浅埋薄基岩煤层顶板破断及控制

本文在总结实测与模拟得出的浅埋薄基岩破断运动特征基础上，通过建立力学模型分析了基岩初次破断与周期性破断的机理，以及其岩结构失稳机理，探讨了合理的控制方法。     

浅埋煤层长壁开采顶板结构稳定性分析

针对浅埋煤层单一关键层长壁开采时顶板岩体结构的破断特征，建立了顶板岩体关键层塑性状态下的结构模型。利用机动法确定了老顶岩板初次来压时载荷的上限值和塑铰线的位置，得到了顶板岩体关键层的最小破断跨距。根据浅埋煤层初次来压期间顶板控制的关键区域在采区工作面中部的特点，探讨了空间顶板结构动态平衡下的特性，提出了老顶破断后塑性铰接体系非稳定的必充条件，给出了几何非线性结构在不同回转运动状态下的稳定性准则。     

浅埋煤层厚硬顶板破断与冒落的数值模拟

基于采场覆岩的弹性模量、泊松比、抗压强度等参数服从Weibul分布的假设 ,运用岩体破裂过程分析 (RFPA2D)系统 ,模拟浅埋厚硬顶板冒落与支承压力的动态变化规律 ,分析了浅埋煤层厚硬顶板的破断机理。研究表明 :浅埋煤层厚硬顶板的破断与冒落规律与普通埋深煤层中覆岩的破断与冒落规律有显著差异 ,其初次破断与冒落形态为拱形 ,周期破断与冒落呈全厚切落和拱形交替发生。这些研究对西部大量浅埋煤层矿区矿压控制具有重要的参考价值     

浅埋深薄基岩煤层顶板破断中的微震分布特征

为研究薄基岩浅埋煤层顶板破断过程中的微震分布特征,采用ARAMISM/E微震监测系统对某矿3301工作面进行监测。监测结果显示,工作面每推进95m左右,周期性出现一次大能量微震事件,说明顶板的周期性破断造成微震释放能量表现出一定的周期性,利用微震释放能量的周期性可以推断基本顶发生周期来压步距;微震事件具有明显的空间效应,利用微震定位结果,可以揭示煤层开采引起的岩层破裂高度,进而圈定岩层的破坏范围;顶板来压滞后于微震事件8h左右,利用微震事件与顶板来压的时间差,可预测薄基岩浅埋煤层顶板大面积来压。     

神府浅埋煤层顶板破断运动规律

大量观测和模拟实验表明，薄基岩在厚沙覆盖层作用下的整体切落是顶板破断运动的主要方式，本文论述了对顶板破断运动及破断后运动的控制，指出保证足够的初撑力和采空区一定充填状况是控制要点。并进一步分析了基岩厚度，采高，推进速度对顶板破断的影响。     

浅埋煤层厚积砂薄基岩顶板破断机理研究

本文在物理相似模拟和数值模拟的基础上，通过对神东集团薄基岩浅埋煤层开采的研究，建立了上覆岩层的梯度复合板力学模型。利用承压砌块模型分析了周期来压过程，并给出了初次来压和周期来压机理。     

近浅埋煤层软岩条件下综采工作面顶板破断规律

为了研究软弱围岩条件下综采工作面顶板运移规律,依据现场工程地质特征,采用数值模拟、相似材料模拟对工作面破断过程进行了研究。通过相似模拟实验,确定了直接顶与老顶的构成和工作面来压步距,分析了近浅埋煤层软弱覆岩条件下矿压演化规律。通过数值模拟,分析了软弱覆岩条件下覆岩应力分布特点和支承压力特点,为工作面支架选型、现场工程管理提供依据。     

浅埋煤层长壁开采顶板结构稳定性分析

针对浅埋煤层单一关键层长壁开采时顶板岩体结构的破断特征,建立了顶板岩体关键层塑性状态下的结构模型。利用机动法确定了老顶岩板初次来压时载荷的上限值和塑铰线的位置,得到了顶板岩体关键层的最小破断跨距。根据浅埋煤层初次来压期间顶板控制的关键区域在采区工作面中部的特点,探讨了空间顶板结构动态平衡下的特性,提出了老顶破断后塑性铰接体系非稳定的必充条件,给出了几何非线性结构在不同回转运动状态下的稳定性准则。     

浅埋煤层大采高工作面顶板破断角实测研究

基于弹性力学和岩石力学,给出了浅埋煤层顶板破断角的理论计算公式,并在张家峁煤矿22201工作面辅助运输平巷施工9个钻孔,采用钻孔窥视确定了顶板的破断位置,得出了大采高工作面的顶板破断角,结合物理模拟实验对结果进行了验证。研究表明:理论分析得出浅埋煤层采场顶板破断角范围为56.2°～69.3°;现场实测得出22201大采高工作面顶板10～30 m层位的顶板平均破断角约为68.3°,根据物理模拟实验得出的大采高工作面顶板10～30m层位的顶板平均破断角约为66°,理论计算和现场实测、物理模拟实验结果吻合。此外,对浅埋大采高工作面周期性破断角的物理模拟实验统计分析,当采高M≥6m时,顶板破断角在64°～68°,与理论计算偏差在6%之内,表明理论计算公式具有较高的可靠性和适用性。     

浅埋煤层厚硬顶板破断与冒落的数值模拟

基于采场覆岩的弹性模量、泊松比、抗压强度等参数服从Weibul分布的假设，运用岩体破裂过程分析(RFPA^2D)系统，模拟浅埋厚硬顶板冒落与支承压力的动态变化规律，分析了浅埋煤层厚硬顶板的破断机理。研究表明：浅埋煤层厚硬顶板的破断与冒落规律与普通埋深煤层中覆岩的破断与冒落规律有显著差异，其初次破断与冒落形态为拱形，周期破断与冒落呈全厚切落和拱形交替发生。这些研究对西部大量浅埋煤层矿区矿压控制具有重要的参考价值。     

煤层顶板破断机理研究

应用东北大学自行研究开发的岩石破裂过程分析系统(SFPA^20)，对开采浅埋煤层引起的覆岩顶板破断动态过程进行了数值模拟研究，得出了分步开挖的覆岩弹模与剪应力分布图、地表下沉位移图和煤层顶板应力分布图。通过对模拟结果的分析，揭示了浅煤层开采过程中覆岩破坏的冒落带、裂隙带、弯曲带及矿压分布、地表变形的基本规律。实例模拟得出的地表下沉值与实际观测结果基本吻合。     

浅埋深薄基岩煤层顶板破断前后承压拱变化特征

为防止西部浅埋深薄基岩煤层开采过程中出现严重的开采损害问题,基于3DEC离散元软件,采用数值模拟的方法,研究了煤层顶板破断前后承压拱的变化特征。研究结果表明,上覆岩层在空间上存在能保持相对稳定的承压拱结构,该结构能在一定程度上保护工作面回采空间的安全;承压拱结构随着工作面推进而发生动态变化,当薄基岩全部破断时,承压拱结构发生失稳破坏,此时上覆的基岩层和第四系松散层的重力全部作用在支架上,容易造成切顶压架事故,应引起足够的重视。     

浅埋深长壁工作面覆岩破断特征相似模拟

利用相似模拟实验方法,研究了浅埋深长壁工作面覆岩破断特征,掌握了浅埋煤层长壁开采覆岩破断过程中的关键特征点。并结合现场矿压实测,掌握了工作面来压与上覆岩层裂隙发展之间的规律。研究分析表明：浅埋深长壁工作面覆岩破断的关键特征点分别是直接顶破断、基本顶初次破断、基本顶周期性破断、裂隙带初次导通地表、裂隙带周期性导通地表。裂隙带导通地表（即基岩层周期性全部破断）与基本顶破断的周期性发生是浅埋深长壁开采条件下工作面顶板来压存在大小周期的主要原因。浅埋深长壁工作面开采过程中,基本顶的断裂极易引发裂隙带导通地表。因此,在工作面来压期间,要适当加快工作面推进速度,避免发生压架事故。     

近浅埋煤层顶板破断力学模型研究

为了研究近浅埋煤层工作面顶板运动规律,采用深部多基点位移探测仪对高家梁煤矿近浅埋20307工作面顶板运动规律进行探测,建立近浅埋煤层顶板破断力学模型,分别将关键层初次和周期断裂简化为四边固支和三边固支一边受均布载荷的矩形板,采用塑性极限分析定理推导关键层的断裂步距,并提出亚关键层断裂步距的修正方法。矿压实测表明,断裂步距平均误差为7.03%,且理论计算与实测大周期来压出现的位置基本一致。本研究可为近浅埋煤层工作面顶板控制设计提供理论依据。     

浅埋煤层综采工作面回撤通道顶板支护技术研究

针对回撤通道受采动影响巷道顶板稳定性差、变形大等问题,以内蒙古高家梁煤矿20117回撤通道为工程背景,提出回撤通道顶板补强支护方案,建立回撤通道锚固梁结构力学模型,通过理论计算分析了锚固梁结构的稳定性,并在20117回撤通道进行现场实践。结果表明：20117回撤巷道顶底板移近量较小,巷道相对比较稳定,优化后的锚(网)索、垛式支架联合支护方式对围岩起到了加固与强化作用,很好地控制了围岩变形,保证了工作面回撤安全。     

浅埋煤层高产工作面矿压分析

通过现场实例,得出了对浅埋煤层高产高效工作面顶板来压特征和不同推进速度的矿压显现规律。应用浅埋煤层老顶“台阶岩梁”理论定量化分析,揭示了快速推进时周期来压步距增大而压力减缓的机理,计算得出的工作面的合理支护阻力与实际情况相符,指导了支架选型。     

近距离煤层群顶板结构及破断模型分析

通过对近距离薄煤层群不同间距下层间顶板破断情况进行分析,根据顶板厚度将近距离煤层群顶板结构分为3类：散体结构顶板、块体结构顶板及板式结构顶板。建立了不同顶板结构下的3DEC数值模拟模型,分析了不同推进距离下顶板位移及应力分布情况。模拟结果表明：散体结构顶板破坏时为散体破坏,不具有承载能力;块体结构顶板破坏时为块体破坏,表现出一定的承载能力,矿压显现不明显;板式结构顶板破坏时为板式破坏,具有较强的承载能力,并具有初次来压及周期来压特点。对官地煤矿3318工作面矿压现场实测,3318工作面直接顶初次破断来压步距约为22.3 m,平均周期来压步距约为19.8 m。实测结果与数值模拟结果相吻合,表明3318工作面顶板为板式结构。     

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.     

神南矿区浅埋煤层群开采顶板结构类型判别

为探索浅埋煤层群开采条件下顶板关键层的结构类型,获得科学有效的浅埋煤层群顶板结构形态的判别方法,以神府煤田所属的神南矿区为研究对象,采用理论分析、物理模拟及现场实测相结合的方法,揭示了顶板结构形成的基本条件,确定了顶板结构的判别方法,给出了浅埋煤层群的科学定义。研究发现,上、下煤层间的间隔岩层关键层随采动的破断是影响煤层群下煤层开采矿压显现的主要因素,不同煤岩组合条件下的间隔岩层关键层的位置及结构形态不同。根据研究区煤岩空间组合关系,通过现场探查和理论分析与计算的方法,对研究区煤层群赋存类型进行了划分。通过引入间采比的概念(G_C),提出了间隔岩层关键层的判别方法,确定了间隔岩层的关键层单一关键层、双关键层和无典型关键层3种基本结构类型,并对研究区浅埋煤层群进行了科学分类,为现场的安全、高效开采奠定了理论基础。     

浅埋煤层掘进工作面合理空顶距研究

浅埋煤层掘进工作面的空顶距是影响高效快速掘进的重要因素,为确定韩家湾煤矿3-1煤泥岩顶板掘进工作面合理空顶距参数,结合薄板理论分析和数值模拟计算,对不同空顶距下上覆岩层运移、应力变化规律进行了研究,并通过现场工程实践验证了理论分析和数值模拟的可靠性.结果表明,当空顶距选取7.2 m时,上覆岩层可形成稳定的自稳结构,保证...