近浅埋煤层大采高工作面双关键层结构分析

根据实测统计分析,近浅埋煤层大采高工作面支架载荷普遍较大,且随采高增大有增加的趋势,工作面来压存在大小周期,厚度较大的等效直接顶静载是工作面支架的基本载荷。通过物理模拟实验,揭示了大采高工作面直接顶变厚和顶板结构铰接点上移的机理,提出了"等效直接顶"的定义,建立了近浅埋煤层大采高工作面顶板"双关键层"理论。近浅埋煤层大采高工作面顶板主要表现为"双关键层"结构,根据等效直接顶对采空区的充填程度,双关键层顶板结构分为"双砌体梁"和"斜台阶岩梁-砌体梁"两类,常见的是"斜台阶岩梁-砌体梁"双关键层结构。建立了双关键层顶板结构模型,揭示了工作面出现大小周期来压的机理,给出了支架初撑力和工作阻力的计算公式,可为近浅埋煤层大采高工作面顶板控制提供理论依据。     

浅埋煤层群采场周期来压顶板结构及支架载荷

现场勘查发现,神府矿区浅埋煤层群间隔岩层厚度大多在15～45 m时,间隔岩层易存在单一关键层结构。文章通过现场实测得出了浅埋煤层群开采周期来压的基本特征:来压步距减小、强度增大、煤壁片帮严重,动载现象、台阶下沉现象和大、小周期来压现象明显。物理相似模拟实验揭示了间隔岩层关键层与上煤层已扰动关键层同步与非同步破断的大、小周期来压机理,发现了间隔岩层关键层与已扰动关键层共同形成的"梁-拱-壳"结构形态,给出了上煤层已扰动关键层结构形态的判别方法,得出了浅埋煤层群开采顶板周期破断可形成"台阶-台阶"、"砌体-台阶"、"砌体-砌体"的基本结构。综合建立了浅埋煤层群开采间隔岩层周期破断结构与力学模型,给出了支架受动静载荷作用的工作阻力计算方法,并得到了现场验证。     

浅埋煤层开采顶板切落条件下支架动载效应

针对浅埋煤层开采周期来压过程中顶板沿煤壁切落时对支架造成冲击的现象,根据基本顶回转切落造成直接顶岩体非线性破坏特征,建立了由基本顶-直接顶-支架-采空区矸石组成的力学模型,应用突变理论和岩石动力学方法,推导了直接顶失稳前后基本顶切落荷载作用下的支架压缩量表达式,分析了顶板切落过程中的动载效应,获得了顶板切落条件下支架工作阻力。研究结果表明：基本顶回转切落和直接顶失稳破坏是造成支架冲击的主因,直接顶岩体变形的突变量决定了冲击荷载的大小,系统失稳时的支架荷载除了与基本顶的周期来压步距、上覆岩层荷载、直接顶厚度有关外,还与支架和直接顶岩体的刚度比、直接顶岩体性质等因素相关。     

近浅埋煤层开采顶板垮落步距分析

以榆阳煤矿2302工作面的开采实践为工程背景,利用"板"和"梁"两种力学模型对近浅埋煤层开采基本顶初次来压步距进行了分析和计算,结合基本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。为了解决基本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。     

7.0m支架综采面矿压显现规律研究

基于神东矿区补连塔煤矿22303工作面矿压实测结果,对世界首个7.0 m支架综采面不同开采阶段的矿压显现规律进行了总结,并结合神东矿区各类大采高综采面的矿压显现,对比分析了不同采高综采面矿压显现规律的差异。结果表明:上覆遗留煤柱区下开采时7.0 m支架工作面矿压显现正常,但在临近推出煤柱区时,工作面内煤壁片帮现象严重,直接导致刮板板输送机被压死。而长壁采空区下开采时,7.0 m支架工作面在煤层间单一关键层结构和2层关键层结构区域呈现出不同的矿压显现。煤层间单一关键层结构区域,关键层距离煤层越近,矿压显现各项参数(除来压步距外)越大;而在煤层间2层关键层结构区域,工作面来压步距及动载系数呈现出大小交替的周期性变化规律,且大来压步距对应小动载系数。通过对比7.0 m支架综采面与神东矿区其它几个大采高综采面的矿压显现规律发现,随着采高的增加,支架支护强度缓慢增加,而动载系数随之减小,且采高越大、亚关键层1距离煤层越近,越易形成亚关键层1的"悬臂梁"结构,从而来压持续长度越长。     

沙土质型冲沟发育区浅埋煤层长壁开采支护阻力的确定

基于沙土质型冲沟坡体下浅埋煤层长壁开采顶板结构承受非均匀载荷的基本特征,采用理论分析与现场实测的方法,以工作面背沟推进为主要方式,将冲沟坡体及其形态纳入顶板结构控制当中,结合冲沟坡体下开采基本顶初次破断与周期破断时的顶板结构力学模型,按给定失稳载荷状态,分析了工作面来压期间的“支架－围岩”作用关系模型,得到了控制顶板结构滑落失稳的支护阻力。结合具体工作面地质条件,分析了支架工作阻力随工作面推进的变化特征,给出了支架支护阻力算例,针对该工作面支架支护阻力进行的现场实测结果验证了该方法的可靠性。     

浅埋煤层房柱式采空区下长壁开采矿压显现特征

以鄂尔多斯地区浅埋煤层房柱式采空区下煤层长壁开采为主要研究对象,通过理论分析、现场矿压实测等方法,得出房柱式采空区上部覆岩在一定的采高范围内存在叠合梁结构,并且上位基本顶结构为固定梁,下位基本顶结构为悬臂梁,房柱式采空区煤柱及以下顶板构成直接顶;在上位固定梁的回转力矩作用下,下位悬臂梁周期性折断,其动载荷通过房采区煤柱传递给采场支护结构。上位悬臂梁与下位悬臂梁失稳的不同周期性,会引起工作面周期来压的不等距和来压强度的不等强性,是长壁采场支架失稳的主要原因。     

南梁厚土层浅埋单体长壁工作面矿压规律实测分析

在南梁煤矿首采工作面20105采前实验研究的基础上进行了现场观测，实测了活柱的下缩量、工作面顶板的移近量、顶板的来压强度以及巷道变形破坏参数，总结了厚土层覆盖层浅埋煤层单体长壁工作面的矿压显现规律．实验和观测表明，厚土层覆盖浅埋煤层工作面初次来压步距大，矿山压力显现剧烈，周期来压台阶下沉量大．针对目前顶板的支护状况和顶板灾变危险，提出了提高支柱初撑力等改善措施，为实现厚土层覆盖浅埋煤层单体长壁工作面安全开采提供了可靠依据．图7，参8．     

复杂条件综放工作面矿压显现特征

根据乌兰煤矿3^#煤层5343综放工作面的复杂开采条件，采用现场矿压观测和数值模拟方法，对该工作面的矿山压力显现特征进行研究．结果表明，工作面顶板初次来压步距24．2m，周期来压步距9．41m，来压期间支架最大平均载荷2775．5kN／架，支架的侧向挤压力较大，工作面片帮冒顶严重，工作面顶板管理难度大．由于受顶板稳定性较高和煤层倾角较大的影响，与一般的松软煤层综放工作面相比，该工作面的矿山压力显现相对比较剧烈，顶板来压强度较大，工作面存在明显的周期来压现象．     

浅埋煤层大采高工作面矿压规律及顶板结构研究

基于对榆神府矿区的大量实测分析,得出大采高工作面支架阻力随采高的增大呈现非线性增大,在采高增大到6 m后支架载荷迅速增大。支架动载系数随采高的变化不大,一般为1.4左右。工作面顶板来压步距随采高变化不大,初次来压步距35~70 m,周期来压步距9~20 m。顶板垮落带高度为采高的2~4倍,随采高的增大线性增大。工作面超前支承压力峰值随采高的增大略有降低,峰值位置与煤壁距离约为采高的2倍。根据现场实测和物理模拟分析,大采高工作面顶板形成"厚等效直接顶",使基本顶关键层铰接结构层位上移。根据直接顶充填条件,可分为充分充填型和一般充填型两类。针对常见的一般充填条件,提出了大采高工作面顶板的直接顶"短悬臂梁"结构和基本顶关键层"高位斜台阶岩梁"结构模型,给出了工作面额定支护阻力的计算公式,揭示了大采高工作面来压机理。最后,对理论计算公式进行了实例验证。     

浅埋煤层长壁开采顶板岩层的后屈曲性态

根据浅埋煤层顶板岩层的赋存特点和长壁开采时关键层的变形破断特征，应用初始后屈曲理论探讨了开采过程中顶板关键层的后屈曲性态，得出了老顶初次来压时顶板的临界载荷和破断步距，确定了顶板破断后的极限下沉量和回转角，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，顶板上覆厚松散沙层对关键层的后屈曲性态有影响；顶板从破断至极限下沉其平衡路径不稳定.应用初始后屈曲理论可揭示浅埋煤层长壁开采顶板岩层的分叉点平衡构形及后屈曲平衡路径的稳定性，是确定非完善结构位移场的一种有效方法.     

浅埋煤层关键层研究

根据浅埋煤怪的特点,提出了覆岩全厚整体台阶切落的判断公式,补充了关键层理论在浅埋煤层应用中的判定准同。分析了不同覆岩岩层关键层的层位,指出地表厚松散层浅埋煤层覆岩中两层坚硬岩层均为关键层,为其长壁工作面来压剧烈的原因提出了供理论依据。     

浅埋沿空留巷切缝顶板断裂条件及移动规律研究

根据浅埋煤层顶板断裂后岩块间水平挤压力较小难以形成砌体梁的特点,分析了切顶卸压沿空成巷下的巷道顶板断裂结构,建立了下位切缝上位弯曲裂缝的双边悬臂梁的断裂力学模型,推导了沿空巷道侧向基本顶沿切缝结构面裂缝扩展断裂时的切顶工作阻力;建立了侧向基本顶两种不同顶板断裂位态下围岩结构数值模型,得出了两种断裂位态下的结构移动变形规律。当切顶阻力Q?ql时,巷道顶板沿煤壁内一定深度内断裂,空区侧弧形三角板直接顶的倒台阶悬臂结构可向沿空巷道围岩传递较大破断动载和覆岩移动压力;而当切顶阻力Q≥ql并与切缝联合切顶同时作用时,则可使得垮落带内直接顶和低位基本顶沿切缝结构面断裂滑落失稳,实现顶板断裂位态主动控制,减小弧形三角板侧向悬臂传递覆岩荷载的结构长度,优化顶板承载结构和围岩应力,降低巷旁支护体承受的附加荷载。同时切落后碎胀的矸石及时充填空区将上覆岩触矸点前移,减缓了上覆岩下沉和旋转变形作用力。哈拉沟矿浅埋薄基岩大断面复合顶板切顶成巷试验结果表明:沿空巷道超前切缝可减小侧向顶板区域支架工作阻力和直接顶垮落步距,降低岩板破断引起的冲击动载,实际切顶阻力与理论计算分析结果较为吻合。     

厚土层浅埋煤层覆岩运动破坏规律研究

通过南梁煤矿首采工作面采前的实验研究和开采时的现场观测，分析了工作面顶板的移动、来压强度以及巷道变形破坏情况，总结了厚黏土覆盖层浅埋煤层单体长壁工作面的矿压显现规律．实验和观测表明，尽管其上覆岩层的力学强度比较小，煤层埋深浅，但工作面初次来压步距大，矿山压力显现剧烈，周期来压台阶下沉量大．在此基础上，提出了加强支护来预防顶板大面积垮落．这为实现厚黏土层覆盖浅埋煤层单体长壁工作面正常开采提供了可靠的理论依据．     

浅埋深厚煤层综放开采顶板断裂力学模型

根据浅埋深特厚煤层综放开采采高大，采空区垮落矸石不充分，不能有效支撑老顶岩梁，造成老顶架后切落的特点，建立了老顶断裂力学模型，利用断裂力学理论推导了老顶的断裂步距和支架的合理工作阻力.结果表明，老顶的断裂步距不仅与老顶的岩性特征和上覆岩层的荷载有关，而且与支架的工作阻力和水平挤压力有关.对平朔安家岭地下矿综放开采支架合理工作阻力进行分析，理论结果和实测结果比较一致.     

特厚煤层综放开采支架工作阻力的确定

采用理论分析的方法对特厚煤层综放开采顶板岩层所成结构及支架工作阻力进行了研究.根据特厚煤层综放开采顶板岩层形成的“悬臂梁-铰接岩梁”结构,给出了直接顶、基本顶的新概念及判据;得出了特厚煤层综放开采支架工作阻力的解析计算式,并进行了实例验证.最后对所选架型现场的动态承载特征及其适应性进行了分析.结果表明：依据支架工作阻力解析式计算结果所选架型可靠性高、支架运行合理,利用率高,对工作面顶板条件适应性较好。     

Analysis of main roof breaking form and its mechanism during first weightingin longwall face

By field observation and simulating test in shallow seam Iongwall mining, the asymmetry breaking of main roof is discovered during the first weighting. Based on simulating model test and theoretical analysis, the mechanism of main roof first breaking is revealed, and the asymmetry breaking parameter is determined at all.     

浅埋煤层开采顶板切落压架灾害的突变分析

针对浅埋煤层开采周期来压过程中顶板沿煤壁台阶下沉导致顶板切落压架灾害的问题,根据直接顶岩体在支承压力作用下破坏失稳的非线性变化特征,建立了由基本顶-直接顶-支架-矸石组成的系统力学模型。利用突变理论研究了荷载作用下系统的失稳机制,获得了系统失稳的充要条件及直接顶岩体的变形突跳量表达式,分析了系统失稳的主要影响因素。结果表明:直接顶的失稳破坏,导致了顶板的切落,系统失稳除与支架和直接顶岩体的刚度比及材料参数有关外,还与所受载荷及基本顶周期来压步距相关。结合工程实例,验证了理论推导的合理性,并给出了工程建议。     

浅埋煤层长壁工作面矿压规律及关键块失稳分析

 为研究浅埋煤层长壁工作面的矿压规律和顶板结构稳定性,以榆阳煤矿1307长壁工作面为工程背景,设计了矿山压力观测方案并进行了现场观测。总结分析了浅埋煤层长壁开采时矿压显现规律和浅埋煤层上覆岩层破坏规律,得出初次来压步距为78m,二次来压是在工作面推进至93米,工作面周期来压步距范围在6.4～8.1m;通过对关键块的失稳分析,得出最大开采高度应小于2.31m,关键块不发生滑落失稳的系数要求大于等于1,而实际计算的系数仅为0.4,在实际开采过程中工作面中后部采空区顶板每隔一段时间会发生突然垮落,造成倒架、折梁断柱等现象,为同类浅埋煤层的开采提供一些借鉴和参考。     

浅埋厚硬顶板特厚煤层综放工作面矿压显现规律及控制技术研究

针对榆神矿区曹家滩煤矿浅埋厚硬顶板特厚煤层综放工作面矿压显现强烈、强动载来压现象频发的问题,对工作面强矿压显现规律进行了研究总结。研究得出：工作面周期来压步距平均18.4m,来压持续距离平均11.5m,动载系数平均1.45,来压主要影响35#—125#支架,具有来压动载强、来压持续时间长、来压区域性明显、周期性出现强矿压等特点,工作面平均每间隔135m出现一次大周期来压,大周期来压时一般出现连续性强来压,并伴随支架安全阀大范围长时间开启(安全阀开启比例50%以上)、支架活柱持续性快速下缩(支架最大下缩量超过2.0m)等现象。为减小坚硬顶板带来的强矿压威胁,采用井下定向水平长钻孔区域压裂技术对工作面坚硬顶板进行超前预裂。压裂后,工作面矿压显现强度明显减弱,未再发生顶板快速下沉的强矿压现象,顶板来压更加可控,支架工况得到明显改善,取得了良好的应用效果,对榆神矿区浅埋厚硬顶板工作面强矿压治理具有借鉴意义。