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。     

胶结充填开采两端固定岩梁模型及梁式断裂分析

考虑采空区胶结体在强度形成区内对顶板的支撑载荷与距离工作面长度呈线性关系,基于垮落法两端固定梁模型,建立胶结充填开采两端固定岩梁力学模型,得到岩梁剪切力、弯矩分布和两端支座反力的表达式;提出充填开采极限跨距概念,从岩梁抗拉、抗剪强度推导出极限跨距表达式;提出充填开采工作面极限推进速度概念,并推导出其表达式。应用模型和概念公式对某矿2414工作面进行计算。研究结果表明:充填开采时,岩梁最大剪切力、弯矩位于煤壁处,与垮落法开采相比,剪切力和弯矩更小;增加支柱(架)的支撑力,可减小岩梁两端剪切力和弯矩;按抗拉和抗剪强度计算充填开采极限跨距分别为24.6 m和85.8 m,胶结体须在12.5 d内形成抵抗上覆岩层载荷的强度;岩梁剪切力和弯矩分布均为非对称性;煤壁处的支座反力、弯矩分别为采空区侧岩梁端2.28和1.49倍;充填开采有利于采空区后部沿空巷道的维护。     

大倾角煤层长壁开采顶板结构时空演化特征

为了明确大倾角煤层走向长壁开采顶板结构时空演化规律,采用物理相似模拟、数值模拟、现场实测综合互馈的研究手段,对采空区矸石的非均匀充填特征、顶板结构空间展布形态、围岩主应力大小渐变与方向偏转的演化过程和支架工作阻力的区域性特征进行研究。结果表明：随着推进距离的不断增大,底板上矸石堆积范围增大,在支架后方采空区开始往复出现倒三角的临空面;在深部采空区,矸石堆砌与水平面之间夹角沿倾向下部至上部不断减小;顶板位移呈现出“增大-稳定”的演化趋势,峰值位置由工作面倾向中上部区域向倾向中部迁移;顶板应力传递拱壳呈典型的非对称分布特征,拱壳内部岩体受力状态由双向受压转为单、双向受拉,主应力方向由x轴正向转为负向;顶板变形破坏的非对称性使得工作面支架工作阻力呈现倾向中上部较大、离散程度高,倾向中下部较小、离散程度低的区域特征。研究结果可为大倾角煤层长壁采场顶板稳定性控制提供一定的参考与指导意义。     

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。     

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.     

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.     

固体充填工作面支架工作特性及顶板控制分析

以唐山矿9煤层充填工作面为工程背景,采用现场实测与数值模拟相结合的方法,对充填液压支架工作特性及工作面顶板沉降控制效果进行研究。研究结果表明:固体充填工作面矿压显现缓和,充填支架具有动压系数小的显著工作特性;充填支架的高效支撑对抑制顶板弯曲下沉及层间离层发挥了重要作用,实测充填工作面内顶板累计下沉量占开采高度的13%,工作面上方顶板离层现象主要分布在浅部4m范围内;支架支护阻力的提高可有效控制顶板下沉保证足够的充填空间,当支架支护强度由0.4提高到0.6 MPa时,工作面顶板下沉值降低15.6%,当支护强度继续提高时,支架对顶板下沉的控制效果开始减弱。合理的充填支架支护强度可以控制顶板下沉,保证良好的采空区充填效果,进而减小覆岩及地表变形。     

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。     

孤岛煤柱膏体充填开采覆岩运动规律研究

为研究孤岛煤柱膏体充填开采覆岩运动规律,对岱庄煤矿2351膏体充填工作面支架压力进行了实际观测和分析。由于周围工作面回采结束时间较长,采空区内覆岩跨落后已经基本稳定。该工作面充填开采顶板初次来压步距为33.6 m,监测到的前4次周期来压步距分别为18.3、8.8、13.79、m。膏体充填条带煤柱开采采场与覆岩结构的特殊性决定了第一个周期来压步距相对较大。由于三面采空,虽然采用膏体充填采空区支撑上覆岩层,工作面顶板及其上覆岩层的断裂和下沉仍然十分显著。充填膏体的支撑作用使采场宏观矿压显现不明显,但三面的采空导致支架上的工作阻力较大,在推采停顿时间较长时矿压显现尤为明显。     

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。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：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。煤层埋深从200 m增加至250、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、78、96 mm。煤层弹性模量从2 500 MPa增大至3 500、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。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。     

极近距离采空区下交错开采顶板灾害防治

通过对岱庄煤矿4300采区工作面的顶板结构分析,得出了上部极近距离煤层开采后,下部煤层顶板形成极易漏冒的"块体-散体-梁"结构.采用数值模拟方法对下部工作面超前支承压力和上部采空区侧向支承压力共同作用下的高应力状态进行了模拟,结果表明,工作面前方煤体易失稳变形.针对工作面过采区前及采空区下开采易出现的顶板灾害事故,提出了工作面局部充填等相应的解决方案.     

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。     

极近距离采空区下交错开采顶板灾害防治极近距离采空区下交错开采顶板灾害防治

通过对岱庄煤矿4300采区工作面的顸板结构分析,得出了上部极近距离煤层开采后,下部煤层顶板形成极易漏冒的“块体-散体-梁”结构。采用数值模拟方法对下部工作面超前支承压力和上部采空区侧向支承压力共同作牌下的高应力状态进行了模拟,结果袁明,工作面前方煤体易失稳变形。针对工作面过采区前及采空区下开采易出现的顶板灾害事故,提出了工作面局部充填等相应的解决方案。     

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.     

硬顶软煤软底大倾角综放采煤技术探究

大倾角煤层开采产效低、环境比较恶劣、作业的安全效益低,开采难度非常大。本文通过不同的顶板以及开采条件下对现场的矿压观测,对大硬顶软底软煤大倾角综放开采过程工作面的矿山压力所表现出的一般特征,选择对工作面＂支架一围岩＂系统的稳定性以及回采工艺产生影响的基本参数,评估工作面的主要装备适应性。对大倾角采煤实践具有现实的参考意义。     

宽沟矿卸压冲击煤层综采面矿压显现规律

中国煤炭开采规模的不断增大和深化,煤矿冲击地压发生的情况也复杂多变,致灾影响因素众多。目前冲击地压灾害仍然是困扰煤矿安全生产的主要灾害之一。根据新疆准南煤田宽沟煤矿条件,采用系统的矿压观测手段,结合工作面煤柱观测和液压支架工况研究,分析了冲击煤层顶板卸压煤柱应力分布规律,及其对液压支架工作特性的影响,研究揭示了冲击煤层在顶板卸压条件下的综采工作面矿压特点。结果表明,适时进行工作面的顶板水压预裂和爆破切顶处理,对工作面顶板矿压显现控制有重要的作用。研究对类似冲击煤层综采工作面的安全生产具有参考价值。     

急斜煤层顶板岩墙的破断规律及矿压显现

本文根据急斜煤层的实际开采和采空区垮落充填状况,把采空区下部充填矸石视为弹性基础,建立了弹性基础墙的力学摸型。采用理论分析和摸拟试验,研究了充填矸石高度和强度对顶板岩墙沿倾向破断规律及工作面矿压显现的影响。