综放工作面厚硬顶板破断特征与支架工作阻力确定

针对综放工作面厚硬顶板初次来压步距难以确定的问题,以东周窑煤矿8301工作面为工程背景,建立厚硬基本顶的固支梁模型,运用能量法求得分布于基本顶中的水平应力,进而得到基本顶初次来压步距解析式,采用数值模拟对顶板破断特征和工作面支架工作阻力进行分析,并对不同推进距离下工作面不同位置支架工作阻力进行了现场监测。研究结果表明:相比一般综放工作面,坚硬顶板条件下工作面初次来压步距和支架工作阻力明显增加,顶板破断后对工作面形成冲击较大,矿压显现剧烈;8301工作面初次来压步距为58 m,周期来压步距为15~20 m,动载系数为1.5~1.8;基于能量法求得支架额定工作阻力为13 000 kN,而来压期间支架工作阻力为11 000 kN,是额定工作面阻力的84.6%,能够满足厚硬顶板条件下煤矿安全高效开采的要求。     

高强度开采工作面煤岩灾变的推进速度效应分析

高强度开采工作面煤岩灾变存在冲击特征,采场围岩控制困难。采用室内试验、理论分析及数值模拟等综合研究方法,分析高强度开采条件下煤岩变形破坏和围岩应变能分布特征,并揭示采场煤岩动力灾变发生机制。研究表明：煤岩属于率相关材料,随着加载速率的提高,受压煤岩破坏形式由静态变为动力破坏,在后破坏阶段,存储于煤岩中的应变能降低形式以塑性功耗散转变为整体破坏后的快速释放,破坏用时减小;随着工作面推进速度提高,煤壁前方煤体中最大主应力加载速率和最小主应力卸载速率均增大,浅部煤体应变能密度升高,致使围岩发生动力灾变概率和危害程度升高;基本顶突然断裂和滑落,将贮存于顶板中的应变能快速释放并向下位煤岩传递,使煤层中应变能密度迅速升高,促使煤岩发生动压冲击性煤壁破坏;基本顶断裂前、后,煤体中应变能密度峰值点之间距离为超前段回采巷道动力灾变危险区,是采场围岩控制的重点区域。     

顶板动载冲击效应的相似模拟及理论解析

研制了工作面覆岩破断预测实验平台,对浅埋薄基岩条件顶板动载冲击效应进行了模拟;建立了顶板破断的弹性地基梁理论模型,计算出了基本顶破断时与煤壁的相对位置,得到了动载冲击的作用范围;建立顶板动载冲击的力学模型,结合岩石压缩曲线,应用功能原理得到了不同条件下的最大冲击载荷和支架伸缩量的解析表达式,得到了不发生压架事故的判别准则,验证了相似模拟实验结果。结果表明：基本顶多超前直接顶支撑边界破断,且冲击易发生液压支架上方完成;冲击载荷大小与直接顶厚度与裂隙发育程度、支架刚度和初撑力大小等因素有关,其值远大于工作面静载荷形成对液压支架的压力,动载冲击效应模拟实验验证了理论分析结果。     

工作面推进速度与矿山压力显现关系研究

从覆岩移动规律、支承压力分布规律、煤矿灾害事故3个方面概述推进速度对采矿的影响,总结近年来对推进速度与矿山压力显现之间关系的研究进展,并提出不同的推进速度对矿山压力的影响实质上是不同的加载速率和岩石形变速率相互作用的结果,今后可以通过力学实验研究不同加载速率下岩石的力学性质、岩石破坏、岩石声发射率和能量变化等来反映推进速度在采矿过程中的作用效果。     

顶板初次破断前围岩应力场求解的复变函数方法

为得到工作面围岩中应力场分布的解析解,沿其倾斜方向将采场采空区视为沿走向扩展的矩形孔,运用平面弹性的复变函数方法求解采场应力场。然后用MATLAB绘制出了孔口周边的应力曲线,直观地描绘了采场周边的应力分布规律。得到采场围岩应力场分布的影响因素为采场形状、侧压系数和竖直原岩应力,并分析了它们的作用效果。     

水沙涌入工作面顶板结构稳定性分析

为解决西部矿区水沙涌入工作面的顶板控制问题,建立了“凸起”结构模型,解释了物体间摩擦因数的力学机理和水沙涌入工作面的顶板稳定性问题,并通过室内实验验证了模型的正确性。系统地研究了物体表面凸起结构、水、干沙、湿沙、水沙等对摩擦因数的影响,分析了水沙降低岩块间摩擦因数的作用机理。即水沙的侵入会在接触面间形成伪凸起结构,使得凸起方向角趋近于0,并且由于水对凸起抗剪强度的降低和砂砾的磨蚀加剧了这个趋势,最终使得摩擦因数大幅降低。解释了粗糙面摩擦因数高于光滑面的原因,分析得出水沙涌入面开采时,不易发生变形失稳、易发生滑落失稳以及来压剧烈、台阶下沉现象的原因。并且岩块在初始断裂时,凸起契合接触最完美,启动摩擦因数最大,这点对于维护顶板稳定尤为重要,现场可采用充填采空区、加强支护等措施最大限度的维持启动摩擦力。同时,水沙中含水分越多,摩擦因数越低,因此,水沙涌入面排水也很关键。     

基于模糊层次分析法的厚煤层采煤方法选择研究

为了克服传统评判方法的主观性和单一性,提出了利用模糊层次分析法选择采煤方法的新思路。根据模糊综合评判方法基本原理,针对厚煤层采煤方法选择的模糊性和不确定性,结合东庞矿2#煤层的工程实例,确定了4个影响厚煤层采煤方法选择的一级评判因素,即煤层地质条件、经济效益、技术水平和安全指标,以及23个二级评判因素;采用模糊层次分析法确定一级评判因素、二级评判因素的权值。应用本评判模型对东庞矿厚煤层采煤方法的选择进行综合评判,评判结果表明:厚煤层分层开采、大采高一次采全高、放顶煤开采的隶属度分别为23.19%,41.07%,35.74%,确定大采高一次采全厚为最佳开采方案。     

加载速率影响抗拉强度的机理及其数值验证

井下工作面由于推进速度的不同导致覆岩对顶板的加载速率不同,使得顶板岩层表现出不同的抗拉强度,因此加载速率影响岩石抗拉强度的机理对于掌握不同推进速度下的采场矿压显现规律至关重要。通过对覆岩运移规律的分析首先定义了2种加载速率,即外力加载速率和位移加载速率;然后通过室内岩石力学实验掌握了加载速率越大岩石抗拉强度越大的规律;接着使用弹性动力学方法和分子尺度的功能原理分别解释了外力加载速率和位移加载速率影响抗拉强度的作用机理;最后,通过ANSYS/LS-DYNA对不同加载速率下的巴西劈裂实验进行了瞬态动力学分析,进一步验证了加载速率对抗拉强度的作用效果。结果表明,外力加载速率不同时系统产生的惯性力不同,位移加载速率不同时,破坏时物体的动能也不同,最终使得不同加载速率下物体表现出不同的抗拉强度。     

单轴压缩条件下砂岩的声热效应特征研究

在单轴压缩条件下对鄂尔多斯盆地煤系地层中的中砂岩、细砂岩、粉砂岩进行声发射 （ＡＥ）和红外辐射测试，分析加载过程中应力、声发射能量、平均红外温度（ＡＩＲＴ）与时间演化特 征，研究不同颗粒砂岩在破裂过程中的声热效应特征。 结果表明:同种砂岩不同区域ＡＩＲＴ在压 密弹性阶段走势相同，在塑性及破坏阶段走势并不一致，总体呈波浪下降趋势，且砂岩中部的温 度均高于上部和下部；不同砂岩破坏时温度变化与能量积聚、耗散状态相关，表面整体ＡＩＲＴ变化 呈现波浪下降趋势；ＡＥ刚开始不明显，塑性阶段后期ＡＥ由相对平静状态进入突增状态，峰后仍 有大量ＡＥ现象；红外辐射的前兆要先于ＡＥ，中砂岩的红外预警时间平均比ＡＥ提前２０*５３３ｓ， 细砂岩提前６*５１６ｓ，粉砂岩提前６*４ｓ，ＡＥ敏感性要高于红外辐射；砂岩的声热效应与颗粒大小 密切相关，颗粒越大，声热效应越明显，依次为中砂岩、细砂岩、粉砂岩。     

现场矿压观测技术现状及展望

论述了现场矿压观测的必要性,介绍了观测内容主要包括围岩变形和压力,观测方法有"三量"观测法、统计观测法和"十"字形观测法等;分析了我国现阶段现场矿压观测在观测仪器、观测数据处理软件以及观测质量管理等方面的不足,并针对性的地提出了现场矿压观测的技术改进措施和发展趋势,以及现场矿压观测工作在制度化和规范化,设备及软件开发等方面的努力方向。