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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

急倾斜煤层不同覆岩结构导水裂隙演化规律

基于龙湖煤矿南二采区急倾斜煤层的赋存和水文地质条件,采用离散元数值计算方法,分析了覆岩结构组合对急倾斜煤层开采导水裂隙演化规律的影响。结果表明:急倾斜煤层采场上覆岩层无关键层及覆岩结构组合为隔水-结构关键层时,导水裂隙分布呈"耳型"特征;采场上覆岩层存在结构关键层,直接顶为坚硬岩层和软弱的隔水关键层时,导水裂隙以平行于层面的离层裂隙为主;急倾斜煤层开采不同覆岩结构组合,导水裂隙发育高度均随煤层采厚的增加呈增大趋势,裂采比呈降低趋势。现场依据导水裂隙分布特征,设计了合理的防水煤柱尺寸和矸石充填注浆胶结顶板控制技术,确保了水体下急倾斜煤层的安全回采。     

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。     

大倾角煤层开采“关键域”转换与岩体结构平衡特征

为解决大倾角煤层走向长壁开采过程中采场围岩中"关键域"非确定性和岩体结构变异问题.采用平面、三维立体相似模拟实验、数值分析、理论分析等综合研究方法,分析了沿工作面倾斜方向不同区域"关键域"转换和岩体结构平衡机制,结果表明:在覆岩"应力-冒落"双拱作用下,工作面下部"关键域"向直接顶和伪顶岩层转移,岩体结构破断方式为直接垮落,中部"关键域"处于基本顶中下位岩层中,岩体结构破断方式为一次回转垮落,上部"关键域"向基本顶上位岩层中转移,岩体结构破断方式为二次回转垮落,不同区域岩体结构破断的分区特征,导致了工作面来压的时序性和非均衡性.     

急倾斜煤层覆岩破断和裂隙演化的采厚效应

为了确保水体下急倾斜煤层的安全回采,基于龙湖煤矿南二采区急倾斜煤层的水文工程地质条件,采用相似材料物理模拟实验,分析了急倾斜煤层覆岩破断和裂隙演化的采厚效应.结果表明:急倾斜煤层开采顶板坚硬上覆岩层存在关键层时,顶板岩梁以层状破断为主,初次破断均形成“复合破断”;急倾斜煤层开采顶板岩梁初次破断后,覆岩裂隙向关键层及其上方岩层发育,不同采厚导水裂隙分布均呈“耳型”分布;随着急倾斜煤层采厚的增大,急倾斜煤层初次破断步距呈降低趋势,覆岩裂隙发育高度和初次破断厚度呈增大趋势.     

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。     

浅埋缓倾斜煤层开采覆岩及地表裂缝发育规律与形成机理

为掌握浅埋缓倾斜煤层开采覆岩及地表裂缝发育规律和形成机理,采用野外实地调查、模拟实验和理论分析等方法,以羊场湾煤矿110207综采工作面为工程背景开展研究。研究表明：浅埋缓倾斜煤层开采诱发的地表裂缝发育特征明显。垂直回采方向裂缝呈弧形和直线形,平行间隔展布;平行回采方向裂缝展布于工作面两侧顺槽外侧,且工作面机巷侧裂缝发育范围大于工作面回风巷道侧。工作面顶板初次垮落步距60 m,周期性垮落步距平均为21.6 m,顶板以悬臂梁和铰接岩梁的形式重复破断活动;覆岩离层裂隙具有“产生—增大—减小—闭合”的演化规律,与竖向裂隙贯通后,导致导水裂隙带发育高度增大。地表裂缝具有动态发育和宽度动态变化2种动态规律,前者与覆岩周期性破断引起的地表动态下沉有关,后者则有“只开不合”、“先开后合再开”和“先开后合”3种活动类型,与地表岩土体复杂运移特征密切相关。倾向上工作面机巷侧(下山方向)裂缝发育范围大是煤层倾斜地表移动变形非对称偏移造成的。     

地面压裂坚硬顶板对矿山压力显现影响的实验研究

地面压裂是控制煤矿坚硬顶板减少矿山压力灾害的一种新方法。但该方法的有效性以及地面压裂形成的水压裂缝的产状对矿山压力显现的影响尚待进一步研究论证。通过物理相似模拟实验,在模型中坚硬顶板内分别不预制裂缝、预制水平裂缝和预制垂向裂缝并模拟煤层开采,研究了采动过程中顶板的周期垮落、坚硬顶板的破断和工作面的矿压响应。研究表明,随煤层开采覆岩呈 “ ”型垮落规律,即先垮落采空区上方A区域,然后沿工作面推进方向垮落与A临近的B区域,再垮落A、B上方的C区域,间隔一定周期B、C区域同时垮落;受水平裂缝影响,顶板周期垮落步距平均缩短23.08%;受垂向裂缝影响平均缩短19.23%;含水平裂缝和垂向裂缝的坚硬顶板均提前破断,平均破断步距缩短10.23%;工作面推进至裂缝影响区时,覆岩作用在开切眼煤壁附近的矿山压力和工作面超前支承压力降低,表明压裂坚硬顶板可降低工作面矿压。研究成果对于揭示覆岩垮落规律、地面压裂控制矿压显现规律和矿山压力灾害防治具有重要意义。     

综放面覆岩运动“时-空-强”演化规律分析

综放面覆岩运动是制约安全开采的关键问题之一。以新疆大南湖一矿1303综放工作面开采为工程背景,基于对工作面覆岩运动"横三区"与"竖三带"经典理论的理解,将区块链式演化思想应用于综放覆岩运动数值模型构建与链式演化过程精细计算,构建开采扰动区覆岩物理与数值计算模型,并将其植入三维有限差分计算FLAC~(3D)程序,揭示综放面覆岩运动"时间-空间-强度"链式演化与失稳破坏规律。结果表明:大南湖一矿综放面覆岩垮落带与裂隙带分别约为16.8 m与115 m.具有承载性的岩层受到外力破坏,均会出现应力集中;岩层垮落根据承载层和开挖尺寸不同,出现"分离-协同"运动现象,应力呈现"集中-分离-集中"规律,重合后的应力演化集中,造成工作面强矿压作用,这对现场安全开采提供了科学指导作用。     

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。     

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.     

开采扰动区断层采动活化诱发岩体动态变形模型实验

开采扰动区断层采动活化是诱发动力学灾害的典型难题之一。断层采动活化诱发岩体动态变形规律研究是揭示煤岩体结构、应力与力学行为对灾害控制作用的基础前提。通过对物理相似模型实验和声发射、应力与变形指标监测,揭示开采扰动区断层下盘、断层附近及断层上盘随工作面推进覆岩运移和矿压显现规律。实验研究表明:断层存在破坏了煤层顶板及上覆岩层的整体连续性,工作面矿压及上覆岩层垮落规律表现异常,断层极易活化,滑移现象明显;断层活化诱发上覆岩层发生整体切落,对工作面前方煤体产生很高的集中应力载荷,易诱发动力灾害。这为采动岩体动态断裂失稳和突水等灾害预报与调控提供理论依据。     

基于RFPA~(2D)的煤层顶板覆岩采动破坏数值模拟

本文在分析工作面揭露的开采地质条件和岩石力学性能等参数的基础上,运用岩石破裂过程分析系统(RFPA2D)模拟分析了工作面煤层顶板覆岩层采动破坏特征。结果表明采动引起工作面顶板覆岩离层面和纵向破断面的张开和闭合是一个动态演化过程。区域内直接顶初始垮落步距约10m,基本顶的初次来压步距为60～65m,采动冒裂高度为57m。模拟结果为工作面顶板管理及上隅角瓦斯抽采提供了科学依据。