多采空区下坚硬厚层破断顶板群结构的失稳规律

为弄清多采空区下坚硬顶板群结构的破断失稳对工作面矿压的影响,根据大同矿区多采空区坚硬厚层破断顶板群的赋存条件,采用理论分析、相似模拟实验和现场实测分析相结合的研究方法,对多采空区破断顶板群结构的失稳规律及其对工作面来压的影响进行了研究探讨。研究表明,多采空区下坚硬厚层破断顶板群结构的失稳具有一定的概率特征;采用威布尔多参数分布函数对破断顶板群结构的失稳形式具有很好的描述,并建立了近距离煤层群多采空区顶板群结构的失稳模型,确定了大同矿区坚硬顶板群结构的失稳参数,得到了侏罗系煤层群顶板结构的失稳率;通过对大同矿区永定庄煤矿15号煤层端头及中部位置矿压和支架阻力的实测分析表明,工作面上方破断顶板群结构的失稳率与工作面支架阻力大小具有相关性,验证了工作面坚硬厚层破断顶板的失稳规律。     

特厚煤层坚硬顶板初次破断特征的力学分析

为了揭示特厚煤层综放工作面坚硬顶板破断与矿压显现的力学机制,基于材料力学与岩石力学等理论,建立了特厚煤层综放开采坚硬顶板初次破断力学分析模型,分析了特厚煤层综放开采坚硬顶板中弯矩的分布情况,推导了坚硬顶板超前破断位置与初次破断距的解析公式,系统研究了煤层厚度、顶板厚度、顶板弹性模量、顶板强度等关键因素对顶板初次破断特征的影响规律。结果表明:特厚煤层综放工作面坚硬顶板的初次破断距与煤层厚度呈负相关的关系,而与顶板厚度、顶板弹性模量、顶板强度呈正相关的关系。在此基础上,开展了山西韩家洼煤矿特厚煤层22203综放工作面矿压规律的现场监测,并将理论分析结果与现场监测数据进行对比分析,两者基本吻合。     

多层坚硬顶板综放开采矿压规律及控制技术研究

针对特厚煤层和多层坚硬顶板赋存条件下,工作面易出现液压支架压死、煤壁片帮和沿空巷道围岩变形严重、矿压显现强烈的问题,以同忻煤矿特厚煤层综放工作面为工程背景,对回采巷道和工作面进行矿压显现监测,分析多层坚硬顶板作用下的围岩应力和变形规律。研究表明:工作面开采引起的采动应力影响范围较大,多层坚硬顶板作用下覆岩形成了大结构,在其作用下围岩应力和变形表现为"上升突变"和"下降突变"交替出现。研究结果说明了特厚煤层大采出空间和多层坚硬顶板的共同作用是综放工作面强烈矿压显现的主要原因,据此提出了坚硬预裂爆破切顶和沿空巷道恒阻大变形锚杆吸能支护控制技术,可对强矿压进行有效防治。     

急倾斜特厚煤层水平分段综放开采冲击矿压机理

我国急倾斜特厚煤层开采冲击矿压越发凸显,且灾害显现特殊。为了揭示急倾斜特厚煤层水平分段开采冲击矿压机理,建立覆岩力学模型,分析了覆岩运动、能量释放、煤层应力分布等规律;采用工作面液压支架工作阻力监测数据,分析了工作面支架工作阻力与动载系数分布规律;利用微震监测得到的矿震空间分布,分析了岩层运动和能量释放规律。研究结果表明:急倾斜特厚煤层水平分段开采,顶板倾向破断步距与煤层倾角呈非线性正相关关系,当煤层倾角大于60°时,破断步距出现陡增;覆岩下位坚硬岩层破断后在倾向上可暂时形成平衡结构,随着下位分段开采和放煤,平衡结构可发生破断旋转、断块跌落、结构挤压俯冲等3种类型的失稳冲击过程,对工作面形成动态冲击;在顶底板夹持作用下,工作面煤体靠近顶底板侧将形成非对称倾向支承压力分布,靠近顶板侧为封闭夹持状态,应力集中程度高,靠近底板侧为开放夹持状态,煤体易破坏卸压而处于塑性状态,在非对称支承压力作用下,工作面中部至顶板侧底煤受强烈剪切应力作用,且处于底板弹塑性交界区,易于失稳冲击;急倾斜特厚煤层水平分段综放开采,覆岩破断步距大,顶板破断和失稳冲击的瞬间释放能量强,扰动底煤高应力区诱发冲击矿压显现,揭示了急倾斜特厚煤层水平分段综放开采夹持冲击型冲击矿压机理。工作面液压支架工作阻力监测表明工作面中部至顶板侧动载系数最大达到3.25,表明覆岩形成了悬空式结构失稳;矿震监测结果表明工作面中部至靠近顶板侧底煤容易积聚弹性变形能,底板侧容易释放能量,顶板活动易形成动载扰动。研究结果得到了监测验证。     

厚煤层坚硬顶板采场矿压显现规律分析

以某矿2303厚煤层坚硬顶板工作面为分析对象,从工作面顶板来压特征、支柱工作阻力状况和超前支护工作阻力等方面对该工作面矿压显现规律进行研究,为具有类似地质条件的厚煤层坚硬顶板工作面的高产、高效及安全生产提供技术条件和理论支持。     

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。     

综放工作面顶板灾害类型和发生机制及防治技术

综放工作面采出煤层厚度大，上覆岩层活动空间大，易发生顶板事故。为理解综放工作面顶板灾害发生机制，统计分析了部分煤矿综放工作面顶板灾害案例，按顶板条件及灾害特征将综放工作面顶板灾害分为松软顶板大面积切顶压架和坚硬顶板大面积垮落及压架2类。分别以崔木煤矿和曹家滩煤矿综放工作面为例，分析了2类顶板灾害发生特点，提出了相应顶板灾害发生机制：松软顶板工作面顶板胶结性弱，支架实际刚度不足致使顶板在煤壁处断裂，破断后易失稳，同时支架支护强度不足，最终导致切顶压架灾害；坚硬顶板工作面顶板整体性好，不易破断，悬顶到一定极限突然破断，对支架造成冲击，若断裂线在煤壁处则极易导致工作面切顶压架。结合工程实践，提出了2类顶板灾害防治技术措施：对于松软顶板综放工作面采取合理提高支架刚度、支护效率以及工作面推进速度，加强预警等手段预防大面积切顶压架灾害；对于坚硬顶板工作面除加强支架管理、合理开采设计等，还需从顶板改性入手，如采用井下区域水力压裂技术弱化顶板，防治顶板大面积垮落和压架灾害。     

大空间坚硬顶板地面压裂技术与应用

坚硬顶板强度高、破断步距大,矿压作用强烈,是煤矿顶板控制的一大难题,特别是特厚煤层开采条件时,因开采扰动范围广,大空间坚硬顶板破断失稳,造成采场矿压显现更加复杂、强烈。研究表明,坚硬顶板特厚煤层开采,高位厚硬岩层的破断失稳是造成采场强矿压的主要因素,但现有井下预裂技术无法控制。为此,提出了煤矿坚硬顶板地面压裂控制采场矿压的方法,开展了大型真三轴原位试件(2060 mm×1200 mm×1200 mm)水力压裂试验研究,揭示了水压裂缝扩展形态及压裂全过程试件应力应变演化规律;给出了地面压裂关键层位范围,综合工作面采位、压裂层位、覆岩应力及裂隙发育特征,建立了压裂位置确定的理论模型及选取准则;给出了压裂面积-流量-时间的关系模型,得到压裂面积随压裂时间、流量的变化关系;研发了水压裂缝井上下微震一体化联合监测技术,综合前述研究,形成了大空间坚硬顶板地面压裂控制技术体系,并进行了垂直井、水平井压裂工程实践。结果表明,地面压裂裂缝扩展范围大,垂直井分级压裂裂缝扩展长度达250,218 m,裂缝宽度30~120 m,水平井分段压裂裂缝扩展长度196~216 m,裂缝高度43~50 m,裂缝扩展均覆盖了工作面范围,穿透了压裂目标层。井下采场矿压监测表明,工作面开采至压裂裂缝扩展区内,支架阻力降低21%,煤壁片帮率减少23%,超前单体无任何弯曲折损现象,巷道围岩稳定,压裂控制效果好。可见,坚硬顶板地面压裂技术,可从源头杜绝采场强矿压的发生,探索了煤矿领域坚硬顶板控制的新途径,为解决类似由高位岩层、高位结构失稳引起的矿压灾害控制提供借鉴。     

特厚煤层综放开采大空间采场覆岩结构及作用机制

针对大同矿区石炭系3-5号特厚煤层坚硬顶板综放开采时工作面易出现压架、临空巷道超前区域变形、破坏严重等强矿压显现问题,采用理论分析、物理模拟及现场实测等方法,建立了特厚煤层开采大空间采场岩层结构演化模型。结果表明：特厚煤层综放开采覆岩远、近场关键层运动都可能会对采场矿压产生影响,近场关键层为“竖O-X”破断的“悬臂梁+砌体梁”结构,远场关键层为“横O-X”破断的“砌体梁”结构模型。近场关键层结构主要影响工作面支架压力及其稳定性,近场关键层结构中,以“悬臂梁”结构破断运动的关键层层数越多,对支架安全越不利;远场关键层结构则主要对工作面临空侧巷道变形产生影响,其破断块体的回转运动对临空侧巷道围岩产生径向挤压作用,是造成巷道超前底臌的主要原因。据此开发了基于地面钻孔压裂与井下顶板预裂相结合的远、近场协同弱化的坚硬顶板预控技术,将有效降低岩层破断的能量释放和关键层结构失稳的压力传递,减轻特厚煤层综放开采采场矿压的显现强度。     

同忻矿8311工作面坚硬顶板破断特征与矿压显现规律研究

特厚煤层综放开采是煤炭资源开发中的一项重要课题,其开采过程中存在着一系列的难题,其中最为突出的是顶板破断引发强矿压显现。文章基于同忻矿特厚煤层8311工作面,在关键层理论基础上,采用公式计算的方法得出了坚硬顶板的初次和周期来压步距;采用离散单元软件UDEC模拟煤层开挖,得出了坚硬顶板断裂步距与结构。通过现场矿压监测,分析了坚硬顶板的来压步距、周期来压动载强度和“大小周期”现象,探究了坚硬顶板破断与矿压规律之间的关系,为特厚煤层的安全高效开采提供了有力的理论支撑。     

煤层顶板类型划分新方法及其稳定性评价

为了对煤层顶板稳定性做出合理性评价,解决因参数选取不统一而导致评价结果失真的问题。首先从各类煤层顶板的定义入手,提出新的顶板类型划分方法,并以麟北煤田为研究对象对各类顶板进行了重新划分和评价,其次对比传统、新型顶板划分方法的评价结果,最后通过地质条件与之相同的邻近生产矿井调查,检验评价结果所反应未来矿井潜在的工程、水文地质问题。结果表明,新的划分标准可以客观的反映研究区及其周边矿井顶板特征,评价结果不仅能够反映顶板稳定性而且能够揭露潜在的工程地质及水文地质问题等安全隐患,进而为煤层顶板类型划分及稳定性评价提供方法。     

顶板动态监测系统的研发

我国多半矿井均存在顶板安全隐患,为了切实有效地防范现场冒顶事故,通过大量已有事故分析、现场情况调研,设计了一种通过采集井下煤体（岩体）内部应力、支架工作阻力、支架倾角等参数对矿井支护实现动态监测的顶板监测系统。应用表明:该系统反应迅速、准确、误报率低,能实时有效地预测顶板危害,有效降低了矿井冒顶事故的发生。     

锚杆锚索支护巷道层状顶板变形特征及离层监测研究

从分析层状顶板离层特征和顶板离层观测的原理入手,结合现场观测结果,认为两基点离层指示仪的深浅基点应分别设置在与巷道顶板锚索锚杆上端头同一水平位置;各类回采巷道在经受工作面采动影响时,安设深基点的顶板岩层都将产生位移,因此,对锚杆锚索支护巷道进行顶板离层观测的同时,还必须开展巷道顶板下沉量观测,只有把这2种观测结果结合起来,才能准确和客观地评价巷道锚杆锚索支护效果以及巷道的稳定性。在全面分析研究不同顶板岩层赋存条件下锚杆锚索支护巷道的变形与离层的基础上,得到了各类巷道顶板离层的临界值。     

“点线-区域”结合观测顶板“三带”技术应用研究

根据顶板"三带"观测技术的发展趋势,结合五轮山煤矿1805工作面实际情况,提出了"点线-区域"结合观测顶板"三带"技术。采用经验计算法、钻孔摄像法、网络并行电法及关键层综合分析法对1805工作面顶板"三带"发育规律进行观测与分析,利用YTJ-20型岩层探测记录仪进行静态点线观测,及WBD-I型网络并行电法仪进行动态区域观测,并相互验证观测分析结果。结果表明1805工作面8煤顶板冒落带发育高度为7~9m,裂隙带发育高度为30~37m,弯曲下沉带发育高度为37m以上。现场观测与理论分析相结合,点线观测与区域观测相结合,提高了观测结论的可靠性。     

复合顶板下采煤的顶板控制与实践

通过对复合顶板的岩性特征、变形破坏机理及冒顶事故特点的分析,系统地提出了后所煤矿C4煤层的开采方法及复合顶板控制措施。实践应用表明,C4煤层复合顶板得到了有效的控制,解决了复合顶板条件下回采工作面的顶板控制问题。     

关于老顶分层

在单体工作面控顶设计中,当顶板厚度较大、分层情况不清楚时,如何估算划分各分层,为科学的顶板控制设计提供合理参数,实现科学管理采场顶板,对矿井生产安全及高产高效有极其重要的意义。文中采用的估算方法可以在类似地质条件下推广应用。     

对我国今后顶板控制技术发展的探讨

顶板控制的理论和实践,上世纪40年代以来,受到世界主要产煤国的广泛重视,进行了大量的科学研究工作,取得了显著的成效,顶板事故和伤亡的人数大幅度下降。针对煤矿开采技术发展的新特点,对垮落、充填、煤柱3种控顶技术的应用条件和适用范围进行了初步探讨。     

复合型顶板冒顶机理分析及预防措施

在采煤工作面顶板管理中 ,复合顶板的管理难度较大 ,尤其是在初放期间 ,易发生大面积的冒顶事故。文中分析了朱庄煤矿 36 16工作面冒顶事故的发生机理 ,总结概括出复合型顶板工作面回采必须采取的安全措施     

煤矿井下生产中冒顶事故的预防措施

分析了冒顶事故的发生原因和预兆 ,提出了预防措施。     

综采面坚硬顶板活动规律观测与控制

为了确保坚硬顶板综采面的安全生产,基于黑龙江某矿煤层的地质与开采条件,对工作面支架工作阻力随工作面推进的变化进行观测,得到综采工作面顶板矿压活动规律。数据分析显示:坚硬顶板来压强烈;工作面下部基本顶来压步距大于工作面中、上部的来压步距,工作面上、中部来压步距相差不大,工作面中部周期来压较工作面上、下部频繁,但整个顶板来压强度比较均匀;工作面液压支架支护强度一般可以达到控制顶板的要求,但初撑力往往偏低。最后针对顶板矿压活动规律和支架运行特性,提出矿压显现时工作面顶板的防控措施。