基于薄板理论的首采工作面基本顶来压步距研究

基本顶破断对工作面来压具有重要影响。为了研究首采工作面的基本顶破断机理,根据顶板发生初次破断和周期性破断时的边界条件,分别建立了四边固支、三边固支一边简支的顶板薄板力学模型。利用伽辽金法对薄板模型进行力学计算,对工作面顶板破断时基本顶岩层的应力分布特征与破断机理进行了分析。通过极限破断准则得出顶板破断位置与来压步距。结果表明:工作面基本顶破断与上覆岩层载荷、工作面长度、推进距离、岩层厚度、泊松比等因素有关,与板的弹性模量无关。现场观测顶板来压步距与理论计算结果较吻合,可为首采工作面来压预报提供依据。     

基于薄板理论的首采工作面基本顶来压步距数值研究

基本顶破断对工作面来压具有重要影响。为了研究首采工作面的基本顶破断机理,根据顶板发生初次破断和周期性破断时的边界条件,分别建立了四边固支、三边固支一边简支的顶板薄板力学模型。利用伽辽金法对薄板模型进行力学计算,对工作面顶板破断时基本顶岩层的应力分布特征与破断机理进行了分析。通过极限破断准则得出顶板破断位置与来压步距。结果表明:工作面基本顶破断与上覆岩层载荷、工作面长度、推进距离、岩层厚度、泊松比等因素有关,与板的弹性模量无关。现场观测顶板来压步距与理论计算结果较吻合,可为首采工作面来压预报提供依据。     

煤层定向水压致裂机理研究

随着中国煤矿开采规模、深度及强度的逐年加大,为进一步保障安全生产环境、降低安全事故发生的频度和烈度、提高资源回收率,煤层水压致裂的可控性是目前亟待研究的重要问题之一。煤层定向水压致裂技术利用钻孔煤层中的裂隙作为导向裂隙,在围岩应力与注水压力共同作用下,引导岩层破坏方向。基于水压致裂单裂隙压剪模型及断裂力学理论推导出定向水压致裂临界水压力,对煤层定向水压致裂机理进行研究。研究结果表明,定向裂隙的存在使得煤层水压致裂位置发生偏移,定向裂隙的角度和长度是影响煤层水压致裂破坏方向和临界注水压力的主要因素,这为煤层水压致裂可控性提供理论基础。     

采高对浅埋煤层老顶岩层破断距的影响

煤层的开采高度对关键层的破坏有重要影响,为了研究采高对组合关键层破坏的影响,运用数值分析方法分析组合关键层有关参数的基础上,研究了采高变化对组合关键破断的影响,即对采场来压步距的影响,进而修正了浅埋煤层开采采场初次来压步距的计算公式.结果表明,以该修正的组合关键层破断距公式计算的大柳塔1203工作面的初次来压步距与实测非常接近.该公式对于地表厚松散层浅埋煤层中的组合关键层的破断距计算具有一定的适应性.     

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.     

水力耦合作用下三维中空裂隙扩展模式与材料破坏强度的试验研究

采用透明树脂类岩石材料制作含三维中空单裂隙试件,开展水力耦合破裂试验,研究三维裂隙起裂扩展模式,分析裂隙倾角和水压对裂隙起裂应力及试件破坏强度的影响规律。研究结果表明:三维中空裂隙的起裂和扩展模式与闭合裂隙相比差异显著,水力耦合下三维裂隙起裂扩展模式呈现低水压与高水压2种类型,水压升高对裂隙起裂、扩展具有显著的促进作用,并改变试件的破坏模式;随裂隙倾角增大,翼裂纹临界扩展长度逐渐减小,鱼鳍状裂纹的萌生时间呈后延趋势;水压对裂隙起裂应力和试件破坏强度的影响分别存在阈值,在达到阈值前,水压升高使起裂应力小幅度增大,而破坏强度逐渐降低;当水压超过阈值后,起裂应力与破坏强度均迅速降低;裂隙起裂应力和试件破坏强度均随裂隙倾角增大而呈先降低后升高的趋势,但起裂应力的变化幅度比破坏强度的变化幅度更大。     

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。     

坚硬顶板群下工作面强矿压显现机理与支护强度确定

采用理论分析、物理相似模拟与工程实践相结合的方法,对坚硬厚层顶板群结构的破断冲击效应进行了分析,得到了工作面采场冲击来压的主要影响因素、来压特征及工作面合理支护强度等.研究表明:多分层坚硬顶板群结构的破断冲击载荷在短时间内会产生剧烈的震荡;工作面来压特征受多分层顶板垮断的动、静载荷联合作用;采场冲击来压强度主要与顶板厚度、岩性及节理弱面有关,对于岩性相近的顶板岩层,厚度越大,对采场的矿压冲击影响也越剧烈,但厚层顶板垮断后的结构对其上覆顶板岩层的冲击载荷强度具有一定的缓冲.以大同矿区坚硬顶板群结构下的煤层开采为例,通过在综放工作面选择应用ZF15000/28/52型高强度支架,保证了首个关键层顶板破断前后的安全开采;同时,采取水压致裂辅助控制上部关键层顶板,有效减缓了工作面强矿压的显现.     

浅埋薄基岩大采高工作面顶板破断特征和来压规律

为了揭示浅埋薄基岩大采高工作面顶板破断运动结构特征,在张家峁煤矿22201工作面辅运顺槽内施工3组钻孔,现场观测不同层位的顶板位移量,钻孔窥视顶板破断位置,实测统计对应的工作面支架工作阻力和超前支架工作阻力。结果表明:工作面上方顶板分层垮落,具有显著的时间和空间效应;顶板破断超前于工作面来压,超前破断距离约15～20 m;顶板冒落带高度15～18 m,平均顶板破断角65°;初次来压形成非对称三铰拱结构,周期来压形成台阶岩梁结构;端头区域内倾向不同层位的顶板呈弧形拱状冒落。工作面初次来压步距为32 m,来压时支架的平均工作阻力11 448 kN/架,周期来压步距为10～15.8 m,平均13 m,来压时支架的平均工作阻力10 343 kN/架,支架选型合理且利用率高;回风顺槽侧超前支承压力显现较明显,超前支承压力峰值位于工作面前方5 m内,显著影响范围约为10 m,一般影响区为15 m.     

采场覆岩的流固耦合损伤分析

在分析浅埋煤层中潜水渗流场与工程开挖应力场相互影响的基础上,建立了厚松散层富含潜水浅埋煤层组合关键层的岩体水力学模型;提出了流固耦合损伤因子,分析了采动覆岩中组合关键层在流固耦合损伤作用下的破坏规律。对浅埋煤层采场来压步距的计算公式进行了修正。以修正公式计算的大柳塔1203工作面的初次来压步距与实测非常接近。这证明该公式对于地表厚松散层浅埋煤层中的组合关键层的破断距计算具有一定的适应性。     

水压致裂提高块煤率的机理及应用

为解决陕北侏罗纪浅埋厚硬煤层综采能耗大、块煤率低的问题,在优化煤层生产工艺基础上,采用煤层超前水压预裂的方法,分析了块煤制造综采面比能耗的影响因素,构建了通过脉冲水预裂技术来降低比能耗并提高厚硬煤层块煤率的方法和途径。通过对厚硬煤层脉冲水预裂破碎机理的研究,揭示了深孔定向脉冲水预裂煤体的破坏规律,分析了不同厚硬煤层水压破岩的预裂方法和工艺参数。研究表明:煤体硬度、煤层节理裂隙的发育程度是影响块煤制造综采面比能耗的主要因素。通过对陕北浅埋煤层典型大采高综采面开展水压预裂的现场试验,发现工作面煤壁截割裂隙线密度增加了约2倍,煤机截割能耗降低了36%,工作面的块煤率提高了25%,煤尘浓度平均降低了35%.同时超前预裂后大采高工作面煤壁片帮减少,试验验证了脉冲水预裂技术降低比能耗提高厚硬煤层块煤率的有效性。     

水力割缝煤体多场耦合响应规律研究

针对水力割缝钻孔周围的扰动裂隙范围以及合理的布孔间距问题,文中建立了水力割缝煤体多场耦合模型。以杨柳矿特定的地质条件为基础,考虑应力场、裂隙场以及渗流场耦合效应,开展了水力割缝钻孔周围瓦斯流场演化数值模拟研究。结果表明:水力割缝钻孔周围存在半径约为2 m的扰动裂隙圈,割缝孔周围瓦斯压力变化曲线存在"陡坡"现象。水力割缝钻孔瓦斯抽采的有效影响半径约为4.6 m,最适布孔间距约为7 m,与现场测试结果相吻合。多孔协同抽采30 d后,钻场控制区域均已消突,抽采效果理想。     

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。     

厚土层覆盖浅埋煤层支架适应性分析

分析了陕西榆树湾煤矿浅埋煤层开采支架的适应性,揭示了厚土层覆盖浅埋煤层开采条件下覆岩层的破坏规律;模型实验表明工作面初次来压步距为70～75 m,工作面初次来压步距相对较大;组合关键层的破断形成大周期来压现象,支架动载系数平均为1.21,支架阻力能平衡顶板压力,满足工作面正常开采时对支护阻力的要求.研究成果对指导工作面采前准备工作具有重要意义.     

采动岩体应变-渗流耦合效应与致灾机理分析

为了研究承压开采背景下顶板岩层破断和渗流规律的时空关系特征,在理论分析的基础上建立了基于有限元数值分析的等效连续介质流固耦合数学模型,嵌入了应变—渗透系数的耦合本构关系,应用于工程实践。得出采场围岩渗透性演化规律、含水层中孔隙压力演化规律及采动破坏区发育范围与渗透性增大区对比关系。研究结果表明:将岩体渗透性演化规律与岩体采动破坏区发展规律共同作为计算和设计防水煤柱的判据,更加符合现场实际;研究成果对厚松散层高承压含水层下安全高效开采具有指导意义。     

特大采高工作面矿压显现规律

为掌握特大采高工作面矿压显现规律,突破采高极限,采用理论分析、相似材料模拟和数值模拟等多种手段,对上湾煤矿特大采高(8.8 m)工作面进行研究.研究结果表明:工作面基本顶初次来压步距为54 m,周期来压步距为12.8~30 m,平均周期来压步距为22 m;主关键层初次破断距为69~79 m,周期破断距为42~48 m,平均周期破断距为45 m;工作面超前支承压力为11.10~12.98 MPa,应力峰值点到煤壁距离为9~13.2 m,影响范围为74~96 m,应力集中系数为2.10~2.40.     

大采高长壁工作面顶板垮落的裂纹板力学模型

针对大采高长壁工作面顶板垮落在空间上具有局部、分段和迁移的特征,结合煤岩体地质特征,将长壁工作面顶板视为含有一定数量边裂纹的弹性薄板,利用弹性力学中的薄板理论建立了裂纹板力学模型.以周期来压过程中长壁工作面的来压规律为研究对象,将弹性薄板在工作面推进过程中的破坏分为裂纹扩展、塑性铰失效和铰接板失稳三个阶段,利用断裂力学和弹塑性力学理论研究了各阶段顶板失稳的条件,求得了使裂纹开裂扩展的应力强度因子K1和裂纹的起裂荷载q的计算公式;得到了第二个阶段中造成塑性铰失效的极限荷载p*;通过分析薄板间的连接及破坏过程研究了第三个阶段铰接板的失稳过程.顶板破坏的三阶段力学分析方法合理地解释了工作面长度方向上顶板的来压特征;顶板第一次垮落完成后,由于应力转移,造成应力集中作用,使得长壁顶板未破断部分再次经历裂纹扩展、塑性铰失效、铰接板失稳这三个破坏过程;造成来压从破坏部位向两边迁移,形成了长壁工作面周期来压过程中矿压显现的迁移特征.研究结果从理论上解释了工作面长度方向上的顶板垮落及来压规律.并结合具体工作面监测信息对理论分析结果进行了验证.     

近浅埋煤层老顶初次垮落规律及控顶措施

以榆阳煤矿2302工作面的开采实践为工程背景,利用"板"和"梁"2种力学模型对近浅埋煤层条件下的老顶初次来压步距进行了分析和计算.结合老顶实际垮落步距确定出适合近浅埋地质条件下的力学模型,并计算了"板"力学模型在不同边界条件下初次来压步距.为了解决老顶初次来压步距过大的问题,根据采场处于不同边界条件下初次来压步距的特点,提出了采用深孔预裂爆破和区段煤柱宽度缩小的方法,使采场处于"两边固支两边简支"的受力状态,以减小初次来压步距,保证初采初放期间工作面顶板安全.     

复合关键层顶板导高分析及防水煤岩柱尺寸的确定

为分析松散含水层下复合关键层顶板导水裂隙带发育高度,以期合理确定采区开采上限标高,本文通过物理模拟实验,研究了该岩性赋存特征顶板覆岩破坏规律及导水裂隙带发育高度,结果表明:近距离赋存的两关键硬岩层呈现非同步破断,距离煤层较近的关键层对采场矿压起主要控制作用;随工作面向前推进,下部关键层形成周期性破断,采场充分开采时上部关键层出现断裂,进而达到采场顶板导水裂隙带发育最大高度49.7m,为平均采高的12.7倍。该实验结果与工程实践中采用并行电法进行导高测试结果相互印证,为该采区留设防水煤岩柱尺寸提供指导依据。     

采动岩体瓦斯渗流规律研究

为了实现瓦斯的高效抽放,解决煤与瓦斯的安全共采问题,采用相似模拟试验和岩石破裂分析系统(RFPA2D)数值计算方法,研究受采动影响的上覆岩层裂隙发育规律和瓦斯渗流规律。结果表明,随着开采工作面推进,顶板出现周期性垮落,老顶垮落步距约为12m,其顶板破断角度约为50°,工作面和切眼上方裂隙发育基本对称,覆岩下沉曲线整体呈左右对称碗状;在卸压带内,煤体膨胀变形生成的大量次生裂隙,增加了煤体的渗透性,覆岩横向离层裂隙和竖向破断裂隙的动态发育变化,为实现煤与瓦斯的共采创造条件。为进一步理解采动影响下煤与瓦斯共采提供了理论基础和科学依据。