基于能量法的工作面端面冒顶机理及“支架-围岩”耦合关系试验研究

为研究综采工作面顶板稳定性及其影响因素,结合能量法和“顶板-支架-煤壁”系统模型,建立了端面顶板稳定性力学模型,利用分布式支架顶梁压力监测系统和数字图像监测技术,开展了端面冒顶相似模拟试验,分析了端面冒顶影响因素、顶板破坏形态和支架顶梁压力分布演化特征。研究表明:根据端面顶板稳定性力学模型,距煤壁1 m范围内直接顶稳定性系数小于0,该区域为端面冒顶高发区;距离煤壁越远,顶板垂直位移和水平位移也随之增大;提高支架工作阻力能有效减小顶板下沉量;顶板黏聚力和内摩擦角越大,顶板稳定性越好;相似模型试验中直接顶依次经历了端面冒落、顶板破断、顶板破碎等阶段,液压支架顶梁压力表现为中部>前部>后部;当顶板完整时,模型支架初撑力和支护阻力充足,“支架-围岩”耦合关系良好;当顶板破碎导致支架位态不佳时,模型支架降阻或偏载现象明显,容易造成顶板裂隙发育、端面冒顶、支架压架等事故,“支架-围岩”耦合关系恶化;利用数字图像监测技术获得了端面冒顶阶段直接顶最大剪应变集中于端面顶板附近。研究显示支架与围岩相互作用关系与端面顶板稳定性互相影响,维持良好的“支架-围岩”耦合关系有助于提高工作面顶板稳定性。

近距离煤层群同采工作面合理错距确定及覆岩破坏特征研究

为确定近距离煤层群同采工作面合理错距揭示覆岩破断演化规律,以02号、2号煤层群同采工作面为研究对象,运用理论模型计算了上位煤层底板破坏深度和同采错距,建立了数值模型分析同采错距为35、40、45 m条件下的层间岩层支承应力分布,并采用相似模拟试验研究了近距离煤层同采工作面覆岩破断演化特征。研究结果表明:上位煤层支承应力通过工作面传递到底板岩层,底板破坏深度为5.45 m,工作面后方底板岩层支承压力最大影响范围接近38 m;层间岩层支承压力存在2次峰值,当同采错距为40 m时,层间岩层支承压力的2次峰值均较小,确定同采合理错距为40 m;上位工作面的顶板初次垮落步距和周期垮落步距分别为40 m和15~20 m,下位工作面基本顶的初次和周期垮落步距显著增大至80 m和20~30 m;当同采错距布置为40 m时,下位煤层工作面受上部煤层采动影响较小。

基于Core Replacement的巷道等效滞后支护数值模拟研究

为了更真实地模拟现场实践中的巷道滞后支护效果,本文基于Phase 2D有限元软件中的Core Replacement模拟技术,建立了无支护、零滞后支护、滞后支护(滞后掘进工作面2.0 m、4.0 m、6.0 m)共5个数值模型,评估了不同支护方式下的巷道支护效果及围岩稳定性。研究结果显示:在无支护情况下,巷道围岩塑性区最大半径为9.6 m,最大位移为0.058 m,巷道出现了明显的变形和破坏;在零滞后支护方案中,巷道塑性区半径减小至5.5 m,最大位移减小至0.026 m,巷道的稳定性得到了明显的提升;在滞后支护方案中,巷道围岩塑性区及变形介于前两个方案之间,但随滞后支护距离从2.0 m增大至6.0 m,巷道围岩的塑性区最大半径由7.5 m增加至7.8 m,最大位移由0.041 m增加至0.046 m,滞后支护距工作面越近,巷道的安全性与稳定性越好。滞后支护模型可以真实模拟现场实践中的巷道支护效果及变形响应,对巷道支护设计和优化具有重要参考价值。

重复采动下近距离煤层群下行开采工作面矿压显现规律研究

为研究近距离煤层群下行开采工作面煤体破坏特征和矿压显现规律,本文采用PHASE 2D有限元分析软件建立数值模型,研究了杨家寨煤矿近距离煤层下行开采重复采动影响下工作面煤壁破坏特征、围岩应力分布规律及覆岩移动演化特征。数值模拟结果显示:①工作面煤壁在顶底板挤压作用下外鼓,下煤层较上煤层的煤壁破坏更为明显,上、下煤层工作面最大塑性区宽度分别为2.43 m和3.18 m;②随着工作面的推进,工作面支承压力增高系数峰值先增大后稳定,上煤层支承压力增高系数稳定在1.60左右,而下煤层支承压力增高系数稳定在1.52左右;③上、下煤层工作面各推进200 m时,覆岩最大位移分别为36 mm和73 mm,但上煤层工作面达到了充分采动,覆岩最大位移不再增大,而下煤层工作面仍处于非充分采动阶段,覆岩最大位移将随工作面的推进继续增大。

综放工作面支架与围岩耦合关系及端面顶板稳定性研究

针对综放工作面支架-围岩耦合关系及端面冒顶问题,运用有限元极限分析和模型试验,研究了支架俯仰角、端面距、割煤高度及覆岩破断对端面顶板稳定性及支架-围岩耦合关系的影响,获得了顶煤位移、支架偏载及端面冒顶演化规律。结果表明:顶梁上方顶煤垂直位移呈中间大两端小,水平位移由梁端向采空区方向逐渐增大,而端面无支护区顶煤位移由煤壁向梁端降低;当顶梁俯角为3°时,支架对顶煤提供水平支撑力,顶煤位移更均匀,支架偏载情况更好;端面距和割煤高度均与端面顶板稳定性呈负相关;覆岩回转破断会恶化支架-围岩耦合关系,降低支架支护效果,导致端面冒顶。因此,综放工作面应合理调整支架位态及割煤高度,尽量减小端面距。

近距离煤层上行开采围岩应力分布及覆岩移动规律

为了研究近距离煤层群上行开采对工作面围岩应力分布规律及覆岩破坏演化特征的影响,采用PHASE 2D有限元软件建立数值模型,分析了近距离煤层群上行开采过程中工作面煤壁塑性区发展规律、覆岩垂直位移、工作面前方支承应力分布规律。数值模拟结果显示,工作面煤壁塑性区呈现上部宽、下部窄的特征,随着工作面不断推进,煤壁塑性区宽度也随之增大,其中下层煤和上层煤工作面煤壁塑性区最大宽度分别为4.23 m、2.85 m;下层煤和上层煤覆岩最大竖向位移都发生在模型中部,最大竖向位移分别为28 mm、62 mm;支承压力呈现出先增大再减小、最后趋于稳定的发展趋势,支承压力系数峰值为1.59。研究结果表明,在上行开采实践中,当下层煤完成开采后,上层煤的围岩塑性区和位移均有所增大,覆岩稳定性降低。