大倾角煤层长壁开采顶板应力传递路径倾角效应

大倾角煤层安全高效开采的关键是对围岩的有效控制,而发现并揭示围岩采动应力的时空演化特征及其倾角效应是围岩稳定性控制的基础。以新疆某矿25221工作面为工程背景,采用现场实测、理论分析与数值计算相结合的研究方法,在综合厘定与分析工作面矿压显现一般规律及其成因的基础上,研究顶板采动应力传递路径的时空演化特征及其倾角效应。结果显示：在大倾角煤层开采中,顶板采动应力随工作面推进的动态演化过程先后经历了增长期和稳定期,其对应支承压力峰值的演化呈现为先增大后趋于稳定的特征。受煤层倾角影响,顶板采动应力的三维传递演化沿走向对称、沿倾向非对称。在倾向剖面内,顶板应力的传递路径呈非对称拱形形态,且沿顶板自上而下,应力偏转位置由工作面倾向中轴线左侧逐渐向其右侧迁移,上覆岩层载荷以应力偏转界线为界,分别向倾向上、下侧煤体传递,造成倾向上侧支承压力集中系数大于下侧。在工作面走向剖面内,围岩应力的传递路径呈扁平拱形态,扁平拱两侧半拱形区域上覆岩层载荷除了向工作面走向两侧煤体传递外,亦向工作面倾向上、下侧煤体传递,而扁平拱中间直线段区域上覆岩层载荷主要向倾向上、下侧煤体传递。随着煤层倾角的增大,围岩应力传递演化的...     

大倾角煤层群长壁开采承载拱与间隔岩层采动应力演化特征

大倾角煤层群开采过程中，受重复采动影响，采动应力在间隔岩层中的演化规律复杂，揭示间隔岩层采动应力传递与三向应力状态演化特征是实现该类煤层群绿色高效开发的核心。采用物理相似材料模拟实验研究了大倾角煤层群长壁开采围岩变形破坏的演化特征，采用数值模拟分析了围岩采动应力传递演化规律，揭示了间隔岩层三向应力状态演化特征，量化表征了第1主应力大小渐变、方向偏转的演变规律。研究结果表明：大倾角煤层群开采过程中，间隔岩层历经了“原岩应力状态-上煤层开采卸压-矸石非均衡约束-下煤层开采卸压”的扰动历程，最终产生非对称变形破坏。间隔岩层的破断失稳将使得上、下工作面开采过程中各自形成的承载拱演化成包络2个工作面在内的“大范围”承载拱，其承载拱上拱脚位于下工作面回风巷，下拱脚位于上工作面的运输巷，控制岩层变形破断内在的“大范围”应力传递拱壳亦呈现出类似的演化特征。低位间隔岩层受采动影响程度剧烈，应力释放程度较大；中位岩层压、拉状态发生改变的位置较低位向倾向下部偏移；高位岩层压、拉状态产生改变的位置位于上层煤底板临空面位置处，岩层由三向受压状态转化为单、双向受压状态。间隔岩层沿工作面倾向自下而上可分为上层煤增压...     

不同煤层倾角对围岩及顶底板影响的数值模拟

以安徽某煤矿倾角煤层采煤工作面的开采为工程背景,通过FLAC3D大型模拟软件对不同煤层倾角采煤工作面开采后采场围岩及顶底板矿压分布规律进行研究。研究结果表明:倾角对煤层工作面开挖后采场围岩应力分布、支承压力的分布有显著影响。倾角煤层工作面开采后,采场顶板岩层的变形、破坏和运动形式不同于一般煤层工作面且采场顶板应力分布是不对称的。     

急倾斜短壁综放采场围岩采动应力演化规律

以新疆龙泉煤矿3-3c急倾斜煤层水平分段短壁综放开采为工程背景,通过物理相似模拟实验和数值计算相结合的研究方法,分析了多分段采场围岩变形破坏规律,量化表征了第一主应力大小、方向演化特征,揭示了采动应力传递演化机理,确定了急倾斜煤层短壁综放开采合理阶段高度。研究结果表明：急倾斜煤层短壁综放采场围岩应力传递路径呈非对称偏转特征,沿采空区上方顶板形成非对称应力包络拱,采空区倾斜中上部岩体应力释放,分段底部靠近顶板侧岩体应力集中。开采一分段至三分段过程中,顶板垮落高度与裂隙发育增幅较小,应力拱高度与采高比值相近,第一主应力集中峰值较小、应力偏转程度较低,多分段采场围岩结构稳定性较好。开采至四分段,顶板发生大面积垮落,垮落矸石冲击底板诱发滑移破坏,发生围岩大范围链式灾害,应力拱高度突增,拱高与采高比值增大。确定合理阶段高度为3个分段高度30 m左右,能有效防止围岩失稳突变诱发链式灾害,从源头消弭采场动力灾害的产生。     

大倾角煤层长壁开采底板非对称破坏形态与滑移特征

底板破坏滑移是大倾角煤层开采亟待解决的关键问题之一,以2130煤矿25221大倾角综采工作面为研究背景,采用理论分析、数值计算和现场监测相结合的研究方法,系统研究了底板的破坏和滑移特征。结果表明,在采动应力和支架载荷作用下底板的力学性状发生改变,由层状连续介质状态演化为具有"结构体+结构面"的块裂介质状态;底板沿工作面倾向的破坏形态呈现为下大上小的非对称反拱,其最大破坏深度位于工作面倾向下部区域,且其破坏深度和范围随着煤层倾角的增大而减小;支架载荷对底板破坏影响有限,主要涉及采场直接底岩层;在底板重力倾向分量及支架和相邻块体载荷作用下,当滑移体存在临空面、滑移体所受主动力与滑移面相交、且主动力合力与滑移面法线方向的夹角大于滑移面的摩擦角时出现底板滑移,且底板岩体结构失稳滑移的概率随着煤层倾角的增大、支架倾斜幅度和范围的增大、直接底破碎程度的增大而增大。     

大倾角走向长壁工作面局部充填无煤柱开采理论与技术

大倾角煤层走向长壁采场围岩结构及应力环境异化,工作面不同位置“支架-围岩”系统的构成因素及灾变模式不同,导致工作面安全事故频发、煤炭采出率较低、巷道掘进率高。通过对大倾角采场围岩采动力学行为的分析,提出了大倾角走向长壁工作面局部充填无煤柱开采技术构想,工作面走向推进过程中沿倾向对采空区下部进行局部充填,充填体既与巷旁支护作用形成沿空巷道,取消区段保护煤柱,实现大倾角煤层无煤柱开采,又增大了工作面倾向下部充填压实区长度,加强了工作面“支架-围岩”系统稳定性。根据大倾角走向长壁采场特点,优选确定了大倾角膏体局部充填工艺,设计了大倾角局部充填回采系统、采充工艺。并采用理论分析、模拟实验、数值计算等相结合的方法,分析了局部充填对大倾角走向长壁采场围岩采动力学行为的调节机制。结果表明：充填体影响基本顶岩梁的变形破坏及采场倾向下侧煤岩体承载特征,基本顶、运输巷顶板变形量及运输巷倾向下侧煤岩体所受约束均随充填长度的增大而减小;为防止采空区未充填区悬顶灾害,充填长度不应超过工作面长度的1/3。局部充填体限制了工作面下部区域顶板破断,降低覆岩关键域形成层位,形成稳定的巷帮,减小沿空留巷围岩变形量;同时工...     

大倾角大采高采场覆岩应力路径时空效应

为揭示大倾角大采高采场覆岩变形破坏的时空演化特征及应力路径效应,以2130煤矿25221工作面为研究背景,采用3DEC数值模拟方法,在对覆岩变形破坏时空演化特征的综合厘定与分析的基础上,提出了大倾角采场上覆岩层在采动应力作用下的扰动分区,量化了采场沿工作面走向、倾向及不同层位覆岩采动应力路径的空间演化规律,揭示了采场空间不同区域覆岩采动应力与断裂失稳过程中的对应关系。研究结果表明：在大倾角大采高开采中,重力-倾角效应作用下矸石呈现非均匀充填特征,导致覆岩垮落形态及顶板承载拱在采场空间均呈现出典型的跨层迁移转化特性,包络面内中上部区域“倒三角临空面+倾斜砌体结构+高位梯阶岩层”形成空洞现象,“高位梯阶岩层”失稳易诱发“倾斜砌体结构”同时断裂,对支架形成较大的冲击动载荷。工作面煤层开采导致采场上覆岩层的三向采动应力大小、方向均发生了显著变化。沿工作面走向,覆岩最大主应力演化先增大再减小,最小主应力则先减小再反向增大,最大和最小主应力沿推进方向的垂直平面内向采空区旋转,上覆岩层的极限平衡状态界面沿工作面倾斜方向呈非对称展布。沿工作面倾向,煤柱侧上方岩层产生应力集中,工作面上方岩层卸荷,覆岩层...     

近距离煤层大倾角工作面采空区下安全开采技术研究

 以近距离煤层大倾角工作面采空区下开采为研究背景,针对煤壁片帮、顶板冒落及支架、运输机下滑的机理进行了分析。文章认为,上覆煤层采空区遗留煤柱造成应力集中,采场二次采动破坏加剧了工作面煤岩体的变形,其整体强度降低,煤层倾角及底板破坏深度对支架及运输机下滑的影响比较大,文章提出了针对性的安全开采控制技术,实现了工作面的安全开采,对类似条件下工作面安全开采提供了有益的指导作用。     

基于界面模型的煤岩体冲击破坏特性研究

煤岩两体结构是煤岩体发生冲击破坏时的基本结构,采用RFPA数值软件探讨煤岩体中界面倾角与深部开采条件下围压对煤岩体冲击失稳破坏的影响。模拟结果表明:煤岩体的声发射能量特性与抗压强度呈现相同的变化规律,倾角越大,冲击破坏的危险性越低,界面滑移破坏的危险性越高;煤岩体在高地应力大倾角下抗压强度大小主要由围压来决定。煤岩体的破坏模型以45°倾角为界限,分为压剪破坏和界面滑移破坏2种,当α<45°时,煤岩体呈现压剪破坏特征;当α≥45°时,破坏模式转变为以煤岩交界面的滑移破坏为主。     

大倾角煤层开采围岩空间非对称结构特征分析

基于目前大倾角煤层开采研究成果和工程实践,结合理论分析、相似材料模拟实验、多元数值仿真技术结果,建立了大倾角煤层采场力学模型。分析认为,采场围岩具有非对称应力特征,岩层破坏易形成倾向堆砌和反倾向堆砌结构,且岩层沿倾向不同区域存在不同的破坏结构形式;同时,大倾角煤层采场存在三维“似壳”力学结构,其倾向和走向剖面包络形状可以用包含煤层倾角、开采高度、工作面倾斜长度、顶板岩性等参数非线性二次函数来表示。     

大倾角软岩回采巷道围岩失稳特征及支护分析

通过对大倾角煤层软岩回采巷道失稳特征的理论分析,建立了大倾角煤层软岩回采巷道围岩失稳状态方程,结合耦合支护思路分析,提出了大倾角煤层软岩回采巷道耦合支护方案,并运用数值计算、相似模拟实验及现场支护试验监测对回采巷道耦合支护方案进行综合分析。结果表明:回采巷道顶板失稳呈弧形非对称破断,两帮失稳主要表现为三角形破断体剪切滑移,破坏严重处位于帮角上部,顶板偏中上部破断是围岩失稳诱发点,围岩稳定性与煤层倾角、剪切面长度及煤岩体物理力学参数有关。巷道支护后,沿煤层倾向围岩塑性破坏区较小,顶板离层量保持在合理范围内,提高两帮支护强度利于巷道围岩稳定。     

大倾角煤层大采高综采围岩运移与支架相互作用规律

为了研究大倾角厚煤层大采高综采围岩运移规律,采用现场实测、数值模拟和相似材料模拟实验相结合的方法,分析了大倾角大采高采场围岩运移、顶板结构和"支架-围岩"相互作用特征。结果表明:其采场围岩运移规律与一般采高大倾角煤层相似,具有明显非对称性;但大采高采场围岩的运移特征更为活跃,初次来压和周期性来压步距均明显减小,来压强度增大,并伴有煤壁片帮现象。采空区垮落顶板的滚滑、充填空间增大,破断基本顶易形成反倾向堆砌结构,工作面下部充填压实程度增加,导致工作面顶板受力非均衡性更明显,采场覆岩易形成多级梯阶岩体结构。顶板与支架的接触及施载特征更为复杂,支架载荷变化幅度增大,架间相互作用明显,工作面装备防倒、防滑难度加大。     

大倾角煤层开采围岩的力学行为研究

针对大倾角工作面上覆岩层运动和破坏特征、支承压力分布规律及其对开采的影响,以走向长壁大倾角综采工作面为工程背景,采用现场实测、理论建模及数值模拟等方法,研究了大倾角煤层开采顶板岩层的断裂机制,以及大倾角煤层煤壁前方和采空区倾向的最大应力集中系数、支承压力塑性区范围、顶板的来压步距、顶底板的位移量等特征。在获得大倾角煤层开采矿压特征基础上,提出工作面支架稳定性、设备防滑以及来压期间采场围岩的控制技术。对减少煤矿顶板事故、提高大倾角煤层开采的安全性具有一定的指导意义。     

大倾角煤层单体支柱工作面顶板事故的预防方法

大倾角煤层是指倾角为３５°～５５°之间的煤层，由于倾角较大，故其采场顶板管理活动，开采工艺，工作面矿压显现规律等方面都具有独有的特征，通过综合分析发生大倾角采煤工艺面的顶板事故，总结出一些导致顶板事故的规律。     

不同倾角矿体地下开采采场覆岩破坏失稳研究

地下采场围岩及覆岩稳定性是影响矿山安全生产的主要因素之一。为探索地下开采过程中不同倾角矿体采场覆岩的破坏失稳特征,采用PFC2D软件建立倾角20°和50°矿体模型,模拟分析开采过程中采场覆岩的内部应力变化和裂隙扩展规律,并与相似模型进行对比,结果表明:(1)两种矿体模型在分步开挖过程中,开采空间较小时,覆岩均会经历卸荷-回升-波动-稳定4个阶段,但倾角越小,离采场相同距离覆岩处内部应力稳定时间越长,越容易发生二次卸荷;(2)开采空间较小时,对应顶板围岩和邻近覆岩产生少量微裂隙,且裂隙扩展呈拱形,有贯通采场上端和下端的趋势。多步回采之后,各采场围岩及覆岩之间的裂隙相互贯通,并逐步向地表扩展,并导致采场失稳;(3)矿体模型倾角越小,覆岩受拉区域越大,受拉作用也更明显,导致更多裂隙的产生,裂隙的扩展速率越快,贯通也越快,倾角20°模型开采对围岩及覆岩的稳定性影响更大。该研究结果可为地下开采过程中矿山开采地压控制、采场失稳和采空区塌陷等技术难题提供理论参考。     

大倾角煤层开采围岩的力学行为研究

针对大倾角工作面上覆岩层运动和破坏特征、支承压力分布规律及其对开采的影响,以走向长壁大倾角综采工作面为工程背景,采用现场实测、理论建模及数值模拟等方法,研究了大倾角煤层开采顶板岩层的断裂机制,以及大倾角煤层煤壁前方和采空区倾向的最大应力集中系数、支承压力塑性区范围、顶板的来压步距、顶底板的位移量等特征。在获得大倾角煤层开采矿压特征基础上,提出工作面支架稳定性、设备防滑以及来压期间采场围岩的控制技术。对减少煤矿顶板事故、提高大倾角煤层开采的安全性具有一定的指导意义。     

不同煤层倾角锚杆支护巷道围岩受力特征物理模拟研究

为了研究煤层倾角变化对锚杆支护回采巷道围岩力学特征的影响,结合淮南矿区大倾角煤层开采地质和技术条件,应用自制相似材料模拟旋转试验架,建立了煤层倾角为0°,30°和45°的锚杆支护回采巷道的相似材料模拟模型,系统分析了不同煤层倾角锚杆支护回采巷道围岩应力、变形和破坏特征。随煤层倾角增大,巷道围岩应力分布和变形的非对称性特征更加明显;倾角越大,巷道围岩的整体稳定性越差。研究得出顶板、高帮和底板是大倾角煤层实体煤回采巷道围岩稳定性控制的关键部位,揭示了煤层倾角变化对锚杆支护巷道围岩力学特征影响的作用机理。工程应用表明,大倾角煤层回采巷道围岩稳定性控制的关键是根据巷道围岩非对称结构特点和围岩力学特征的非对称性,采用非对称锚网索组合支护,并不断改进支护材料、优化支护参数、加强施工工艺和质量管理。     

大倾角煤层孤岛工作面采动应力演化规律研究

为指导大倾角煤层孤岛工作面矿压防控,以王家山煤矿203工作面为工程背景,通过数值模拟和现场实践,揭示该类孤岛工作面采动应力演化规律及冲击危险性。结果表明:在北部采空区、小窑破坏区和东部采空区的耦合影响下,203工作面回风巷侧采动应力集中程度高于运输巷侧;203工作面周围煤岩体存在顶煤和底煤双剪切带,导致顶板侧顶煤在重力作用下易于破碎放出,而顶板侧底煤的应力集中程度进一步加剧。基于采动应力集中系数K的分区结果和现场钻屑监测,203工作面回风巷是矿压防治的重点区域。提出综合大直径钻孔卸压和煤体卸压爆破的分级解危措施并在现场实施,解危效果显著。     

大倾角煤层长壁开采覆岩走向受载与破坏特征

对围岩的有效控制是大倾角煤层长壁工作面安全高效开采的关键,以2130煤矿25221大倾角综采工作面为研究背景,采用"理论分析+模拟实验+现场监测"相结合的研究方法,在对工作面矿压显现规律及其成因综合厘定与分析的基础上,通过构建采空区矸石充填模型和顶板走向力学模型,系统研究了采空区矸石的非均匀充填特征及其非均衡约束下工作面倾向不同区域顶板沿走向岩体结构的受载与失稳特征。结果显示,采空区矸石充填特征在工作面走向和倾向均呈现出非均匀性,在工作面倾向中上部区域支架后方采空区底板上易形成倒三角自由面,且其非均匀性随着煤层倾角、采高和工作面长度的增大而增大。在垮落矸石非均衡约束效应影响下,顶板的受载与变形破坏特征不仅在工作面倾向具有明显的非对称特性,倾向不同区域顶板沿走向的受载与变形破坏特征及其所形成围岩结构的基本形态之间亦存在显著差异。沿工作面倾向自下而上,受采空区矸石充填量与密实程度逐渐减小、矸石与支架间距离逐渐增大的影响,采空区充填矸石对工作面围岩稳定的贡献度逐渐减弱,围岩的运移空间、频次和幅度等逐渐增大,围岩结构的稳定性逐渐减弱,支架的受载量及其变化幅度逐渐增大,"支架-围岩"系统的稳定性等逐渐减弱,且易形成较大来压。     

大倾角煤层长壁综采:进展、实践、科学问题

大倾角煤层属难采煤层,在我国西部地区赋存广泛,此类煤炭资源的开发对区域经济发展起到了重要支柱作用。受煤层赋存条件制约,大倾角煤层的岩层运动机理复杂,作业空间受限,综合机械化开采难度大。自20世纪80年代起我国学者及一线工程技术人员便开始针对大倾角煤层的开采方法、岩层控制理论、关键技术装备展开研究。发展至今,已在理论、技术、装备等方面取得了较大进展,构建了较为完整的研究体系。从大倾角煤层长壁综采的进展、实践、科学问题3个方面系统梳理了已经取得的研究成果、积累的实践经验以及未来需要突破的关键科学问题。提炼出以下主要观点:①我国首次定义了大倾角煤层的概念(煤层倾角35°～55°)并给出了工程解释,但随着近年来装备水平与开采方法的不断提升革新,大倾角煤层倾角涵盖范围的工程解释应有所外延。自20世纪90年代起至今,在大倾角煤层长壁开采岩层控制基本理论与关键技术、工作面动力灾害防护方法、工作面主要装备研发等领域的研究与试验取得了较大进展。②在工程实践方面,除大倾角中厚煤层综采技术已趋于成熟外,大倾角厚煤层大采高综采、特厚煤层综放开采和薄煤层伪俯斜综采技术均有所突破并取得了一定效果,但仍存在诸多"瓶颈问题"亟需从科学层面予以解答。③仍需进一步加强复杂采动煤岩体力学性状与量化表征、复杂采动煤岩体力学行为及其对工作面灾变的控制作用、长壁采场"支架-围岩"系统多维交互动力学与多目标非稳态控制方法、非规则回采空间随机分离体形成-运动-损害过程及防护机制等科学问题研究,并以此为前提发明全新的开采方法、研发关键技术与装备,最终实现大倾角煤层安全高效与绿色开采。