大倾角煤层长壁开采矸石滑移充填效应分析

为研究大倾角煤层开采过程中矸石滑移充填对工作面矿压的影响机理,建立了大倾角煤层开采工作面下部矸石充填力学模型,并对新疆焦煤集团25112工作面展开了物理相似模拟实验和现场矿压监测。得到了大倾角煤层开采工作面岩梁剪切力、弯矩分布和两端支座反力的表达式,以及25112工作面矸石滑移充填特征和工作面不同区域支架载荷分布。结果表明,矸石滑移充填具有非均匀性,工作面矿压现象具有分区域性,来压时间具有时序性。由于受矸石的充填效应影响,大倾角煤层开采工作面充填区与近水平煤层开采相比,顶板岩梁的剪切力、弯矩都有所变小,工作面下部的矿压显现缓和于工作面中上部,来压时间滞后中、上部工作面。随着工作面沿倾向向上充填程度的逐步减弱,工作面矿压将增大,增大支架的支撑力可减缓工作面煤体(壁),顶板的受力状态,利于工作面的顶板管理。     

大倾角煤层开采覆岩应力场形成及演化特征

针对大倾角煤层走向长壁工作面开采矿压显现和围岩破断活动的复杂性.基于对不同类型大倾角煤层走向长壁工作面开采数值计算分析,开展了大倾角煤层走向长壁开采覆岩应力场形成与演化研究.结果表明:大倾角煤层开采围岩内发生应力重新分布,应力传递路线发生偏移形成三维空间应力拱壳,其演化形态可由判别系数确定,随着工作面推进,应力拱壳逐渐向外围岩层扩展,且非对称特性显现程度增加,沿煤层走向应力拱扁平率逐渐增大,沿煤层倾向应力拱扁平率逐渐减小,且应力拱最大高度位置不断向回风巷道一侧偏移.以上研究结果为大倾角煤层安全高效开采提供了理论依据.     

倾斜煤层沿空留巷力学模型分析

倾斜煤层走向长壁开采沿空留巷,可以采用区段上行式留风巷方案或区段下行式留机巷方案.为了研究二者顶板活动的差异,利用叠加连续层板模型和顶板载荷条带分割法,考虑煤层倾角的影响,得出了相应条件下的巷旁支护阻力计算公式.对比分析表明,巷旁支护所需支护阻力留机巷时比留风巷时大;采用风巷留巷,巷旁支护阻力随煤层倾角α增大而减小;采用机巷沿空留巷,巷旁支护阻力随煤层倾角α增大而增大,但当α大于采空区冒落矸石自然安息角时,考虑矸石堆积支撑作用,有利于降低巷旁支护阻力.研究结果为倾斜煤层沿空留巷时区段开采顺序的选择提供一定参考依据.     

大倾角多区段开采顶板运移及其采空区充填规律实验研究

为了研究大倾角煤层多区段开采围岩运移规律,采用物理相似模拟实验方法,分析了大倾角煤层多区段采场顶板和煤柱变形破坏规律、底板应力分布及演化规律、垮落矸石充填特征等。结果表明:大倾角煤层多区段开采围岩运移规律不同于单区段开采,下区段采动导致上区段采场倾向中、上部垮落顶板出现二次下沉和滑移,顶板运移曲线呈现沿倾斜方向"上大下小"的双峰特点,垮落顶板非均匀充填导致采空区底板应力沿倾向呈现出中部下部上部,下区段采动导致上区段采空区中部底板应力显著增加。下区段开采致使区段煤柱上、下两侧非对称受载并发生破坏,引发了煤柱-上区段采场煤岩体的连锁运动;区段煤柱支承压力从上区段开采时的"W"型分布变为下区段开采时的"V"型分布,增载系数达到4.9.研究可为大倾角煤层多区段围岩控制提供了理论指导。     

倾斜薄煤层开采工作面覆岩活动的规律

为解决倾斜薄煤层顶板控制技术难题,以东风煤矿倾斜薄煤层开采为背景,运用RFPA2D软件,建立数值模型,分析不同倾角下薄煤层工作面覆岩活动规律及顶板失稳特征。结果表明:倾斜薄煤层开采后,直接顶从采空区中部偏上向采空区弯曲,最后发生断裂破坏形成冒落带,顶板冒落沿层面向下滑动,冒落呈不对称形状;倾斜薄煤层工作面煤体上段顶板压力最大,下段次之,中段最小;随着煤层倾角的增大,顶板沿煤层倾斜方向的分力增大,垂直作用在支架上的分力减小,导致工作面推进方向的工作面矿压显现逐渐变缓,顶板下沉量也将变小。该研究为类似地质条件的倾斜薄煤层工作面顶板控制提供了理论依据。     

长沟峪煤矿大倾角中厚煤层变薄带的顶板压力

大倾角煤层开采后,受采空区冒落矸石下滑充填的影响,特别是工作面中部煤层变薄带的影响,工作面顶板岩层的变形、破坏和运动形式不同于其他煤层。以长沟峪大倾角煤层变薄带顶板压力观测数据为基础,结合计算机模拟方法,分析该煤层顶板压力特点。数值模拟与实测分析均显示工作面煤层变薄带下部顶板压力大。这为相近条件下采煤工作面顶板支护设计提供了技术指导。     

大倾角煤层群长壁采场低位梯阶关键层

大倾角煤层群长壁采场所形成的顶板结构较单一大倾角煤层更为复杂,采用理论分析和相似材料模拟实验研究手段,揭示了该类煤层顶板结构形成及演化特征。研究表明,大倾角煤层群下层煤采场顶板易形成非对称低位梯阶关键层,一般为二级梯阶,且层位低、厚度小、稳定性差,该结构的周期性失稳直接影响到下层煤采场覆岩、区段煤柱及支护系统的稳定性。低位梯阶关键层受覆岩及上方采空区矸石的法向与切向力作用,易发生拉、剪或复合型失稳,其破坏后可形成倾向堆砌型倾斜砌体结构。低位梯阶关键层破坏易引发层上方区段煤柱压剪失稳,并导致上方梯阶结构群发生大范围破坏。     

斜切分段短壁工作面顶板预裂爆破方案研究及应用

针对急倾斜A3煤层伪斜布置的短壁工作面11A3E11顶板不易垮落,引发采空区遗留煤自燃、有毒有害气体积聚等安全隐患。为消除悬顶的影响,针对现场实际情况对比分析选择顶板预裂爆破方案,工作面切眼前方50 m采用初次放顶,之后循环放顶直至停采线,在现场实施中得到了适合此短壁工作面特定顶板预裂爆破的相应参数,包括了:钻机的型号;初次放顶和循环放顶爆破的装药量、封孔长度、钻孔倾角及爆破处理高度等。通过钻孔窥视、采空区风速测定、工作面回采跨落情形及液压支架阻力变化验证了顶板爆破的良好效果,保证了工作面的安全回采。     

大倾角伪俯斜工作面下端头支护阻力研究

大倾角走向长壁伪俯斜工作面顶板破断具有不同于真倾斜工作面的时序性和分区性,其顶板垮落充填特征极大影响了下端头支护安全性,需要针对下端头进行支护优化。采用数值计算、物理相似模拟实验、理论分析等综合方法,结合多个大倾角伪俯斜工作面实验与现场经验,分析了大倾角伪俯斜工作面顶板垮落充填规律和下端头顶板结构形成特征,建立了下端头三角板力学模型,提出了端头支架支护阻力计算公式。结果表明：大倾角伪俯斜工作面顶板垮落、滑移、充填交错发生,对采空区下部充填具有不均匀性,基本顶破断呈“U-X-O”动态演化过程,工作面下端头形成梯阶弧形三角板结构,弧形三角板传递至端头支架的载荷呈二次函数曲线分布,得到了下端头无充填时端头支架所需工作阻力计算公式。通过枣泉煤矿大倾角综放开采工程应用,确定了端头支架最小工作阻力为8 091.866 kN,选取ZTHJ11400/15.5/25型横式端头支架,保证了端头顶板结构的动态稳定,减少了端头漏冒事故,取得了良好支护效果。     

大倾角近距离煤层开采覆岩运移及顶板破坏特征

大倾角近距离煤层采场的矿压显现规律较大倾角单一煤层长壁采场更为复杂,需进行深入的研究。以2130煤矿4#煤和5#煤近距离大倾角煤层开采为背景,采用物理相似材料模拟实验、数值计算、理论分析和现场试验相结合的研究方法,系统研究了大倾角近距离煤层采场的覆岩运移及顶板破坏特征。结果表明,大倾角近距离煤层的连续开采,影响采场的覆岩垮落规律、围岩应力分布、顶底板变形破坏特征;近距离煤层两工作面不同的位置关系导致下煤层工作面顶板形成不同的力学结构、发生不同的变形破坏及位移,影响下层煤开采的矿压显现; 25221工作面的基本顶岩梁首先于上端处发生破断,并在之后的运移中于中部再次发生破断,影响了工作面支架载荷与稳定性,使工作面支架呈现出倾斜中部受载较大、下部次之、上部最小和中下部支架受载稳定、中上部受载多变的非对称特征。研究结果可为大倾角近距离煤层开采提供理论依据,并为2130煤矿的后续开采提供参考。     

大倾角综采面覆岩移动规律的相似材料模拟

为了全面研究大倾角煤层开采上覆岩层垮落特征和围岩应力分布规律,运用相似材料模拟新庄孜矿大倾角综采工作面的开采,研究开采后大倾角工作面上覆岩层移动规律及应力变化特征.随着工作面的推进,岩层裂隙自下而上发展,顶板不断冒落,形成初次来压和周期来压;冒落的岩层有垂直位移且沿层理下滑,使得采空区上部垮落高度比下部大,工作面下部的初次和周期垮落步距比上部小.覆岩的冒落拱呈不对称性,边界向采空区上部偏移,呈上虚下实的状态.模拟实验为大倾角煤层综采技术的应用和推广提供了理论依据.     

倾斜煤层长壁开采岩层运动特征及顶板控制

采用了现场测试法,用相似材料模拟实验研究了倾斜方向岩层运动与围岩应力分布及用离散元法模拟围岩运动特征等方法,得到了以下结论（1）煤层倾角导致岩层运动与破坏以及围岩应力分布差异很大;（2）采空区充填程度不同,沿工作面倾斜方向,下部充填较密实,而上部则处于空置状态,由于顶板支撑条件不同,从而导致顶板挠曲差异很大,经常出现上部断裂而下部完好的状态;（3）倾斜煤层开采导致的岩层运动比缓倾斜煤层强烈.要求工作面支护既有足够的强度,更要确保其稳定性.图5,参5.     

大倾角走向长壁开采"R-S-F"动态稳定性实验

通过平面应力走向、倾斜和三维可加载块体模型等手段,较系统地研究了大倾角煤层走向长壁工作面(倾斜布置)开采过程中矿山压力显现规律、围岩变形、破坏与移动特征和工作面支架与设备的下滑机理;分析探讨了顶板破断岩块运动、底板破坏滑移以及主要回采工序对支架或支护系统工作阻力和"R-S-F"(顶板-支架-底板)系统动态稳定性的影响;提出了现场工业性试验时需要注意和重点解决的关键技术问题。     

回采工作面支架与顶板的动态相互作用

缓倾斜煤层长壁工作面支架与直接顶以及一层或几层老顶岩层能够构成统一力学体系发生相互作用。沿工作面倾向以支架为弹性基础的直接顶岩梁.伴随顺序移架和割煤工艺的进行.在基础梁上逐渐累加了直接顶的自重荷载,造成了支架阻力和顶板下沉随时间增加而逐渐增大的规律性过程。在平时影响支架阻力和顶板下沉的基本因素是直接顶厚度和支架——顶底板系统刚度.沿工作面推进方向破断的老顶岩块能够发生成拱作用形成平拱。伴随工作面推进平拱跨度增大,平拱可能发生滑动失稳或压碎失稳而造成周期来压.直接顶厚度、采高和老顶强度及厚度是影响周期来压显现的主要因素.     

大倾角走向长壁开采“R—S—F”动态稳定性实验

通过平面应力走向、倾斜和三维可加载块体模型等手段，较系统地研究了大倾角煤层走向长壁工作面(倾斜布置)开采过程中矿山压力显现规律、围岩变形、破坏与移动特征和工作面支架与设备的下滑机理；分析探讨了顶板破断岩块运动、底板破坏滑移以及主要回采工序对支架或支护系统工作阻力和“R—S—F”(顶板—支架—底板)系统动态稳定性的影响；提出了现场工业性试验时需要注意和重点解决的关键技术问题。     

多煤层采空区对上部拟建建筑物稳定性影响

为研究多煤层采空区对上部拟建建筑物稳定性影响,利用概率积分法和数值模拟法,分析多煤层逐层开采完后并施加上部结构荷载后采空区覆岩的应力和位移变化特征。结果表明:当上部煤层开采后,在采空区工作面两端有围岩应力集中现象,当下部煤层开采后,上部煤层采空区两端应力进一步增大的趋势;上部煤层和下部煤层开采后最大沉降均发生于采空区顶板中部,自顶板至地表逐渐降低,地表沉降自中部向两侧逐渐降低,且呈对称关系;煤层开采应力释放后,采空底板处有轻微隆起;当上部荷载施加后,采空区地表水平、竖直位移量和应力比之前均有所增大,但采空区场地整体仍处于稳定状态。建议对拟建的建筑物采用柱下独立基础加联系梁以提高其整体刚度,严禁采用桩基础等易引起下部采空区活化的基础形式。通过与后期地表监测数据对比,显示数值模拟方法计算的地表下沉值预测结果与实际较为接近。表明在选用合理的地质力学参数的情况下,运用该方法进行多煤层采空区沉降预测是可行的,对类似的矿山问题的分析解决有一定的借鉴和指导意义。     

急倾斜煤层走向综采覆岩破坏特性研究

为研究急倾斜煤层走向综采覆岩变形及破坏规律,采用力学分析、相似模拟实验及数值模拟分析,得到工作面覆岩破坏特性及岩层移动规律.研究表明:(1)急倾斜煤层综采面推进后,顶板位于工作面中部偏上覆岩处的岩层出现了挠度最大值,导致顶板断裂呈现由工作面顶板岩层的"中上部-上部-中下部-下部"的垮落顺序.(2)工作面上部覆岩以产生拉伸破坏为主,中、下部覆岩以剪切破坏为主;直接顶冒落的矸石充填下部近1/3的采空区域,且上部出现垮落区域比下部范围明显更大.(3)工作面下部应力集中系数比上部大1.2倍左右,工作面的下部端头支护处在极不均匀的高应力集中区,工作面端头及超前支护相当困难.     

房柱采空区下应力分布特征研究

为研究房柱采空区煤房煤柱交替分布对下位近距离煤层顶板应力分布影响规律,采用数值模拟方法对大地精矿房柱采空区下应力分布特征进行研究,研究表明:房柱采空区底板岩层中应力从无煤柱区到房柱采空区下方区域应力分布依次为端煤影响应力增高区、端煤影响应力降低区和采空区煤柱影响稳定区;根据采空区煤柱影响稳定区下底板应力波动范围确定了模拟地层采空区煤柱集中应力工程影响深度,影响深度范围外煤层开采工作面顶板压力及超前支承压力分布受上部煤柱集中应力影响较小,范围内煤层开采工作面顶板压力及超前支承压力分布受上部煤柱集中应力影响剧烈。研究结果对于类似条件的煤层开采及时采取有效顶板控制措施具有实际意义。     

急倾斜特厚煤层顶板非对称平顶型拱结构对比分析

急倾斜特厚煤层(倾角大于45°)水平分段综放开采与缓倾斜煤层综放开采后的悬空顶板在赋存状态和受力环境上均存在明显差异,导致2种情况下顶板失稳垮落后所形成的顶板结构区别较大。以乌鲁木齐矿区急倾斜特厚煤层顶板结构演化规律为研究目标,采用理论分析、数值计算和现场监测等综合方法,揭示急倾斜特厚煤层非对称平顶型拱结构随煤岩层赋存角度变化的演化规律。结果表明:急倾斜特厚煤层顶板垮落后能够形成平顶型拱结构,并且随煤层倾角增大,非对称平顶型拱结构的拱高、高跨比和半拱跨度比均减小,拱顶位置向地表浅部方向移动,顶板垮落范围和垮落岩体的体积减小,支架承受载荷降低。     

煤层倾角变化对采动覆岩变形规律影响的相似模拟试验研究

为研究工作面开采后顶板变形破坏随煤层倾角变化的规律,以南桐矿区不同倾角的同一煤层开采为工程研究背景,分别选取缓倾斜、倾斜、急倾斜三种煤层倾角进行煤层开采顶板变形破坏规律的相似模拟试验。对相似模型开挖前后图像进行数字散斑相关法处理,得到相似模型煤层开采后顶板覆岩位移及平面总应变等值线云图。通过综合分析顶板位移及平面总应变可知：上覆岩层变形的破坏程度总体上是随煤层倾角的增加呈减小趋势,其下沉剧烈区域和膨胀变形破坏剧烈区域呈逐渐向工作面上山方向发展的趋势;根据顶板位移云图和平面总应变云图中的等值线极值区域特征,确定了缓倾斜、倾斜煤层开采垮落带、裂隙带高度和偏心程度等参数,并根据"压力拱"理论确定了急倾斜煤层开采裂隙带范围;随煤层倾角增大"两带"高度总体上呈减小趋势,且"两带"偏心方向呈向上山方向增加的趋势。