浅埋近距离煤层过平行煤柱开采强矿压机理研究

为了揭示浅埋近距离煤层工作面过平行煤柱开采动载传递特征及强矿压机理,以榆家梁煤矿43207工作面为工程背景,采用现场实测、物理模拟、理论分析相结合的方法,研究了煤柱覆岩“倒梯形”结构随下部间隔岩层的运动及其载荷传递特征,分析了超前支承压力和支架载荷的转化规律,建立了“煤柱-间隔岩层台阶岩梁”耦合结构力学模型,得出了强矿压瞬间和顶板切落稳定后的支架载荷计算公式。研究结果表明:煤柱覆岩“倒梯形”结构的集中应力和载荷主要集中于煤柱后段,后段集中载荷是导致工作面过煤柱强矿压的根源;工作面进煤柱初期,煤柱应力表现为双峰;临近出煤柱时,应力集中为单峰,位于煤柱后段。工作面出煤柱4 m后,煤柱后区的超前支承应力系数达到峰值6.00,间隔层开始产生超前裂隙;出煤柱5 m时发生强矿压,煤柱应力下降43%。强矿压期间,煤柱应力传递至煤柱下7 m层位(间隔岩层关键层中部)下降了39%,表明顶板结构承担了相当大的载荷。基于间隔岩层台阶岩梁结构的理论计算,得出强矿压瞬间的支架载荷计算公式,按照煤柱平均应力计算得出支架载荷为22.9 MN/架,按照强矿压时刻煤柱后段应力计算得出支架载荷为24.1 MN/架;煤柱传递至支架的载荷仅为煤柱总载荷的12%~18%,仍超过现场支架额定工作阻力9.2 MN/架。因此,为防止压架,支架额定工作阻力需达到15 MN/架,或者对煤柱及间隔岩层结构进行处理,以保证安全开采。研究结果可为类似条件工作面过平行煤柱开采提供参考。

三软煤层沿空留巷顶板结构模型及合理支护研究

为了揭示三软煤层沿空留巷围岩变形机理,探索适用于三软煤层巷道围岩控制的新技术,通过切顶沿空留巷物理相似模拟实验,研究了不切顶普通支护、切顶高强支护和切顶普通支护3种条件下顶板岩层断裂演化过程,构建了三软煤层切顶留巷顶板结构力学模型,给出了支护阻力计算方法,在韩城矿区象山煤矿进行了现场工业性试验验证。研究表明:切顶技术切断了顶板的应力传递,巷内采用高强支护,使顶板形成稳定的“短悬臂-砌体梁”结构。现场监测结果显示,不切顶普通支护的留巷顶底板平均移近量1000~1200 mm,两帮平均移近量600~700 mm;切顶高强单体支护的留巷顶底板平均移近量200~300 mm,两帮平均移近量200~300 mm;切顶组合式支架支护的留巷顶底板平均移近量50~100 mm,两帮平均移近量100~200 mm。组合式支架高强支护能够较好地控制三软煤层沿空切顶留巷围岩变形,可实现留巷二次复用无返修。

浅埋综采工作面运输巷主动式超前支护研究

针对浅埋综采工作面运输巷采用单体支柱超前加强支护工作面推采速度与支护速度不协调、工人劳动强度和安全隐患大、难以实现超前区域少人化等问题,以榆家梁煤矿52305工作面为工程背景,采用现场实测、数值模拟和理论分析相结合的方法,实测了单体超前加强支护条件下的运输巷矿压显现规律,对比分析了单体加强支护和锚杆(索)主动式加强支护两种情况下的巷道围岩安全稳定性,并通过理论分析计算了运输巷支护参数,校验了现场支护的适应性及安全性。研究结果表明:52305工作面运输巷围岩属于较稳定型,现场单体超前加强支护条件下,锚杆(索)承载均在额定载荷的85%以内,两帮应力分布基本对称,围岩移近量和松动圈很小,围岩稳定性较好,现场超前支护段支护强度偏富余。采动支承压力影响段,单体支柱主要对顶板0.6 m范围内的局部岩层具有加强支撑作用,远小于锚杆和锚索支护作用范围和强度。取消单体支护后,运输巷围岩依然能够保持安全稳定。在榆家梁煤矿52305工作面运输巷超前加强支护段进行了取消单体支护工程试验,验证了研究结论的可靠性。

浅埋近距离煤层工作面过平行煤柱开采强矿压显现规律

浅埋近距离煤层工作面过平行煤柱开采容易发生强矿压压架事故,严重影响工作面安全高效开采。以榆家梁煤矿43207工作面和石圪台煤矿2^(-2上)102及2^(-2上)103工作面为背景,采用理论分析、物理模拟和现场实测相结合的方法,根据间隔岩层厚度和煤柱应力传递影响角,提出了过煤柱阶段划分判据,重点分析了不同间采比G、水力压裂程度条件下,过平行煤柱不同阶段的矿压显现特征。结果表明:由于上覆遗留煤柱及倒梯形覆岩结构的作用,导致煤柱影响阶段来压时支架平均载荷最大,进煤柱阶段次之,出煤柱阶段最小,强矿压位置主要集中在出煤柱影响阶段范围;间采比越小,工作面过煤柱采动期间来压时支架平均载荷越大,间采比G=5.5较G=10在进煤柱阶段、煤柱影响阶段和出煤柱阶段分别增大14.6%、14.2%和23.5%,动载效应越明显;间采比对周期来压步距影响不大,总体上煤柱影响阶段的周期来压步距是进出煤柱阶段的1.6~2倍,周期来压步距越大造成顶板悬伸长度增大,导致工作面来压时支架载荷明显。根据过煤柱阶段不同水力压裂范围的矿压规律分析,压裂后的支架平均载荷较未压裂减小11.2%~15%,来压步距减小7.8%~20.3%,水力压裂效果较明显,可有效地降低工作面过煤柱采动的强矿压风险,为类似开采条件的强矿压控制提供借鉴意义。

矸石电厂粉煤灰薄喷材料制备及性能研究

为实现矸石电厂粉煤灰的综合利用,在分析了陕西黄陵矸石电厂粉煤灰理化性能基础上,研究粉煤灰掺量、胶沙比、粉煤灰质量分数对薄喷材料流动性能及抗压强度的影响规律。通过正交实验确定了矸石电厂粉煤灰薄喷材料基础配比,并采用扫描电镜(SEM)对薄喷材料1、28 d龄期的微观结构进行表征。通过外加剂对材料流动性能进行调控,揭示了调控机理。研究结果表明,当粉煤灰∶水泥(质量比)为6∶1,胶沙比(质量比)为1.0∶1.2,粉煤灰质量分数为77%,聚羧酸减水剂掺量为0.5%(质量分数),SD-WJ40液体无碱速凝剂掺量为11%(质量分数)时,薄喷材料性能满足混凝土基层喷浆处理技术规程要求。

纤维素醚改性粉煤灰基薄喷材料性能研究

采用纤维素醚(羟乙基纤维素醚、羟丙基甲基纤维素醚)对粉煤灰基薄喷材料的粘结性能进行改性研究,研究了纤维素醚的黏度、取代基对粉煤灰基薄喷材料粘结强度、稠度及其抗拉强度、抗压强度的影响规律。采用扫描电子显微镜研究了纤维素醚掺入前后粉煤灰基薄喷材料28 d试样的微观结构,揭示了纤维素醚对薄喷材料粘结性能改性机理。结果表明,加入纤维素醚后,薄喷材料的粘结强度显著提高。相同取代基下,掺入低黏度的纤维素醚试样的粘结性能更高。不同取代基下,羟乙基纤维素醚试样粘结强度更高,对力学性能的不良影响更小。掺入0.05%(占胶凝材料质量分数)羟乙基纤维素醚的粉煤灰基薄喷材料28 d粘结强度达到1.67 MPa,抗压强度为11.4 MPa。

浅埋近距离煤层过斜交区段煤柱开采矿压规律研究

为了探究浅埋近距离煤层工作面开采过不同斜交角度煤柱的矿压规律,保障工作面安全高效回采,采用现场实测和数值模拟相结合的方法,分析了11°、30°、45°、60°和75°斜交角度的采动应力演化特征,揭示了工作面过不同斜交角度煤柱的应力变化规律。结果表明:根据过11°斜交煤柱矿压规律实测,工作面来压位置随煤壁与斜交煤柱叠加区而移动,在工作面中部压力最大,机尾次之,机头最小;工作面机尾过煤柱时应力集中最明显;中部过斜交煤柱时,随着斜交角的增大,超前煤壁峰值应力自30°以内为中部宽缓单峰,45°~75°为中部斜交区和机尾双峰,且机尾峰值较大;机尾最大超前应力峰值随斜交角的减小而增大,峰值越靠近机尾;斜交角超过45°时工作面中部出现应力峰值,表现为双峰,该研究可为类似工作面过斜交煤柱开采提供借鉴意义。

浅埋煤层快速掘进巷帮蠕变效应及滞后支护

为确定榆神府矿区浅埋煤层煤巷掘进两帮合理滞后支护时间,提高掘进速度,避免采掘接续紧张,以张家峁煤矿14213胶带运输巷为研究对象,采用巷道围岩松动圈理论分析巷道围岩稳定性,确定两帮滞后支护的可行性;根据围岩蠕变规律,确定合理的巷道滞后支护时机和煤巷围岩蠕变采用的流变模型;采用FLAC3D软件和Cvisc流变模型模拟14213胶带运输巷掘进过程中不同滞后支护时间的两帮蠕变规律,确定合理的两帮滞后支护时间。结果表明:14213胶带运输巷开挖28 d以内,顶板及时支护条件下,两帮移近量较小;掘进29 d后两帮出现加速蠕变现象,两帮移近速率最大达到36 mm/d,为稳定蠕变阶段均值的18倍,塑性区最大发育深度达到1.3 m,两帮稳定性明显下降。巷道掘进28 d两帮进行滞后支护后,两帮未出现加速蠕变,塑性区发育深度0.5 m,比两帮不支护减小61.5%,巷道两帮稳定。研究结果在矿区成功应用,为煤巷掘进滞后支护提供科学依据。

浅埋煤层采场老顶周期来压的结构分析

建立了浅埋煤层采场老顶周期来压的“短砌体梁”和“台阶岩梁”结构模型， 分析了顶板结构的稳定性， 揭示了工作面来压明显和顶板台阶下沉的机理是顶板结构滑落失稳， 给出了维持顶板稳定的支护力计算公式， 为浅埋煤层顶板控制定量化分析提供了理论基础．

固液耦合试验隔水层相似材料的研究

隔水层的采动稳定性模拟是开展煤层采动水土流失规律和保水开采控制研究的关键,隔水层相似材料的研制与配比变化规律研究是隔水层稳定性模拟的基础和前提。针对黏土隔水层物理力学特性及水理性,选取多种原料进行正交试验对比,得出硅油是最佳的低强度非亲水胶结剂,而凡士林为最佳的塑性变形的胶结剂,黏土对强度、塑性以及水理性都具有显著影响。通过强度、塑性和水理性的配比试验,可以模拟隔水层的应力-应变全程相似和水理性相似的"固-液"耦合模拟材料配比,解决隔水层塑性和水理性模拟难题。根据榆树湾煤矿地质原型,进行长壁工作面开采的"固-液"耦合相似模拟试验,验证相似材料配比的可行性,实现塑性隔水层的相似模拟,发现影响隔水层采动稳定性的关键因素是上行裂隙和下行裂隙。

浅埋煤层工作面液压支架工作阻力的确定

陕北神木大砭窑矿5-2煤层埋深83 m,表土层厚度43.8 m,属于典型的浅埋煤层.本文采用最新开发的应力应变全程相似模拟技术,揭示了工作面顶板初次垮落步距为30 m,周期来压步距为20 m,充分采动距离为60 m.预计了工作面来压期间工作阻力为6300~7119 kN/架.最后,采用浅埋煤层"台阶岩梁"理论和工程类比方法,验证并确定了合理的支架支护阻力.

近浅埋煤层大采高工作面双关键层结构分析

根据实测统计分析,近浅埋煤层大采高工作面支架载荷普遍较大,且随采高增大有增加的趋势,工作面来压存在大小周期,厚度较大的等效直接顶静载是工作面支架的基本载荷。通过物理模拟实验,揭示了大采高工作面直接顶变厚和顶板结构铰接点上移的机理,提出了"等效直接顶"的定义,建立了近浅埋煤层大采高工作面顶板"双关键层"理论。近浅埋煤层大采高工作面顶板主要表现为"双关键层"结构,根据等效直接顶对采空区的充填程度,双关键层顶板结构分为"双砌体梁"和"斜台阶岩梁-砌体梁"两类,常见的是"斜台阶岩梁-砌体梁"双关键层结构。建立了双关键层顶板结构模型,揭示了工作面出现大小周期来压的机理,给出了支架初撑力和工作阻力的计算公式,可为近浅埋煤层大采高工作面顶板控制提供理论依据。

浅埋煤层地表厚砂土层“拱梁”结构模型研究

西部地区拥有储量最大的浅埋煤田,煤层顶板主要特点是基岩薄,地表为厚砂土层。浅埋煤层采动后,上覆岩层垮落运动将直接波及地表厚砂土层,引起采场强烈来压及地表塌陷等灾害。通过物理模拟试验,揭示了厚砂土层贯通地表裂缝的形成和发展规律,发现地表厚砂土层初次垮落的"拱梁"和周期垮落的"弧形岩柱"结构。通过建立厚砂土层"拱梁"结构数学模型,得出了"拱梁"内的应力分量,并给出了厚砂土层破裂的判据和出现拉裂缝的位置,为确定周期性"弧形岩柱"的有关参数提供了依据,为工作面顶板压力控制和地表塌陷的分析提供了基础。

含软弱夹层厚煤层巷帮外错滑移机制与支护研究

含泥岩软夹层大采高工作面回采巷道外错式变形破坏是巷道支护的新课题。通过对三道沟煤矿含软夹矸层5-2厚煤层回采巷道变形实测和围岩钻孔窥视,发现了巷道顶板存在垂直裂隙,巷道两帮破坏区集中于夹矸层附近,且具有副帮大于正帮的特征,巷道变形主要来自于相邻采空区的影响。通过数值计算和物理模拟,揭示了相邻工作面侧方支承压力导致顶板产生垂直向裂隙,引起顶板与巷道夹矸层以上煤体沿软夹层向相邻采空区外错滑移的机制。建立了含软夹矸层巷道自稳平衡拱支护模型,提出了加强巷道上帮支护,控制外错滑移破坏的控制原则,给出了顶板锚索与煤帮长锚杆加强支护方案,工程实践取得了成功。

浅埋近距煤层开采三场演化规律与合理煤柱错距研究

为探索浅埋近距煤层开采基于三场(应力场、位移场和裂隙场)演化规律的合理煤柱错距,实现井下减压与地表减损开采,以陕北柠条塔煤矿北翼东区1^(-2)与2^(-2)煤层开采为背景,采用FLAC^(3D),UDEC数值计算、物理模拟及理论分析相结合的方法,揭示了近距煤层开采覆岩与地表应力场、位移场和裂隙场演化规律,掌握了不同区段煤柱错距对煤柱集中应力、覆岩与地表位移及裂隙演化的影响,提出了基于三场演化规律的区段煤柱错距确定方法。研究表明,近距煤层开采的裂缝集中发育和地层拉、压应力集中源于煤柱引起的非均匀沉降,上部单一煤层开采后,在底板形成煤柱高应力区、低应力区和采空区中部高应力区,为避开上、下煤柱垂直应力叠加,下煤层巷道应布置在低应力区范围内。近距煤层开采的地表拉应力场和位移场与煤柱错距存在密切联系,通过合理的煤柱错距布置,可以减缓地表下沉的"波状"幅度,减轻地表拉应力和水平变形。随两煤层煤柱错距增大,覆岩裂隙场由叠合逐渐分散,对应地裂缝逐渐减小,煤柱错距对其上部的覆岩裂隙与地裂缝起控制作用。建立了应力场-位移场-裂缝场耦合控制模型,提出了煤柱错距的计算方法,可实现减轻地应力集中和地裂缝发育的耦合控制。本研究得到实测验证,并在柠条塔煤矿后续开采布置中应用。

黏土隔水层相似材料胶结剂的正交实验分析

采动隔水层的稳定性模拟是研究浅埋煤层保水开采的关键,隔水层相似模拟材料的开发则是模拟实验的基础.借助正交实验方法,将备选的胶结材料硅油、水玻璃和凡士林作为影响实验的几个因素,对其变形性(弹性模量E)和水理性(渗透性v)进行正交实验,确定了硅油是最佳的低强度非亲水胶结剂,而凡士林为最佳的塑性变形的胶结材料,黏土对强度和塑性以及水理性都具有显著影响.从强度、塑性和裂隙弥合性等方面,对材料的配比进行了研究,得出了可以全面模拟隔水层的应力应变全程性质和水理性的相似模拟材料与配比.

老顶岩块端角摩擦系数和挤压系数实验研究

通过岩块实验、相似模拟和计算模拟 ,研究了采场老顶岩块端角摩擦和端角挤压特性。得出老顶岩块端角摩擦角为岩石残余摩擦角 ,摩擦系数确定为 0 .5 ;端角挤压强度受弱面的影响明显且具有规律性 ,端角挤压系数确定为 0 .4。

巷道冲击地压的损伤断裂力学模型

分析了平巷煤壁中预存裂纹尖端产生翼型张裂纹 ,形成薄煤层壳 ,薄煤层壳弯曲变形失稳引发冲击地压的机理 .分析过程采用了断裂力学中的Griffth能量理论及能量判据 ,考虑了材料的损伤积累 ,把裂纹扩展过程与材料损伤过程耦合起来 ,确定了发生冲击地压的临界应力σc,并分析了其影响因素 .

浅埋煤层大采高工作面矿压规律及顶板结构研究

基于对榆神府矿区的大量实测分析,得出大采高工作面支架阻力随采高的增大呈现非线性增大,在采高增大到6 m后支架载荷迅速增大。支架动载系数随采高的变化不大,一般为1.4左右。工作面顶板来压步距随采高变化不大,初次来压步距35~70 m,周期来压步距9~20 m。顶板垮落带高度为采高的2~4倍,随采高的增大线性增大。工作面超前支承压力峰值随采高的增大略有降低,峰值位置与煤壁距离约为采高的2倍。根据现场实测和物理模拟分析,大采高工作面顶板形成'厚等效直接顶',使基本顶关键层铰接结构层位上移。根据直接顶充填条件,可分为充分充填型和一般充填型两类。针对常见的一般充填条件,提出了大采高工作面顶板的直接顶'短悬臂梁'结构和基本顶关键层'高位斜台阶岩梁'结构模型,给出了工作面额定支护阻力的计算公式,揭示了大采高工作面来压机理。最后,对理论计算公式进行了实例验证。

构造破碎带大巷复修的支护理论与实践

太平煤矿南三运输大巷处于地质构造破碎带,通过实测分析,将巷道破坏划分为斜冒型、顶冒型、垮帮型、帮顶冒落型和高冒型五种类型。基于巷道破坏的机理分析,将两帮和顶板作为统一体,建立了自稳隐形拱理论,提出了复修支护的机理和原则,给出了确定支护参数和工艺的方法,通过实践证实是成功的。