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.     

大倾角煤层综放开采中上覆岩层的运移特征

根据新疆焦煤集团艾维尔沟矿区25112工作面所采的5#煤层大倾角、硬顶、软底、软煤的实际情况,采用相似材料模拟实验,对综放开采时上覆岩层沿倾斜方向上的运移(破坏)特征进行研究。研究表明,在大倾角煤层综放开采过程中,工作面顶煤或顶板的运移是不对称的,且在破坏方式上也有区别。上覆岩层的运移是一个空间问题,包括了上覆岩层的垂直于岩层的弯曲下沉—破断—回转,还包括沿工作面倾斜方向和垂直于工作面倾斜方向的运移。顶煤和上覆岩层垮落后,会沿工作面倾斜方向向下滚(滑)动,堆积于工作面下部和中部,形成非对称的充填带。所得结果对现场开采具有一定的指导作用。     

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。     

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。     

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.     

亚急斜煤层采空场覆岩变形破坏数值与相似模拟

依据煤层倾角及开采后顶板破坏特征及其影响不同,将倾角在45～60°的煤层称为亚急斜煤层,其开采过程中顶板影响相对显著。文中针对乌鲁木齐矿区,通过相似材料与数值模拟试验,对亚急斜水平分段放顶煤开采过程中采空场覆岩变形破坏特征进行了试验研究。研究结果表明:亚急斜煤层开采过程中采空场覆岩变形破坏主要沿煤层法向方向发展;基本顶(老顶)岩层破坏后并没有直接垮落,而是有可能形成一定的结构体——铰接岩块结构;关键层位结构体的回转失稳是造成大范围覆岩剧烈活动的根本原因;岩层结构的存在,特别是关键层位结构体的存在,使得覆岩大范围垮落对工作面的影响程度大大降低了,支架可以保持良好的运转,有助于工作面的安全高效生产。     

近距离煤层群下行开采下煤层覆岩运移规律模拟

为研究近距离煤层群开采过程中下煤层的覆岩运移规律,基于木瓜矿10-110首采工作面的实际工程背景,采用相似材料对该矿10煤开采过程进行模拟,从相似材料运移形态、移近量等方面对覆岩运移规律进行了分析,研究表明:近距离煤层群下行开采下煤层初次和周期来压步距、覆岩位移特征,为相似地质条件煤层的开采提供理论依据.     

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。     

多煤层开采导水裂隙带发育与 覆岩破坏高度规律

为了进一步揭示多煤层开采过程中,采动裂隙带发育规律的影响因素与采空区水的变化特性,以公乌素煤矿为研究对象,分别研究了该矿区煤层的覆岩类型及其对覆岩破裂的影响,从理论和数值模拟的角度研究了多煤层开采对覆岩破坏高度的影响.研究结果表明:(1)煤层覆岩越坚硬,覆岩破裂带发育的高度较大,导水裂隙发育就越高,反之,则容易下沉,但不易产生开裂,最终表现为覆岩破坏高度降低;(2)煤层采动过程中,开采厚度、开采方法、工作面跨度、开采深度与导水裂隙带的高度变化呈正相关关系;(3)公乌素煤矿倾斜煤层回采的导水裂隙带的分布沿工作面的倾斜方向整体呈不对称“马鞍形”破坏特征,多煤层下行开采过程中,下部煤层开采可以有效地减小上覆岩层采动引起的应力集中现象,且采空区的卸压范围及高度也随之增加.相关研究成果可为同类型矿井安全开采提供参考依据.     

大倾角综放开采顶煤极限平衡状态界面位置

为确定大倾角煤层长壁综放工作面顶煤极限平衡状态的形成位置,指导该类采场顶煤与支架的相互作用关系分析,以长山子1125工作面为研究对象,采用数值分析、连续介质损伤力学分析、物理相似材料模拟实验相结合的研究方法,对顶煤的渐进损伤过程与应力边界,极限平衡状态的宏观等效损伤表征方法,大倾角长壁综放采场覆岩"关键域"层位影响下顶煤极限平衡状态界面沿倾斜方向的展布形态进行了研究。结果表明:支承压力峰值处顶煤内部的细观裂隙加速贯通为宏观裂隙,损伤累积开始加速,是顶煤极限平衡状态的起始边界;长山子1125工作面顶煤极限平衡状态界面处的宏观等效损伤D_L=0.16;在不同覆岩"关键域"层位高度控制作用下,顶煤极限平衡状态界面分布在煤壁前方1.96～3.90 m,沿工作面倾斜方向呈"中上部距煤壁最远、中部次之,上下端头最近"的非对称展布。工作面端面顶煤的漏冒次数与倾斜方向支架工作阻力分布统计结果验证了顶煤极限平衡状态界面展布形态的合理性。     

煤层开采过程中覆岩移动规律的UDEC数值模拟

为研究煤层开采过程中覆岩移动规律.通过UDEC软件建立背景工程的数值计算模型,分析煤层开采过程中覆岩运动规律和裂隙演化的时空特征.通过计算得出以下结论:1煤层开采对顶板岩层位移发展影响明显,上覆岩梁的应力成拱形分布,致使上覆岩梁内产生裂隙扩展,岩梁断裂,并呈梯形分布;2随着工作面推进过程,采空区空间持续增大,上覆岩层裂隙持续贯通,顶板岩梁断裂坍塌充填采空区.随着工作过程中,岩层之间开始发生离层,离层次序是自下而上,离层主要发生在强度不同的层间面上;3采场上覆岩层裂隙带高度随工作面的推进不断发展,针对不同地质条件,但当工作面推进一定距离时,裂隙带高度基本不变.同时,在裂隙带变化过程中可以采用指数曲线进行拟合.但指数拟合曲线仅仅模拟的是裂隙带整体变化趋势,不能完全通过拟合曲线得出不同工作断面裂隙带的高度.     

覆沙层下大采高工作面覆岩运移规律

大采高开采的方法是提高煤炭资源回收、实现矿井高产高效的重要发展方向,但也造成工作面覆岩破坏严重。为此,文中以宁东煤田赋存的覆沙层下特厚煤层为背景开展大采全高工作面覆岩运移研究,运用相似模拟的方法并综合多种监测仪器从模拟现象、力源两个角度对大采高工作面覆岩运移、下沉乃至垮落的特征进行了全程监测与分析。研究表明:大采高工作面覆岩垮落初次来压步距较大,支架带压移架后极易发生直接顶乃至老顶的突然垮落,工作面来压强烈、伴随有明显的支架动载现象;延伸至地表的裂隙有诱发地表覆沙层弯曲、有溃入工作面的可能;模型开采结束后形成了6条贯穿至地表且与工作面推进方向成60°的垮落裂缝;模型内部各岩层下沉范围随着工作面的推进而不断扩大,呈U字型下沉趋势。     

不等长工作面覆岩破坏规律的数值模拟分析

针对不等长工作面煤层开采日渐增多的现状,采用数值模拟与理论分析相结合的方法,对采场覆岩的破坏特征及支承压力的分布状态进行系统研究,并相应模拟出工作面前方应力场与位移场的演化规律。结果表明:工作面自开切眼开始向前推移,推进到工作面"见方"期或斜长的整数倍位置时,顶板活动剧烈,覆岩空间结构发生新旧更替,形成了"O"型破断区;不等长工作面推进过程中岩层运移极不规则,推进距离在衔接面前后20~30 m的范围内,应力波动较大,数值变化明显;回采期间支承压力对覆岩活动产生了重要影响,其大小约为水平应力的1.5~2倍;就采动过程中竖向位移的变化而言,巷帮移近量远大于顶底板变形量,故工程实践中应特别注意对巷帮及顶板的加固和维护。     

急倾斜煤层分段开采下部煤岩体应力及位移演化规律

为了掌握急倾斜特厚煤层分段开采时工作面下部煤岩体应力及位移演化规律,采用数值模拟方法研究了工作面下部煤岩体和工作面底板的应力及位移分布,并分析了分段高度和开采深度对下部煤岩体应力及位移的影响。研究表明：上分段开采后,下部不同深度煤岩体卸压范围均呈长轴沿煤层走向的椭圆状,但卸压范围并不对称,底板侧和顶板侧的煤岩体卸压程度不同,靠近底板侧卸压程度更大。下部煤体卸压深度大小为底板侧>工作面中部>顶板侧。煤层底板不同深度出现不对称卸压区,靠近回采分段上端部的煤层底板处垂直应力明显集中。急倾斜煤层分段开采,段高对下部煤体的卸压深度范围影响较小。开采深度不同时,随着埋深增加,工作面下部煤岩体应力集中区域增大,下部同一深度煤体的垂直应力、垂直位移均出现明显增加,开采深度对工作面下部煤岩体的卸压范围影响明显,埋深越大卸压范围也越大。     

浅埋近距煤层采空区覆岩移动规律相似模拟

浅埋近距煤层采空区坚硬顶板覆岩与煤柱破坏易导致动力灾害,同时会影响顶板涌水溃沙和地表沉降,为确保此类矿井的安全高效开采,结合冯家塔煤矿1402综采工作面实际,对该煤矿进行了煤柱破坏与覆岩移动规律的物理相似材料实验模拟研究,试验是以1-1采区的开采为模拟对象,模拟在工作面长度为270 m的单一走向长壁开采后,上覆岩层的移动和变形规律。研究结果表明:随着浅埋近距煤层采空区的增大与时间的推移,开采时大面积来压是由于保护煤柱逐渐被压垮引起覆岩大面积冒落,致使近距煤层之间采空区导通,垮落从直接顶开始,逐步扩散至地表,上覆岩层的运移以垂直为主,水平运移并不明显,形成梯形状下沉,上部煤层开采后其覆岩关键层破断块体结构的稳定性是影响下部煤层开采时工作面矿压显现强烈程度的重要因素。     

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。     

偏薄中厚煤层综采面矿压显现规律

针对偏薄中厚煤层亟待开采的现状,采用理论分析和数值模拟的方法对偏薄中厚煤层综采工作面的覆岩运移规律及应力分布特征进行研究,结合现场实测分析了工作面顶板的来压特征和支架工阻,得出了工作面矿压显现的一般规律.研究结果表明:工作面自开切眼开始向前推移,塑性区破坏范围以"O"型圈的形式向四周延展,影响区域不断扩大;岩层运移和应力分布经历了初始、发展和稳定的动态过程,覆岩移动受时空因素影响显著,支承压力与顶板破断具有同步效应;从能量场的角度揭示了能量释放与应力集中是导致煤矿动压灾害的根源.研究结论为相同煤层条件下的采场矿压观测和顶板监控提供理论指导.     

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。     

急倾斜水平分段综放面强矿压致灾机理及其防治

急倾斜特厚煤层水平分段综放开采条件下的强矿压致灾日益突出,严重制约矿井的安全生产。以乌东煤矿北采区45#特厚煤层为研究背景,构建物理相似模型,揭示了采场覆岩垮冒结构特征,理论分析综放面覆岩应力传递特征;通过FLAC3D软件建立三维数值计算模型,分析了急倾斜特厚煤层水平分段综放开采后覆岩的应力场及塑性区的变化特征。结果表明:急斜煤层赋存环境复杂,顶板不易垮落,易在采空区形成悬空顶板;+600水平分段煤层开采后,覆岩应力重新分布,在+575水平工作面沿煤层倾向距顶板巷6～45 m的采场煤岩体内,形成轮廓为"三角形"的应力集中区;随开采水平不断向深部延伸,应力集中程度不断增加,矿压显现也随之增剧。针对覆岩垮冒结构及应力特征,进行超前预裂爆破弱化技术,综放工作面支架压力和电磁辐射监测表明:支架压力下降了5～10 MPa,煤岩体平均电磁辐射强度由35.5 mV下降为14.4 mV,明显减缓了工作面强矿压显现,实现了安全生产。这对类似矿井安全开采提供了值得借鉴依据。     

煤层群下行开采煤柱应力传递规律

为研究煤层群开采过程中遗留煤柱应力传递规律,防治下煤层开采中上部煤柱应力传递形成应力集中引起的矿井动力灾害.采用理论研究与数值模拟的方法对煤柱的应力传递规律进行研究.应用土力学原理对集中应力和线性应力在岩体中垂直近似传递规律公式进行推导;运用FLAC3D软件对同忻矿8104工作面区段煤柱应力状态及上覆侏罗系煤柱应力传递规律进行数值模拟,对不同宽度以及不同应力场条件下煤柱应力传递规律进行分析.研究发现,煤柱应力垂直传递受到自身宽度、埋深、采高和煤层倾角的影响,同时还受下部采空区的影响.8104工作面准备完成后煤柱所受应力较高,工作面前方应力升高区近100 m,工作面推进到550 m时矿压显现较严重,对工作面安全作业威胁较大,煤柱应力升高主要是由上部采空区煤柱应力传递及采空区悬顶面积过大所引起.