孤岛顶煤综放采场冲击矿压形成机制及控制技术

应用覆岩空间结构学术观点对孤岛顶煤综放采场冲击矿压机制及其控制技术进行研究。根据覆岩关键层的岩性、层位、范围等因素,覆岩关键层空间结构分为覆岩空间大结构和基本顶有限矿压结构。孤岛顶煤采场冲击矿压发生机制：①孤岛顶煤综放采场 ? 型空间大结构形成过程是集中压力逐渐增加的过程,是该时间段发生冲击矿压的力源;②采场基本顶形成最下位 ? 型空间结构后,随着工作面推进,基本顶块体产生滑落失稳,造成工作面冲击矿压现象。通过对分段来压理论、基本顶结构失稳理论和坚硬顶板预断裂理论对覆岩关键层空间结构运动的控制作用研究,提出采用覆岩空间结构理论分析、分阶段降低放煤率、坚硬覆岩预爆泄压技术、覆岩坚硬岩层破裂的微地震监测技术等方式方法预防冲击矿压的发生。     

大块度关键块动态结构力学行为及响应特征研究

西部地区采场顶板厚而坚硬，破断岩块常形成大块度关键块，围岩稳定性差，支架响应强烈，研究块体动态结构力学行为对西部地区采场围岩控制具有重要意义。根据大块度关键块相对回转形成的动态结构建立运动力学分析模型，按照块体间几何关系推导出挤压面积随回转角的变化关系，将块体相对回转的动态过程分为3个回转阶段。基于“砌体梁”理论推导出不同阶段块体所受挤压力与回转角的关系，对结构稳定性及力学行为进行分析。结合失稳条件，以支架工作阻力为响应特征，找到回转过程中结构最易失稳点，提出工作阻力确定方法，并得到现场实证。理论计算结果表明，在大块度条件下，随着回转角θ的增大，挤压力T1总体上呈增大的趋势；当块度i<1时，T1随θ变化呈二次抛物线规律变化；而当i>1时，曲线逐渐表现为线性变化，且块度越大T1随θ变化幅度越小。通过失稳条件分析，揭示了大块度关键块在回转初期易发生滑落失稳，而抗回转变形失稳能力较强；针对块度i较大，结构自稳性弱、支架响应强烈的特点，需设计合理的支架工作阻力，分析3个回转阶段受力情况，得出块体处于回转初期与中期的临界角度时最易失稳，并给出该易失稳状态下工作阻力计算公式。     

基于断裂力学的特厚煤层综放开采顶板破断规律研究

针对特厚煤层综放开采过程中矿压显现剧烈支架工作阻力难以确定的问题,结合特厚煤层工作面顶板岩层破断形成的悬臂梁-砌体梁力学结构模型。工作面来压阶段支架工作阻力不足时,引起砌体梁结构下沉使悬臂梁结构回转变形破断,造成上覆砌体梁结构滑落失稳压架使工作面矿压显现剧烈的特点,建立了含中心斜裂纹的悬臂梁结构破断的力学模型,应用断裂力学理论,分析了悬臂梁破断失稳的影响因素,推导了支架荷载的表达式。结果表明：裂纹倾角和长度是悬臂梁破断失稳的主要影响因素;支架荷载除与悬臂梁自身因素有关外,还与砌体梁垮落步距等因素相关。结合塔山煤矿8102综采工作面地质条件,计算了支架荷载的理论值,验证了理论分析的合理性。理论研究成果对于分析特厚煤层开采时的支架荷载的大小,合理选择支架减少顶板事故具有一定的工程实际意义。     

综放工作面覆岩破断和压架的试验研究及预测模型

为研究综放工作面覆岩运动、破断特征及矿压演化规律,依托崔木煤矿302工作面,建立综放工作面开采相似材料模型,观测煤层综放开采过程中顶板的破断特征和矿压显现规律,根据试验结果建立综放基本顶煤壁处断裂的力学分析模型,推导出拉破断临界支护强度计算公式,研究基本顶抗拉强度、作用荷载和顶板厚度对拉破断临界支护强度的影响,形成了综放工作面煤壁处断裂的力学判据,分析崔木煤矿302综放工作面液压支架的支护效果。结果表明,(1)综放工作面推进过程中基本顶悬臂梁长度逐渐增加,与后方断裂顶板形成"悬臂梁-铰接结构",支架处于这种结构保护之下时工作阻力小;(2)若基本顶在煤壁处拉断裂和结构失稳,支架快速增阻,安全阀开启,活柱量下降,易于导致支架压死;(3)随着基本顶作用荷载增大,拉断裂临界支护强度线性增长,但基本顶抗拉强度对拉断裂临界支护强度影响不大。研究结果可为综放工作面基本顶煤壁处断裂和压架灾害预报提供一种方法。     

大块度关键块动态结构力学行为及响应特征研究

西部地区采场顶板厚而坚硬,破断岩块常形成大块度关键块,围岩稳定性差,支架响应强烈,研究块体动态结构力学行为对西部地区采场围岩控制具有重要意义。根据大块度关键块相对回转形成的动态结构建立运动力学分析模型,按照块体间几何关系推导出挤压面积随回转角的变化关系,将块体相对回转的动态过程分为三个回转阶段,基于“砌体梁”理论推导出不同阶段块体所受挤压力与回转角的关系,对结构稳定性及力学行为进行分析,结合失稳条件,以支架工作阻力为响应特征,找到回转过程中结构最易失稳点,提出工作阻力确定方法,并得到现场实证。理论计算结果表明,在大块度条件下,随回转角θ的增大,挤压力T_(1)总体上呈增大的趋势;当块度i1时,T_(1)随θ变化呈二次抛物线规律变化;而当i1时,曲线逐渐表现为线性变化,且块度越大T_(1)随θ变化幅度越小。通过失稳条件分析,揭示了大块度关键块在回转初期易发生滑落失稳,而抗回转变形失稳能力较强;针对块度i较大,结构自稳性弱、支架响应强烈的特点,需设计合理的支架工作阻力,分析三个回转阶段受力情况,得出块体处于回转初期与中期的临界角度时最易失稳,并给出该易失稳状态下工作阻力计算公式。     

典型浅埋煤层长壁开采覆岩采动响应与控制研究

为了进一步完善典型浅埋煤层长壁开采覆岩运动与控制理论,以神东矿区22616工作面为工程背景,采用试验模拟、理论分析与现场应用相结合的方法,研究典型浅埋煤层长壁开采老顶破断特征及地表砂土层载荷传递效应,提出采场支架合理工作阻力计算方法,并成功应用于工程实践。研究结果表明:浅埋采场老顶滑落失稳瞬间,动载显现剧烈,覆岩台阶下沉明显,砂土柱间的摩擦作用导致地表砂土层载荷存在一定的传递效应,并非以其全部自重作用于基岩老顶。基于这一特性,引入岩柱法修正老顶结构经典力学模型参数,改进浅埋采场来压顶板支护力数学模型。理论计算采场初次来压控顶支架最大工作阻力为10 506.8 kN/架,周期来压控顶支架最大工作阻力为7 475.26 kN/架,均与现场观测数据较为吻合,采场ZY11000/24/50型液压支架刚好满足控顶要求,保障了工作面安全、高效开采,为典型浅埋煤层长壁开采工作面支架工作阻力确定及选型提供了重要参考。     

放顶煤采场力学分区及支承压力分析

研究分析了综采放顶煤采煤工作面顶板、顶煤在支承压力的作用下活动和运移规律,总结出综放采煤工作面支架—围岩关系和采面围岩的空间分区特点,对综采放顶煤控制顶板、改善顶煤的冒放性有一定的参考作用。     

松软煤层综放面顶底板采动应力分布规律研究

以某矿综放采场为背景,通过现场实测、相似材料模拟等手段,研究了松软煤层综放开采中液压支架受力状态、两巷单体支柱受力特征和顶底板的采动应力分布规律,结果表明液压支架在工作面不同位置受力状态不同,处于中部位置的支架受力最大,同一支架前立柱受力大于后立柱;风巷围岩应力大于机巷围岩应力,两巷的超前采动应力峰值位置在工作面前3～11m;顶板岩层同一层位中采动应力分布随工作面的距离不同而不同;不同层位应力分布也不同,离煤层越近的岩层中应力集中系数越大;底板岩层在工作面前方6m左右处应力达到最大,在工作面处应力为零。该研究结果有效地指导了该矿井同一煤层综放面巷道布置、两巷支护及工作面顶板管理。     

高产高效综放工作面端面顶板稳定性监测

通过对支架与围岩关系的研究,分析了支架与顶板的相互作用机理,得出支架支护阻力与端面顶板下沉量p–△ld具有类双曲线关系,这种类双曲线关系是高产高效综放工作面端面顶板稳定性控制的基础。根据高产高效综放工作面的开采特点提出了端面顶板监测控制的特点和要求,开发建立了在线监测体系,现场应用取得了良好的技术经济效益。     

浅埋煤层长壁开采顶板岩层灾害控制研究

根据浅埋煤层顶板岩层的赋存特点和长壁开采时基岩老顶的断裂下沉特征,应用初始后屈曲理论和突变理论探讨了初次来压期间基岩老顶的灾害机制和灾害控制,补充了基岩老顶破断后控制岩块滑落失稳的充分条件和岩块触矸前后台阶下沉的判据,确定了台阶下沉量,给出了控制台阶下沉和维持顶板稳定的支护力计算公式,并以神东矿区大柳塔1203工作面为例给出了工程实例。研究发现,顶板破断后岩块处于不平衡状态,台阶下沉的机制是结构的滑落失稳;岩块触矸前后的台阶下沉分别与断裂下沉和开采高度之间存在着确定的关系;顶板强烈来压主要是由结构滑落失稳造成的,控制台阶下沉的实质是控制岩块沿煤壁的滑落失稳。研究结果表明,综合应用初始后屈曲理论和突变理论,可根据顶板结构的赋存状况和结构特征,确定基岩老顶触矸前是否会出现全厚度切落;根据工作面的开采高度和采空区有效充填厚度等,可确定基岩老顶触矸后岩块的运动形式;根据顶板的破断步距、断裂下沉量和岩块摩擦因数等,可确定岩块触矸前后控制台阶下沉的支护力     

Flow of top coal and roof rock and loss of top coal in fully mechanized top coal caving mining of extra thick coal seams

This study investigates the flow and caving characteristics of top coal and roof rock, as well as top coal loss pattern in the fully mechanized top coal caving mining of extra thick coal seams. The two dimensional discrete element numerical simulation software program, particle flow code (PFC), is used for the simulation of top coal caving and the inversion analysis. The original locations, distribution, and migration pattern of caved top coal and lost coal were obtained. The analysis shows that in the initial site of caving, the caved bodies are in the form of arc shaped strips in front of the working face. During the caving, caved bodies of different heights move towards the lower rear of the face at different speeds. The lost coal and caved roof rock are originally located at the interface between coal seam and roof, the lost coal is mainly distributed in the goaf on the floor. Behind the support, the caved top coal bodies originally are arc shaped strips, with the highest points located at the midline of the caving opening. The strips are more curved near the goaf than those near the support. During top coal caving, the strips successively cave, with the adjacent outer strip replacing the caved one. The variations of top coal loss and waste rock ratio with time reflect the different phases of top coal caving. In order to improve coal recovery and limit the amount of caved roof rock, the waste rock ratio should be controlled below 10 %. When the waste rock ratio reaches this value, the caving opening should be closed. This paper provides theoretical bases for the improvement of top coal recovery in the fully mechanized top coal caving mining of extra thick coal seams.     

厚砂砾含水层下特厚煤层综放开采防治水技术研究

水帘洞煤矿地表水系发育,煤系地层上覆的白垩系洛河组和宜君组巨厚层状砂砾岩含水层,含水丰富,对矿井的安全开采构成了威胁。在详细分析矿区顶板含水层特征、隔水层岩性组合特征及隔水性能基础上,采用比拟法计算了综放条件下顶板导水裂隙带发育高度,并用数值法研究了不同采宽条件下顶板导水裂缝带发育规律,预计了工作面涌水量,为评价煤矿综放条件下工作面安全回采可行性提供了科学的依据。     

特殊构造条件下煤炭综放开采顶板涌水机理及防治

煤炭资源开采中采场顶板水水害是威胁工作面安全生产的灾害之一。以兖州矿区东滩煤矿综放开采14310工作面在回采过程中的涌水情况为例,在分析地质和水文地质条件基础上,从构造控水机理出发,分析了工作面特殊构造条件下顶板砂岩含水层的赋存规律和涌水规律,实施了14310工作面安全回采的探、放水工程、泄水巷工程和完善排水系统等相关水害综合防治方法,最终实现了工作面的安全回采。      

Investigation into the Behaviour of a Support System and Roof Strata During Sublevel Caving of a Thick Coal Seam

Monitoring of strata control parameters and behaviour of a powered support was carried out during an experimental trial of a mechanized longwall sublevel caving face for exploitation of a 7.5m thick coal seam. Field observations indicated that the requirement of support density for underwinning of top coal by sublevel caving under intact strata is different from that for underwinning under broken and fractured rock mass. Analysis of the leg closure observations and support resistance variations during different mining cycles showed rapid increase of the setting load density of the support in relation to the yield load density. This resulted in a large amount of leg closure during mining cycles of the sub level caving face under broken rock strata. Due to operational constraints, the field observations could not provide enough information to visualize the behaviour of the overlying rock strata. Simulation of the field conditions was therefore performed on a physical model to bridge this gap of information. Results of laboratory investigations on the physical model are combined with those of the field to explain the critical behaviour of the support system during sublevel caving under broken rock strata.     

阳泉高瓦斯大采长综放面瓦斯涌出规律研究

适当加大综放工作面长度已成为煤矿高产高效主要发展方向之一,但工作面采长加大后,瓦斯的涌出量加大,对安全生产带来隐患。通过分析阳泉煤矿三矿综放工作面采长增加后瓦斯涌出量的变化特征,对采长200m以下和200m以上的综放工作面瓦斯涌出影响因素进行了对比研究,认为综放工作面采长增大后,邻近层垮落卸压范围增大,吨煤瓦斯涌出量增加27%;瓦斯涌出总量的增加主要取决于卸压影响范围体积的增加和煤层开采产量的增大。     

Simulation of Asymmetric Destabilization of Mine-void Rock Masses Using a Large 3D Physical Model

When mechanized sub-horizontal section top coal caving (SSTCC) is used as an underground mining method for exploiting extremely steep and thick coal seams (ESTCS), a large-scale surrounding rock caving may be violently created and have the potential to induce asymmetric destabilization from mine voids. In this study, a methodology for assessing the destabilization was developed to simulate the Weihuliang coal mine in the Urumchi coal field, China. Coal-rock mass and geological structure characterization were integrated with rock mechanics testing for assessment of the methodology and factors influencing asymmetric destabilization. The porous rock-like composite material ensured accuracy for building a 3D geological physical model of mechanized SSTCC by combining multi-mean timely track monitoring including acoustic emission, crack optical acquirement, roof separation observation, and close-field photogrammetry. An asymmetric 3D modeling analysis for destabilization characteristics was completed. Data from the simulated hydraulic support and buried pressure sensor provided effective information that was linked with stress–strain relationship of the working face in ESTCS. The results of the 3D physical model experiments combined with hybrid statistical methods were effective for predicting dynamic hazards in ESTCS.     

孤岛综放面冲击地压前兆信息识别及多参数预警研究

孤岛综放工作面强烈的动压显现使得其发生冲击地压的可能性大大增加,通过运用微地震和电磁辐射综合监测手段分析孤岛综放工作面两次强动压显现事件,获得了工作面煤体发生冲击地压前后能量积聚与释放规律及相应微震和电磁辐射监测数据变化规律,认为工作面煤体发生冲击地压前一般存在一个短暂的能量积聚期,在能量积聚期内微震系统监测到的微震事件的次数和总能量均较少,同时能量积聚期内煤体电磁辐射强度值和脉冲数均持续升高。将工作面微震事件的沉默期以及煤体电磁辐射强度值、脉冲数的持续升高期作为冲击地压的综合前兆信息,并将其转换为量化的预警参数和指标,建立了工作面冲击地压多参数预警方法。现场实践表明,危险识别与灾害预警效果良好。     

高强度开采工作面矿压显现的面长和推进速度效应

高强度开采工作面矿压显现复杂,容易发生压架、冒顶等灾害。为从理论上解释高强度开采工作面的矿压特征,分析了高强度开采工作面的一般特征及其对矿压显现的影响,以顶板初次断裂为例,运用薄板理论并结合岩石力学试验成果,推导出不同面长和不同推进速度下顶板断裂步距的计算公式,并分析了面长和推进速度对来压时支架工作阻力的影响机制。结果表明,面长影响顶板应力分布,推进速度改变顶板承载能力,而且面长越短,推进速度越快,顶板的初次断裂步距就会越大。对于高强度开采工作面,面长普遍大于200 m,面长效应影响微弱,矿压显现主要受推进速度作用,断裂步距和来压时支架工作阻力都比非高强度开采工作面大,容易发生压架和冒顶等灾害。