大倾角走向长壁伪俯斜采场支架稳定性分析

大倾角伪俯斜工作面安全高效开采的基础是对"支架-围岩"系统的稳定性控制,受工作面矸石非均匀充填及倾角影响,"支架-围岩"系统稳定性控制困难。以某矿3132工作面为研究背景,采用物理相似模拟实验与理论分析相结合的方法,研究了大倾角煤层伪俯斜采场垮落矸石充填时空演化规律,及其影响下的"支架-围岩"系统相互作用关系,建立了支架力学模型,确定了工作面伪斜角和矸石作用力对支架临界阻力的影响。结果表明:伪俯斜采场矸石滑移充填经历初步充填下部区域→矸石倾向下滑→充填凹陷区域3个阶段;采空区充填体接顶区长度随煤层倾角、直接顶厚度和工作面长度的增大而增大,随伪俯斜角和采高的增大而减小,临空区长度随煤层倾角、采高和工作面长度的增大而增大,随伪俯斜角和直接顶厚度的增大而减小,矸石的非对称堆积形态改变了顶板的受力条件与破断特征,支架受载呈现明显非对称性和区域性特征;伪俯斜采场垮落矸石对支架尾部频繁产生冲击作用和接触作用,防止支架下滑和转动失稳的临界阻力随着矸石作用力的增大而增大,随着工作面伪斜角的增大而减小,工作面中、下部区域的支架比上部区域支架需要更大的支撑阻力抵抗矸石的影响;工作面现场监测结果验证了理论模型的合理性。研究结果对现场工程实践具有一定的理论指导意义。

大倾角伪俯斜采场顶板运移规律实验研究

为研究大倾角伪俯斜采场顶板垮落运移及其与支架相互作用关系。采用大比例三维物理相似模拟实验和数值计算相结合的研究手段,深入分析了伪俯斜采场初采阶段和正常回采阶段顶板应力演化与变形破坏规律,垮落顶板充填特征以及“支架-顶板”相互作用规律。结果表明,大倾角伪俯斜采场顶板应力分布与位移具有非对称性,顶板具有非对称“O-X”破断特征,且具有明显的时序特征,其中“O”破断顺序为:采空区侧边界—采煤工作面侧边界—上部边界—下部边界;“X”破断顺序为:工作面倾斜上方基本顶先发生破坏,随后基本顶沿顺时针方向依次破断。顶板周期性来压与垮落均具有分区特性与时序性,沿走向工作面各个区域顶板的垮落位置与支架相对位置不同,其中,工作面倾斜中部支架直接受到垮落顶板的作用,具体为“砸—压—推”,而倾斜上部与下部垮落顶板仅在下滑过程中对支架产生倾向向下的推力,未出现明显的砸、压现象,上部作用最弱,破断顶板使支架发生不同程度的“倒”、“扭”现象;垮落顶板对采空区的充填可分为4个阶段,各个阶段交替转化的过程对工作面中、下部支架的稳定性产生了影响,矸石堆积区最终沿走向形成充填稳定区域与动态运移区域。为大倾角煤层伪俯斜采场岩层控制提供科学依据,也丰富了大倾角煤层采场岩层控制理论。

大倾角多区段开采顶板运移及其采空区充填规律实验研究

为了研究大倾角煤层多区段开采围岩运移规律,采用物理相似模拟实验方法,分析了大倾角煤层多区段采场顶板和煤柱变形破坏规律、底板应力分布及演化规律、垮落矸石充填特征等。结果表明:大倾角煤层多区段开采围岩运移规律不同于单区段开采,下区段采动导致上区段采场倾向中、上部垮落顶板出现二次下沉和滑移,顶板运移曲线呈现沿倾斜方向“上大下小”的双峰特点,垮落顶板非均匀充填导致采空区底板应力沿倾向呈现出中部>下部>上部,下区段采动导致上区段采空区中部底板应力显著增加。下区段开采致使区段煤柱上、下两侧非对称受载并发生破坏,引发了煤柱-上区段采场煤岩体的连锁运动;区段煤柱支承压力从上区段开采时的“W”型分布变为下区段开采时的“V”型分布,增载系数达到4.9.研究可为大倾角煤层多区段围岩控制提供了理论指导。

大倾角煤层伪俯斜采场围岩运移与支架相互作用规律研究

为研究大倾角煤层伪俯斜采场围岩运移与支架相互作用规律,采用物理相似模拟试验、数值模拟和现场监测等方法,探究伪俯斜采场围岩三维运移、充填特征,分析了非均衡充填作用下顶板岩层间的应力传递与转化规律,揭示了“支架-围岩”系统的相互作用关系.结果表明:大倾角伪俯斜采场围岩的破坏与运移不同于真斜采场,受悬空直接顶的区域稳定性转化与滑移矸石的分布特征相互影响,采空区充填矸石的压实度降低,有效充填范围增大,中上部顶板的破坏程度降低.基本顶的破断顺序由初次破断的倾斜“上部—下部—中部”演变为周期破断的倾斜“中部—上部—下部”,破断裂隙呈伪斜“O-X”型,中、上部裂隙范围先小后大,下部裂隙范围先大后小,走向垮落步距增大.顶板应力传递路径在不同的岩体与层面间传播,应力拱脚转移至下部矸石上方顶板,工作面中部支承压力最大、上部最小.采场直接顶发生层状拉破坏,基本顶沿垂向发生柱状剪破坏,中部破坏程度最大、上部次之、下部最小.顶板塑性区由直接顶向基本顶发育,由上部向中部沿顺时针扩展.伪俯斜采场“支架-围岩”作用关系受多系统相互影响,“矸石-支架-支架”系统的动态相互作用是采场支架失稳的主要原因.结合生产实际,针对工作面支架非均衡受载失稳、失效及悬空顶板致使的动力灾害问题,对支架的支护阻力、架间稳定性、矸石的充填特征和支架的结构进行了人为调控,取得了良好的效果.