基于覆岩破断特征的极薄煤层工作面支架工作阻力确定

延安子长矿区极薄煤层分布广泛,因赋存煤炭为稀缺配焦煤,回采价值较高,但该矿区未有过开采极薄煤层的先例,开采过程中面临支架选型不合理的问题,且国内在该方面的研究成果较少,因此,以禾草沟二号煤矿极薄煤层综采工作面为背景,通过数值模拟、理论分析等研究了极薄煤层综采工作面顶板覆岩结构破断特征及其演化过程,建立了采场顶板岩梁断裂前后力学解析模型,获得了极薄煤层综采工作面直接顶周期破断距,确定了合理支架工作阻力。结果表明:极薄煤层工作面开采初期顶板垮落后会较快的对上覆岩层形成支撑,至顶板极限跨距后,直接顶与基本顶周期破断,且基本顶破断位置位于直接顶破断线前方,两者间存在离层空间,共同回转下沉;工作面液压支架主要受直接顶回转载荷作用,其作用载荷为3 980.89 kN,确定支架选型为ZZ4000/6.5/13D四柱支撑掩护式液压支架;现场应用后,可以有效发挥支架支护性能,满足采场围岩控制要求。研究成果为国内极薄煤层开采工作面支架选型提供了一定的参考。

阜生煤业大采高工作面合理支架工作阻力分析

为论证阜生煤业1208大采高工作面支架阻力的合理性,通过理论计算,得出1208工作面支架工作阻力不应低于9158.1 kN,再采用数值模拟分析工作面围岩变形与支架载荷情况,最终确定合理的支架阻力为12000 kN;现场应用表明,回采期间,工作面平均来压步距为14 m,支架工况良好,煤壁稳定性较高,满足工作面安全高效生产需求。

近距离煤层群协调开采支架工作阻力计算方法与系统

近距离煤层群协调开采模式下,由于煤层间的开采扰动影响,各煤层开采顶板结构特征不尽相同,因此各煤层开采支架工作阻力的计算方法也存在差异。为针对性地为各煤层开采支架额定工作阻力确定提供思路,综合应用理论分析、系统开发及现场实测方法,对各煤层开采支架工作阻力的计算方法进行了研究。主要成果有:①建立了煤层开采顶板砌体梁式、散体给定式及散体给定−砌体梁式平衡结构模型。砌体梁式平衡结构适用于未受开采扰动影响或受到的开采扰动影响较小的煤层开采;散体给定载荷平衡结构适用于煤层顶板岩层为单一岩层,且受到上部煤层开采影响的煤层开采;散体给定载荷−砌体梁式平衡结构适用于顶板岩层为多层岩层,且层间存在厚度较大,岩性较硬的岩层,同时受到上煤层开采影响岩层仍能保持连续性与完整性的煤层开采;②开发了适用于开滦集团“近距离煤层群开采覆岩破断及支架载荷评价系统”,提出了各煤层支架额定工作阻力的建议选择结果。通过各煤层开采支架压力实测,采用支架额定工作阻力经验选择结果后,各煤层开采支架载荷利用率普遍偏低,支架载荷富余量偏大。而采用各煤层支架额定工作阻力的建议选择结果后,各煤层开采支架载荷利用率明显提高。

深埋煤层覆岩结构与支架工作阻力研究

针对深埋煤层大采高工作面覆岩结构复杂,矿压现象强烈的特点,以羊场湾煤矿为工程背景,采用理论分析、相似模拟、现场实测等方法,建立羊场湾矿大采高覆岩结构力学模型,对大采高综放工作面覆岩结构的断裂和液压支架工作阻力进行综合性研究。研究表明:正常回采期间,基本顶未达到极限垮落距之前,直接顶和部分基本顶破断并不能充填采空区,以至工作面上方形成倒台阶式的“悬臂梁”结构,液压支架主要作用于防止悬臂梁结构发生回转失稳;来压期间,基本顶连同上部两岩层破断垮落充填采空区,工作面上方形成“砌体梁-悬臂梁”结构,液压支架一是提供防止直接顶“悬臂梁”结构发生回转失稳的压力,二是提供防止基本顶“砌体梁”结构回转的压力。

超长工作面支架工作阻力分布及分区增阻特性研究

综采工作面倾向长度的增加,对顶板破断及应力演化产生的影响效应是复杂的,导致工作面支架支护特性存在分区差异。为深入理解超长工作面支架与围岩相互作用关系,以小保当煤矿450 m超长工作面为工程背景,构建弹性基础岩梁力学模型,运用数理统计及均化循环分析方法,对工作面支架实测数据开展循环末阻力、工作阻力分布频率、支架增阻特性分析,明晰不同面长工作面倾向方向顶板运动及支架工作阻力分布特征,探究超长工作面支架倾向分区内支架增阻特性。研究结果表明:工作面倾向长度增加,导致两巷煤体对中部顶板的支承减弱,中部峰值区域向两巷移近,超长工作面支架工作阻力分布趋势呈M型三峰值分布;超长工作面上部、中部、下部三区域支架呈对数型增阻时,其均化曲线仍为对数函数,表现为先急增阻后趋于平缓,此种支架增阻情况反映了来压期间工作面顶板由快速下沉逐渐变为缓慢下沉;呈对数-指数型增阻时,中上部区域支架增阻均化曲线为对数函数,中部及中下部均化曲线为对数-指数型复合函数,表现出先急增阻然后趋于平缓最后急增阻的特征;当支架工作循环时间超过一定值,对数-指数复合增阻型支架会急速增阻,不利于顶板控制,通过优化工作面割煤速度,降低支架工作循环时间,可减小支架增阻量,避免高阻力状态下支架再次瞬时增阻,提升工作面支架支护效果。

浅埋深综放工作面矿压规律及支架工作阻力确定

针对浅埋深综放工作面矿压显现剧烈、安全阀开启频繁的问题,对平朔井工三矿39107浅埋深综放工作面支架工作状况进行分析研究。采用矿压监测系统现场实测液压支架工作阻力,得到工作面基本顶初次来压步距为33.7 m,平均周期来压步距20.7 m,周期来压期间液压支架循环末阻力平均为9 700 kN,安全阀开启率平均为3.7%,工作面液压支架初撑力水平整体较低,分析表明液压支架存在3种不合理工作状态:安全阀调定压力不合理,前后立柱受力不均衡,部分支架串液。结合现场实测数据进行理论计算,得出39107工作面支架合理工作阻力应不低于12 000 kN。

采场支架工作阻力与顶板下沉量类双曲线关系的探讨

将直接顶视为可变形体， 根据支架围岩关系的整体力学模型， 从能量角度出发， 证明了支架工作阻力与顶板下沉量存在类双曲线关系， 并进一步探讨了直接顶高度、直接顶坚硬程度或损伤程度对此类双曲线关系的影响， 其结果对现场支护设计有重要的指导意义。

上湾矿7m特厚煤层大采高开采支架工作阻力的确定

针对上湾矿1-2煤层的具体情况,对应用于7m特厚煤层开采的液压支架支护强度和工作阻力进行综合论证。综合考虑煤层、顶板、底板、水文、瓦斯、温度、湿度和埋深等因素影响,运用采高倍数容重法、威尔逊估算法、经验估算法、实测统计法、"短砌体梁"理论、"台阶岩梁"理论六种方法分别对上湾矿1-2煤层大采高支架工作阻力进行分析与估算,通过对以上结果进行对比和冗余优化,最终得出大采高支架中心距与工作阻力的定量关系。该支架不仅满足了安全生产要求,而且更加有利于抑制支架前顶煤冒落和减小煤壁压力。

大采高综采支架工作阻力综合分析与确定

通过基于全波形声发射的岩石力学特性参数试验及分析,6.2m大采高综采支架工作阻力物理相似模拟,采用FLAC3D三维有限差分计算分析等方法和手段,分析工作面向前推进过程中上覆岩层的垮落、破断对工作面支架支护阻力的影响,并对模拟支架工作阻力进行了统计分析,确定了合理支护强度或合理支架工作阻力,为羊场湾煤矿6.2m大采高工作面的安全开采和支架工作阻力参数的确定提供了科学的依据。

工作面上覆岩层蠕变活动对支架工作阻力的影响

针对工作面推进速度对支架工作阻力有较大影响的实际情况,特别是在工作面非生产期间,支架工作阻力并没有维持不变,而是在缓慢增阻,没有相关理论解释这种现象。对比岩石蠕变曲线和在非生产期间支架工作阻力曲线的相似性,通过岩石蠕变特性和理论模型,分析不同时期(检修、长时间停产)支架工作阻力"蠕变"特性,并以崔木煤矿21305工作面为研究对象,采用西原简化模型分析了支架阻力与时间的关系。研究结果表明:检修期间和长时间停产期间支架工作阻力与时间关系符合简化西原模型蠕变方程,且不同支架间拟合曲线具有较强的一致性,说明工作面非生产期间,顶板蠕变活动是影响支架工作阻力的主要因素之一;拟合曲线相关度较高,说明通过该理论利用已有数据可以较为准确预测支架工作阻力(在同一循环内)。研究结果解释了工作面推进速度影响支架工作阻力的原因。

高精度支架工作阻力监测系统在寺河矿的应用

基于钢弦测试原理的高精度支架工作阻力监测系统监测寺河矿6.2m大采高综采面液压支架的工作阻力,分析得出工作面直接顶来压步距为16.5m,动载系数为1.22;基本顶初次来压步距平均为36.8m,动载系数为1.60;基本顶周期来压步距平均为26.4m,动载系数为1.51,支架合理工作阻力为8870kN,在工作面没有特殊构造的条件下,ZY9400/2.5/6.2支架能够满足顶板来压的要求;所采用的监测方法可为类似工作面的矿压观测工作提供借鉴。

基于顶板切落的浅埋煤层开采支架工作阻力研究

针对浅埋煤层开采周期来压过程中顶板沿煤壁切落时支架工作阻力的确定方法进行研究。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,应用突变理论和岩石动力学相关分析方法,分别推导了系统失稳前静荷载和失稳后冲击动荷载作用下的支架压缩量表达式,获得了切顶过程中支架荷载的计算式,分析了其主要影响因素。通过对切顶时支架荷载的研究确定了其工作阻力的计算式。结果表明:直接顶的失稳破坏造成了顶板的切落,直接顶岩体的突跳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。结合工程实例,验证了理论推导的合理性。理论研究成果对于分析切顶发生时的支架工作阻力大小,合理选择支架具有重要的工程意义。

小保当矿2^(-2)煤大采高综采面支架工作阻力确定

小保当矿2-2煤层部分区域拟采用7.5 m大采高综采面,在我国尚属首例。通过相似材料模拟实验,对工作面开采进行了研究,结果表明:覆岩中坚硬岩层形成的"悬臂梁"与"砌体梁"动态结构交替出现,造成顶板大小周期来压现象,工作面来压频繁剧烈,平均周期来压步距为17.72 m,支承压力峰值出现在距煤壁12~24 m位置处,煤壁压剪破坏区范围增大、破坏程度加剧,易片帮,覆岩运动最终波及至地表。综合计算分析和实验结论得出,支架选用5.15 m×2.05m,工作阻力22 000 k N(压强为2.08 MPa)的两柱掩护式支架进行支护,可以满足安全生产要求。研究结果对小保当煤矿开采具有指导作用,对相似矿井具有借鉴意义。

综放工作面顶煤承载能力和支架工作阻力的探讨

支架工作阻力计算是综放开采研究的主要问题之一。在对顶煤力学性质进行了实验室试验的基础上,总结出顶煤破坏时的强度满足主应力表示的莫尔-库仑强度准则。根据综放工作面顶煤体的受力特点,运用损伤力学应变等效原理,建立了综放工作面控顶距内顶煤体受力力学模型。从顶煤体承载能力的角度,研究综放面支架-顶煤体之间相互作用关系,推出了支架工作阻力的理论计算公式。该模型较好地解释了综放工作面支架工作阻力随顶煤强度的提高而增加的矿山压力显现。研究结论对综放面支架工作阻力计算具有一定的理论指导意义。

小保当煤矿大采高综采支架工作阻力确定

为合理确定小保当煤矿大采高综采面支架工作阻力,针对小保当煤矿2-2煤层的具体情况,采用物理相似模拟、数值模拟实验和理论计算相结合的方法,对小保当5.0m大采高工作面矿压显现规律及支架工作阻力进行研究。研究得出小保当矿基本顶初次垮落步距68m,周期垮落步距为16m,增载系数为1.31,来压显现强度中等。综合分析,若选用1.75m×4.75m支架,确定大采高综采工作面支架工作阻力为14000k N。由于采高较大,基本顶岩性较坚硬,来压期间基本顶下位岩层形成"悬臂梁"结构,"悬臂梁"断裂时,其重量全部由支架承担,支架载荷大。研究结果为同类地质条件支架工作阻力选型提供了借鉴。

金刚煤矿综采支架工作阻力的确定

综采支架工作阻力的大小,直接决定着综采支架的架型和质量,关系到矿井的生产和安全,影响到矿井的经济效益和社会效益。运用国内外对支架阻力的计算方法,借助相似模拟试验,确定了金刚矿3115工作面综采支架工作阻力为2400 kN。现场使用效果表明:使用综合机械化开采经济效益和社会效益明显,不过在确定液压支架工作阻力时,应充分参考同一矿井与拟用综采工作面毗邻区采煤工作面的矿压观测结果,由此获得的工作阻力更加可靠合理,适当降低3115工作面综采支架工作阻力,仍可满足安全生产要求。

特厚煤层大采高综放工作面覆岩结构及支架工作阻力研究

为了掌握特厚煤层大采高综放工作面的覆岩结构及支架合理工作阻力,以同忻煤矿8107工作面为研究对象,采用理论分析、现场观测的方法对特厚煤层大采高综放工作面覆岩的破断和组合形式进行了研究,建立了覆岩力学模型,得出了同忻煤矿8107工作面支架工作阻力计算式。结果表明:正常开采期间,大采高综放工作面直接顶易形成具有整体性的倒台阶组合悬臂梁结构,悬臂梁结构的破断、回转是支架—围岩互馈过程中的主要压力来源;来压期间,高位砌体梁结构与低位悬臂梁结构耦合形成"砌体梁—悬臂梁"结构,砌体梁结构的滑落失稳引起悬臂梁结构的协同回转,是大采高综放工作面强冲击来压的原因;实测8107工作面正常回采以及来压时支架工作阻力分别为26 MPa(9 750 k N)和40 MPa(15 000 k N),与理论计算结果较为吻合;8107工作面采用的ZF15000/27.5/42型四柱低位放顶煤支架能够满足生产需求。

近直立巨厚煤层覆岩活动规律及支架工作阻力研究

为研究近直立巨厚煤层开采覆岩活动规律,指导近直立巨厚煤层开采实践及支架选型,基于相似材料物理模拟试验,建立了覆岩呈散体结构的"支架-围岩"相互作用力学模型,得到支架工作阻力的计算式。研究结果表明:在大尺寸开采空间和多次分层重复扰动影响下,覆岩块体将呈现"散体"结构状;工作面支架所承受的载荷为上覆岩层自然平衡拱内松散岩体自重,支架的支护阻力不仅与支架宽度、控顶距及松散岩体抗压强度有关,还与工作面长度相关,且随着煤层工作面长度的增加呈线性增加。结合工程实例,验证了理论推导的合理性,研究成果对于分析近直立巨厚煤层的支架工作阻力,合理选择支架具有重要的工程意义。

综采工作面推进速度与支架工作阻力的研究

为了使察哈素煤矿31201工作面在末采段的支架能够安全回撤,实现贯通时顶板无来压的目标,运用理论分析与现场实测,研究推进速度对支架工作阻力的影响。首先对支架工作阻力的确定方法进行介绍,其中包括3种方法;其次通过对推进速度与围岩应力的理论分析,得出随着综采面推进速度的增加,支架工作阻力减小;最后,将实测支架工作阻力与推进速度进行线性回归,得出随推进速度的增加,支架循环末阻力下降。掌握这一规律能够有效指导末采,保证支架安全回撤。

数值模拟方法确定综放工作面支架工作阻力

以支架与顶板相互作用关系为理论依据,通过数值模拟方法分析了综放工作面顶煤下沉量及顶煤压缩量与支架支护强度的关系,在此基础上根据顶板条件的不同对综放工作面支架工作阻力进行确定。