板冲击力学模型，基于能量原理，提出了作用于煤壁之上的顶板载荷确定方法；分析了支架刚度对煤壁稳定性系数的影响，随着支架刚度的增加，作用于煤壁之上的顶板载荷降低，煤壁稳定性升高，顶板载荷及煤壁稳定性对支架刚度的敏感性逐渐降低；开展不同支架刚度条件下煤壁稳定性相似模拟试验，支架刚度为1.0、1.5、2.0 MN/m的条件下，煤壁极限承载能力分别为17、19、20 kN，煤壁的最大横向变形量分别为40、30、25 mm，煤壁破坏面积分别为0.41、0.32、0.21 m2，试验数据验证了理论分析结果的正确性；最后...