急倾斜水平分段放顶煤开采应力分布规律及冲击地压防治北大核心

为了揭示急倾斜煤层水平分段放顶煤开采应力场分布特征及冲击地压显现规律,以王家山煤矿东一采区为工程背景;理论分析了急倾斜水平分段开采冲击地压显现特征,数值模拟分析了急倾斜煤层水平分段开采应力场演化规律;揭示了急倾斜煤层水平分段开采矿震动载扰动诱发底煤冲击地压显现的规律。结果表明:随着开采分段数增加,工作面采动应力持续增大,顶板巷应力集中程度高于底板巷,最大主应力由原水平方向分布转为沿垂直煤层倾向分布,导致顶板巷周围煤体水平应力集中程度高;工作面煤体水平应力场倾向方向呈现先增大再减小的趋势,且顶板侧水平应力明显高于底板侧水平应力,应力峰值与开采深度呈线性正相关关系,顶板巷冲击危险性明显较高。根据冲击地压发生规律,针对性制定了急倾斜水平分段开采冲击地压防治方案并进行了防治实践,监测表明防冲效果显著。     

急倾斜特厚煤层水平分段开采煤岩应力演化规律数值模拟研究

急倾斜特厚煤层赋存条件非常特殊,为揭示急倾斜特厚煤层开采过程中灾害的致灾机理,基于COMSOL Multiphysics数值模拟软件对乌东煤矿45#急倾斜特厚煤层水平分段开采条件下,岩体及煤体的应力演化规律进行数值模拟研究,研究结果表明：煤层顶板附近的岩层应力较大,靠近煤层底板处的岩层应力变化不大|覆岩局部区域内产生了应力集中现象|工作面煤体的应力集中多分布在靠近顶板处的煤体,而靠近底板处的煤体其应力集中程度较顶板小|工作面煤体的轴向应力的分布分为塑性区、弹性区和原岩应力区三个区,工作面煤体沿走向方向上的侧向应力随距离工作面的距离增加而减小。     

基于FLAC3D的综放面矿压显现规律研究

为了确保矿井的安全开采,揭示某矿矿压显现规律,采用FLAC^3D数值模拟软件对工作面走向、倾向力学和位移特征以及工作面初步来压步距、周期来压步距进行了模拟分析。研究得出:在沿走向方向,工作面顶板面形成拱形分布的应力释放区,随着工作面的推进,顶板的覆岩高度和应力拱结构逐渐向上发展;在沿倾向方向,工作面顶底板的位移分布呈现非对称的特征,顶板应力轮廓向工作面倾斜上方偏移;工作面的初次来压步距为40 m,周期来压平均步距为11.8 m,为工作面的支护选择和支护方式提供理论依据,为顶板围岩控制提供了重要参数。     

急倾斜煤层开采应力及裂隙演化规律研究

在急倾斜煤层的开采过程中,应力集中和裂隙发育威胁着工作面的安全生产。借助FLAC~(3D)三维数值软件对乌东煤矿进行了急倾斜煤层开采数值模拟,对煤岩体及顶板应力及裂隙演化规律进行了研究。结果发现:煤岩体垂直应力会沿着走向呈现明显"横三区"分布,但回采巷道顶、底部垂直应力分布规律恰好相反;顶板的应力集中程度会随距离煤层的垂直距离的增大而逐渐降低;工作面顶板破坏前期以剪切破坏为主,逐渐发展为拉伸破坏,最终导致顶板垮落。上述研究对回采巷道下部的卸压区域的瓦斯抽采工作具有一定的理论指导意义。     

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。     

急倾斜特厚煤层围岩应力演化规律数值模拟研究

以乌东煤矿45~#煤层西翼工作面为背景,运用FLAC~(3D)软件对其围岩应力场的分布及演化规律进行数值模拟分析,得到了急倾斜特厚煤层水平分段开采采场围岩应力的分布特征。研究表明:急倾斜煤层水平分层开采之后,下部煤体在煤层走向方向形成四区;并且随着开采长度的增加,卸压区向开采层下部煤体转移;上分层开采后下部煤体产生明显卸压,其卸压形状呈现“耳”型,卸压范围靠近煤层底板侧卸压程度高于煤层顶板侧;下部煤体的采动影响范围深度随着埋深和煤厚的增加而增大,煤体的充分卸压深度范围基本保持不变。研究结果为下部煤体卸压瓦斯治理提供了理论支撑。     

急倾斜煤层开采覆岩运动规律

根据急倾斜煤层工作面顶板围岩赋存条件,建立相应力学模型,得出急倾斜煤层开采后顶板沿工作面倾向方向的弯曲变形公式,指出急倾斜煤层采后顶板弯曲在工作面下部和上部表现出非对称性,在工作面下部变形增大。结合新铁煤矿工程实例验证了该顶板弯曲变形公式,对急倾斜煤层顶板控制和巷道支护具有指导意义。     

急倾斜走向分段充填顶板初次断裂应力分布规律

根据急倾斜煤层综采走向分段充填开采采空区下部自然冒落矸石和充填柱体布置特点,利用弹性薄板理论建立了急倾斜综采走向分段充填的力学模型,推导了顶板在上覆岩层、自然冒落矸石和采空区分段充填共同作用下的变形挠曲方程。以湘永煤矿2463工作面为背景,分析了顶板应力分布及演化规律。结果显示:(1)顶板产生应力集中和最大不均衡力均出现在工作面中上部位置,说明工作面顶板应从中上部位置最开始变形破坏;(2)在不同充填比条件下,采空区分段充填比越大,顶板受力就越大,挠度反而越小;(3)顶板应力平均值随着充填体强度和煤层倾角的增大而增大,而剪切应力平均值却是随着充填强度的增大而减小,剪切应力随着煤层倾角增大而增大。充填体强度越大对改善顶板受力状态的作用也越大;而煤层倾角越大,顶板的应力和剪切应力值增大,且分布更为不均。利用FLAC3D进行数值模拟得到的应力分布结果与通过挠曲方程得出的应力分布与演化结果基本一致。     

急倾斜煤层工作面应力分布与破坏特征数值模拟

根据新铁煤矿49#下右六片急倾斜煤层走向长壁综采工作面煤岩赋存条件以及回采工作面采空区冒落矸石的充填特征,应用FLAC3D软件模拟在采空区中下部矸石自溜充填后工作面采动煤岩应力分布规律及顶底板破坏特征。研究结果表明:急倾斜煤层开采过后,工作面上下端部垂直应力集中系数最大,应力集中现象非常严重且在采空区后方距工作面煤壁15 m附近上下端部垂直应力达到最大值;在采空区后方随着距工作面煤壁距离的增加,剪切应力先减小,然后增加,最后趋于稳定,在采空区后方距工作面煤壁34～38 m区域剪切应力最小;工作面顶板塑性破坏剧烈,塑性破坏形式多样,工作面底板破坏较小,破坏形式简单,顶板上端部破坏高度小,顶板下端部破坏高度大。     

大倾角煤层长壁开采空间应力拱壳形态研究

大倾角煤层特殊的赋存条件,造成在大倾角煤层开采中顶板空间应力场的演化规律、顶板破断垮落后所形成的围岩结构等较缓倾斜煤层开采时异常复杂,导致维持顶板稳定性的难道加大。基于大倾角煤层开采物理相似材料模拟实验和数值仿真结果,分析了在大倾角煤层开采中围岩结构的基本特征和应力拱壳的基本特性,认为非对称空间应力拱壳是开采扰动破坏原岩应力平衡后,上覆岩层在自我组织能力作用下所形成的主应力迹线的空间展布形态,空间应力拱壳沿走向对称,沿倾向非对称,且当工作面推进距离远大于工作面长度时,空间应力拱壳中间区域沿倾向的形态基本保持不变。据此,在考虑冒落矸石非均匀充填效应的基础上,建立了沿倾向和沿走向的三铰拱力学模型,推导给出了沿倾向非对称拱和沿走向对称拱的轴线方程,并通过算例对研究结果进行验证。结果表明,文中给出的轴线方程能较好的描述采场空间应力拱壳的基本形态;当工作面推进距离远大于工作面长度时,空间应力拱壳沿走向两端对称区域的形态基本保持不变;沿走向对称应力拱的拱高和跨长在倾斜方向上呈先增大后减小的趋势;最大垮落高度在倾向方向的中上部区域,该区域走向应力拱的跨长和拱高也最大。     

急倾斜煤层放顶煤开采火灾成因及防治研究

通过现场统计及相似模拟实验,对急倾斜水平分段放顶煤开采火灾成因进行了深入研究。研究表明:急倾斜煤层开采过程中的围岩动态运移与发火区域有关。综放工作面发火均集中在顶板侧煤层,工作面每次发火均不是本水平煤层自燃所致,而是由工作面上部靠顶板侧采空区首先发火,并随放顶煤过程进入工作面所致。围岩变形破坏生成的裂隙供氧通道是造成采空区靠顶板侧发火的主要原因。堵塞漏风供氧通道以便切断采空区残煤自然发火的外部因素是保证急倾斜煤层分段放顶煤安全高效开采的关键措施之一。     

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。     

急倾斜特厚煤层水平分段综放采动应力分布规律研究

为了研究急倾斜特厚煤层采动应力的分布规律,采用FLAC3D与现场实际观测的方法对阿刀亥煤矿急倾斜特厚煤层水平分段综放开采条件下的水平应力、垂直应力、剪应力的分布情况进行了模拟和实际观测。模拟结果表明:工作面超前支承压力影响范围小,但侧向支承压力影响非常显著;工作面两巷附近有明显的应力集中现象;底板巷承载的应力弱于顶板巷,但相对位移却高于顶板巷。现场实测结果表明:底板巷的变形以底鼓和顶板下沉为主,顶板巷则以帮鼓和巷道整体变形为主;急倾斜煤层水平分层开采上层采动对下方工作面影响明显,超前显著影响距离约为30m。     

急倾斜矿山综采分段充填工作面底板破坏机理研究

以豫西某煤矿工作面为背景,对急倾斜煤矿综采分段充填工作面底板受力和支承压力分布进行了分析,并借助FLAC3D有限元差分软件对煤层开挖引起分段充填工作面底板的应力分布、位移变化和塑性区扩展情况进行模拟分析,研究了急倾斜矿山综采分段充填工作面底板破坏机理。研究表明:采空区充填体可以对直接顶起到支撑作用,并对底板的滑移变形起到控制作用;随着工作面开挖深度的增加,急倾斜矿山综采分段充填工作面底板中部和中部偏下的位置最容易发生破坏;工作面塑性区域集中在底板中下部,且随着煤层开挖工作面的加深,底板塑性区的深度和范围均逐渐增加,地层受煤层开采的影响区域也逐渐扩大。     

急倾斜综放工作面矿压显现规律研究

通过UDEC和FLAG3D数值模拟软件模拟研究了急倾斜煤层综放开采工作面的上覆岩层运移形态和沿工作面倾向垂直应力分布情况,并结合对靖远矿业集团宝积山煤矿704综采工作面的矿压实测资料,分析了急倾斜综放工作面矿压显现规律。结果表明:急倾斜煤层沿工作面倾斜方向上覆岩层运移规律和应力分布呈现出明显的不对称性,工作面上、中、下部支架载荷,周期来压情况都有所不同。     

急倾斜厚煤层顶底板移动特征的模拟研究

以新疆某煤矿急倾斜特厚煤层采煤工作面为工程背景,运用FLAC数值模拟软件对采后顶底板运动特征进行模拟研究,为相似赋存条件下的煤层开采提供了瓦斯涌出路径和预防顶板事故的理论基础。结果表明:随工作面煤层的开采,两侧顶板岩层中垂直应力分布表现为工作面前方出现应力升高区、峰值区和降低区,应力集中程度最大。煤层采出后,上覆岩层压力得到释放,在顶板产生一定深度的卸压区,其应力值仅有0.5 MPa。     

大倾角厚煤层顶板破断规律的数值模拟研究

为了研究大倾角综采工作面顶板破断及矿压显现规律,采用UDEC2D数值模拟软件建立了沿工作面走向和倾向的数值分析模型,模拟了工作面开采过程中的顶板破断和矿压显现规律及围岩应力分布特征,可为类似煤层开采提供参考.     

急倾斜煤层端面顶板稳定性分析

急倾斜顶板矿压显现规律复杂,并且急倾斜煤层在形成过程中由于受到构造运动的强烈挤压,煤层及其顶底板中节理、裂隙等软弱面比较发育,易失稳垮落,支护不当时易发生片帮与冒顶事故。针对急倾斜煤层开采端面顶板破碎情况严重影响安全生产,以陈蛮庄煤矿3402工作面为工程背景,进行顶板孔观测、构建顶板力学模型、理论分析、数值模拟等,进一步分析了急倾斜煤层端面顶板稳定性。研究结果表明:急倾斜煤层工作面顶板比较破碎,易造成顶板垮落事故,影响液压支架的支护能力,进而引起频繁的煤壁片帮,造成安全事故;工作面上部由于充填不充分,应力集中程度仍然随着工作面推进距离的增加而增大。造成急倾斜煤层端面顶板破坏程度较严重;针对急倾斜煤层端面顶板破断特征规律,通过建立急倾斜煤层采场的物理模型,经过理论公式计算出顶板初次来压步距L,最大拉应力与顶板岩层抗拉强度比较得出急倾斜煤层顶板破碎的根本原因。     

急倾斜煤层浅部开采顶板破断致灾原理与控制

为掌握急倾斜煤层浅部开采时顶板的破断规律,确保水平分段综放开采时的安全生产,采用物理相似模拟实验研究急倾斜煤层浅部开采时顶板的垮落规律,通过力学建模分析顶板垮落的条件,运用3DEC对人工爆破强制放顶的效果进行了数值模拟与分析。研究结果表明:浅部开采时急倾斜煤层的顶板不易垮落,容易出现大面积悬顶现象。工作面上方覆岩大面积垮落,产生冲击矿压,危害工作面安全生产;而在第一分段、第二分段回采过程中采用强制放顶的措施可以有效削减顶板的势能,顶板垮落后形成的覆浮矸垫层也可以保证急倾斜煤层下分段的生产安全。     

上覆煤层开采围岩变形规律研究

为了研究上覆煤层开采围岩变形规律,确保下伏煤层的安全开采,采用FLAC^3D数值模拟软件,研究了上覆煤层开采过程中煤岩体的垂直应力变化情况、煤层顶板垂直应力与工作面推进距离关系以及上覆煤层开采围岩变形特征。研究得出,随着上覆煤层的不断推进,工作面下伏煤层支撑应力呈“M”型分布;随着工作面的不断推进,下伏煤层应力形成应力恢复区、膨胀变形区和压缩区3个区。