成庄煤矿4311综放工作面矿压显现规律及覆岩垮落特征

掌握综放工作面来压和覆岩运移规律对综放工作面安全高效开采具有重要意义。以成庄煤矿4311综放工作面为工程背景,通过物理模拟对工作面覆岩垮落特征、矿压显现规律、支架载荷分布规律和覆岩"三带"发育特征进行了研究。结果表明:4311工作面初次来压步距58.5 m,周期来压步距11.5～27 m,平均18 m。工作面覆岩垮落呈现明显的"三带"分布规律,垮落带高度最大48 m,裂隙带高度最大169 m,煤层顶板169 m以上为弯曲下沉带。工作面推进222 m后达到充分采动,最大裂采比26.20,工作面顶板来压时,支架载荷一般大于3 500 kN/架,最大为4 115 kN/架,给出了合理的支架选型工作阻力为4 372～4 938 kN,4311综放工作面开采过程中没有出现压架现象。     

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。     

浅埋煤层开采覆岩移动规律数值分析

利用RFPA岩石破断过程分析系统软件，对神府东胜矿区活鸡兔煤矿厚松散层浅埋煤层首采工作面上覆岩层在采动后的活动规律进行了动态数值模拟。并根据模拟结果，分析了随着工作面采动和推进，上覆岩层的破断过程、特征与来压特点。模拟结果表明，卸荷变形是引起浅埋煤层直接顶初始离层的主要因素之一，浅埋煤层老顶岩层破坏的主要顺序仍为“离层－断裂－垮落”，厚松散层浅埋煤层开采时，当关键承载层完全垮落后，覆岩会发生直达地表的整体切落现象。     

浅部隔离煤柱对覆岩运移的控制及其合理留设

为了揭示西部浅埋工作面沿倾向方向开采时隔离煤柱对覆岩运移的控制作用,以大柳塔煤矿为工程背景,采用相似材料模拟试验方法,分析工作面开采中隔离煤柱对覆岩垮落、移动变形的控制作用及其应力变化特征,并确定煤柱的合理留设。研究结果表明,采区倾向方向上,由于工作面间存在隔离煤柱,各工作面开采会形成彼此独立的垮落带,隔离煤柱有效地分隔了相邻工作面垮落空间的横向贯通和纵向扩展,隔开了相邻工作面上覆岩层沉降曲线;覆岩垮落高度与工作面倾向开采长度密切关系,非充分采动较充分采动时覆岩垮落高度明显降低。在煤层开采过程中,留设30 m宽的1^#~4^#煤柱处于稳定状态,但3^#、4^#煤柱安全性较低。理论计算出了2^-2煤和5^-2煤合理煤柱宽度分别为18.6 m、24.5 m,得出了避开煤柱集中应力与控制地表均匀沉降的上下煤层煤柱最佳错距为95.5 m。     

大倾角综采工作面覆岩运移规律

为研究大倾角综采工作面覆岩运移规律,运用FLAC3D数值模拟软件建立模型,分别模拟了煤层开采过程中不同推进距离的围岩垂直应力分布,以及顶底板垂直位移,并通过现场对液压支架工作阻力沿推进方向和倾斜方向的统计分析,进一步分析了大倾角工作面覆岩运移特征.结果表明:大倾角煤层开采过程中,沿工作面倾斜方向垂直应力和位移具有非对称性,中部和上部覆岩位移量和垂直应力释放范围均较下部大,覆岩活动较为剧烈.研究结论为工作面支架安全管理提供了依据.     

浅埋煤层采动覆岩导水通道分布特征试验研究

为解决浅埋煤层的保水开采难题,采用物理模拟方法,研究了浅埋煤层大采高长壁工作面的采动覆岩导水通道的分布特征.结果表明:对于典型浅埋煤层,大采高工作面在初次来压至第一次周期来压期间,覆岩导水通道迅速发育至松散含水层底部,工作面后方约2个周期来压距离后,采空区覆岩垮落带以上的覆岩导水通道被逐渐压实闭合,但开切眼处的导水通道不易闭合;对于次浅埋煤层,主关键层初次来压后,导水通道迅速发育至最大高度,但伴随着主关键层约1～2个周期来压后,基本顶至主关键层之间断裂带内的覆岩导水通道可很快被压实闭合.该成果可对浅埋煤层保水防溃采煤研究和应用提供基础理论指导.     

交错式充填对采空区上覆岩层的影响

针对充填开采成本较高、条带开采煤炭采出率较低等问题,根据某矿的地质资料,运用FLAC3D软件模拟交错式充填法和垮落法开采过程中上覆岩层的应力分布、垂直位移变化情况.结果表明：当采高为1 m、煤层距地表178.8 m时,垮落法开采的采空区中部出现0～4.1 MPa的拉应力;交错式充填的采空区上部压应力为2.0 ～3.0 MPa,采空区充填区域压应力为3.0 ～4.0 MPa,应力均小于原岩应力.垮落法采空区中部上覆岩层位移最大,向两侧逐渐减小;交错式充填采空区上覆岩层的位移较小,最大下沉量为0.006 m.在降低充填成本的情况下,交错式充填法能够有效控制采空区上覆岩层应力分布和下沉量,为“三下”采煤提供理论依据.     

长臂充填开采上覆岩层移动规律数值模拟

针对王河煤矿10903工作面在开采过程中引起地表下沉问题,用RFPA2D软件对不同弹性模量充填材料下的充填开采和全部垮落开采进行数值模拟,模拟了全部垮落法开采时岩层破坏和裂隙分布情况,全部垮落法随工作面推进关键层及地表下沉情况;不同弹性模量充填材料下的充填开采随工作面推进关键层及地表下沉情况.结果表明：全部垮落法开采会引起地表的塌陷,而充填法能有效控制关键层弯曲下沉量和地表沉陷.充填体弹性模量从1 GPa增加到5 GPa时,工作面前方垂直应力集中程度逐渐降低,关键层下沉量逐渐减小,最大下沉量从510 mm 减小至285 mm.最后通过地表沉陷观测验证了充填材料配比和数值模拟计算的合理性.     

采动覆岩破坏演化特征模型实验与分析

采动覆岩破坏演化特征研究对煤炭安全开采具有重要指导意义。以新疆哈密大南湖一矿1303工作面为研究对象,根据开采技术条件,构建采动覆岩破坏演化特征实验模型;分析覆岩运移特征与声发射监测信息,揭示了采动覆岩单次破裂及来压过程中多次破裂的能量耗散与演化特征,其历程分别为"释放-积聚-释放"与"裂隙扩展-破裂-垮落"。借助钻孔电视判定覆岩破坏演化高度,结果表明:工作面开挖后,覆岩破坏高度随模型开采持续增加,但受下方煤岩体碎胀效应影响,覆岩破坏高度增幅随来压次数增加而逐渐降低。工作面推进至246.4 m时,破裂岩块间形成稳定的挤压平衡结构,工作面达到充分采动状态,采动覆岩破坏高度峰值为96.0 m.相关研究成果为指导工程实践提供了定量依据。     

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.     

工作面推进过程中上覆岩层冒落的数值模拟

为了研究在工作面推进过程中上覆岩层冒落情况，基于“支架梁”模型理论、连续介质力学和损伤介质力学原理，采用RFPA^2D分析系统，模拟了岩石从裂纹萌生、扩展直至断裂的全过程，再现了煤层采动中其上覆岩层来压及工作面推进过程中剪应力、岩层下沉的变化规律。结果表明：厚顶对上覆岩层的运动起控制作用，它是该岩层系统中的关键层，另外，随着工作面向前推进，在工作面前方煤壁形成支承压应力升高区，上覆各岩层的下沉量不断增加。     

东海煤矿深部回采工作面矿压规律

为了得到深部回采工作面的矿压显现规律,采用相似模拟、理论分析、数值模拟与现场观测相结合的方法,对东海煤矿32#煤层左九工作面顶板活动规律,上覆岩层移动、破坏规律以及支承压力的分布规律进行了理论分析与实践研究,得出了该工作面顶板活动的各项参数和上覆岩层移动、破坏的范围以及支承压力的分布变化规律。研究表明,深部开采工作面随着采深增加,支承压力有所增加,支柱载荷也增大,但顶板活动规律、上覆岩层移动规律与浅部开采相比变化不明显。该结论为龙煤集团同类矿井进入深部开采阶段采场围岩控制设计提供了参考依据,对其他同类矿井具有很好的借鉴作用。     

焦家寨煤矿2号煤综采中位放顶煤工作面矿压研究及应用

通过对焦家寨煤矿2号煤层22105综采中位放顶煤工作面的矿压观测和研究分析,明确了工作面上覆岩层的运动变化规律、变化参数以及矿压显现程度对工作面生产的影响,可为今后工作面两巷超前支护及采煤设备、支架选型提供重要的决策依据。     

基于弹性地基梁理论的端面顶板稳定性分析

端面冒顶一直是影响工作面安全高效开采的一大技术难题。本文采用弹性地基梁理论建立了端面顶板挠度微分方程,并运用PHASE 2D有限元软件建立了端面顶板稳定性数值模型,获得了煤层埋深、支架刚度、煤体刚度等因素对充填开采工作面端面顶板稳定性的影响。研究结果表明：（1）采深越大或液压支架刚度越小,端面顶板下沉越明显;煤层地基系数或顶板弹性模量增大时,端面顶板下沉有所减小,但影响较为有限;从可行性考虑,提高液压支架刚度,可以有效控制工作面顶板变形,降低端面冒顶及煤壁片帮的风险。（2）煤层埋深从200 m增加至250 m、300 m时,工作面前方塑性区宽度及支承压力显著增大,直接顶最大下沉量分别为61 mm、78 mm、96 mm。（3）煤层弹性模量从2 500 MPa增大至3 500 MPa、4 500 MPa时,工作面前方支承压力峰值略微增大,工作面前方煤体塑性区宽度也略微增大;直接顶下沉量略微减小。（4）现场观测表明,充填开采条件下支架阻力较小,工作面区域矿压显现不明显,顶板下沉得到有效控制。     

大采高工作面矿压规律与瓦斯涌出关系实测

为了充分研究大采高工作面瓦斯涌出随开采过程的变化规律,文中结合晋煤集团寺河矿W1301工作面实际条件,通过现场实测工作面支架工作面阻力、工作面超前支承压力及瓦斯涌出浓度,掌握了大采高工作面来压显现特征,进一步分析了瓦斯涌出与矿压显现的规律.实践证明：大采高工作面来压显现并不强烈,动载系数平均为1.34;当工作面来压显现时,瓦斯涌出量急剧增大,支架工作阻力降低时,工作面瓦斯浓度也随之降低,大采高条件下钻孔瓦斯涌出量与其所在位置支承压力大小成反比关系;支承压力增高区的钻屑量大,支承压力降低区的钻屑量较小.     

恒底开采矿压显现规律模拟研究

本文在现场实测的基础上,利用相似材料模拟实验方法,对厚煤层恒底开采和下行分层开采的矿压显现规律进行了对比研宄。研究结果表明:恒底开采第一分层时,由于顶煤易在采空区冒落,冒高较大,因此老顶来压时对采场的影响程度明显减小,这对于厚煤层坚硬顶板条件下的安全生产是十分有利的;恒底开采时,顶板裂隙扩展范围较小(裂隙带高度减小),并能减小顶板出现离层的高度,因此,有利于顶板含水层下(或地表水下)安全生产;恒底开采时,除最后一个分层外,各分层工作面的顶板均为煤体,因此可以减少煤炭含矸率,当煤层顶板较破碎时,其效果更明显     

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.     

采动过程中覆岩破碎区碎胀性走向分布特征

为了探究采动过程中覆岩破碎区碎胀性在走向分布规律,采用UDEC数值模拟及相似模拟手段分析了煤层顶板运移规律及碎胀系数分布特征。结果表明：随着采空区上覆岩层空间结构发展的演化,煤层顶板下沉量由下至上逐层降低,并最终趋于稳定;在工作面推进方向上,碎胀系数不断降低,且呈现出一定的分区特性,随回采呈现动态变化的周期性前移,其在走向上划分为三个区域,即：自然堆积区、载荷影响区、逐渐压实区。最后,确定浆体充填滞后距离为60m,现场试验邻位注浆充填效果良好。     

建北矿综放工作面矿压规律研究

黄陵矿区开采实践证实,综放液压支架能平衡采场上覆岩层载荷,综合机械化开采对于预防顶板事故固然就像"安全箱"一样可靠,但这必须是建立在设备选择合理并保证良好的运行状况的基础上的。并且建北矿的煤层赋存条件、支护、采高以及井型等方面与邻近的煤矿都有很大差异,如果不加研究而盲目地套用其综放工作面的矿压规律,将会存在严重的安全隐患,甚至导致事故的发生,而造成巨大的经济损失。4-2101工作面作为建北煤矿首采综放工作面其顶板运动及矿压显现规律具有一定的代表性。通过对首采工作面进行系统的矿压观测,获得了老顶初次来步距、来压的强度、支架阻力的动载系数等矿压规律参数。总结出了首采工作面的矿压显现规律,提出了合理的支护改善措施,研究成果不仅能指导4-2101工作面安全生产,而且对于研究工作面顶煤,顶板运动规律、支架选型、支护质量及实现矿井安全、高产、高效等都具有重要的现实意义。