Fracture mechanics model of fully mechanized top coal caving of shallow coal seams and its application

Based on break characteristics of roofs in fully mechanized top-coal mining of thick shallow coal seams, a fracture mechanics model was built, and the criterion of crack propagation in the main roof was derived using the fracture mechanics theory. The relationships between the fracture length of the roof and the working resistance of the supports were discovered, and the correlations between the load on the overlying strata and the ratio of the crack's length to the thickness of the roof were obtained. Using a working face of Jindi Coal Mine, Xing county Shanxi province as an example, the relationships between the fracture length of the roof and the working resistance of the supports were analysed in detail. The results give a design basis in hydraulic top coal caving supports, which could provide useful references in the practical application. On-site experiment proves that the periodic weighting step interval of the caving face is 15–16 m, which is basically consistent with the theoretical analysis results, and indicates that the mechanized caving hydraulic support is capable of meeting the support requirements in the mining of a super-thick but shallowly buried coal seam.

松软煤层大巷群卸-注-锚协同防控围岩变形技术研究

为防控松软煤层大巷群在非对称应力作用下发生流变变形,以赵庄煤业三盘区大巷群受采动影响产生持续性变形为研究背景,提出了卸-注-锚协同防控围岩变形新技术。通过开展数值模拟和宽煤柱护巷顶板结构分析,阐明了大巷群应力状态与采空区顶板的关联性,揭示了爆破裂隙带在阻隔应力传递的作用机制,明确了回采巷道顶板爆破预裂和盘区大巷多层位预裂的理论依据,构建了深-浅孔联合卸压工艺和以锚固-注浆为核心的内外圈协同加固技术,根据理论推演和现场试验确定了爆破预裂参数和注浆参数。工程实践表明:爆破工艺实现了坚硬顶板的充分预裂,锚固-注浆工艺提升了巷道围岩的整体性,3312工作面回采后大巷群顶底板和两帮移近量较小,达到了卸-注-锚协同防控围岩变形的目的。

过厚煤层综采工作面顶板支护技术研究与应用

过厚煤层综采工作面顶板支护技术对于煤矿的安全高效生产至关重要,综合分析了煤矿常用的支护技术,并针对存在的问题提出了相应的解决措施。通过优化支护结构设计、改进顶板管理策略、引入先进支护材料等手段,提高了支护结构的稳定性和工作面的安全性,最后将其应用于实际工程中,证明了该支护方式的有效性。

基于灰色关联与主成分分析法富水性的相关性研究

在收集新汶煤矿、新泰煤矿等鲁中、鲁西的煤层顶板砂岩涌水案例的基础上,为确定各评价指标(含水层厚度、砂泥比、钻孔浆液消耗量、断层分维值)对煤层顶板砂岩含水层富水性的相对重要性,基于灰色关联分析法(GRA)与主成分分析法(PCA)两种方法,研究得到主控因素与含水层富水性之间的相关性结果,用于相对客观地评价预测煤层顶板含水层的富水性。

特厚煤层综放开采支架工作阻力的确定

采用理论分析的方法对特厚煤层综放开采顶板岩层所成结构及支架工作阻力进行了研究。根据特厚煤层综放开采顶板岩层形成的"悬臂梁-铰接岩梁"结构,给出了直接顶、基本顶的新概念及判据;得出了特厚煤层综放开采支架工作阻力的解析计算式,并进行了实例验证。最后对所选架型现场的动态承载特征及其适应性进行了分析。结果表明:依据支架工作阻力解析式计算结果所选架型可靠性高、支架运行合理,利用率高,对工作面顶板条件适应性较好。

大倾角厚煤层长壁综放开采基本顶破断模式及演化过程(Ⅰ)——初次破断

大倾角特厚煤层走向长壁综放开采过程中,由于直接顶冒落后采空区充填不均匀,基本顶断裂呈现非对称特征。基于弹性力学理论,建立了横纵荷载作用下大倾角煤层基本顶的薄板力学模型,分析了基本顶上、下板面的应力分布特征,获得了基本顶断裂线发育轨迹与破坏区演化规律,提出了大倾角煤层基本顶的初次破断"V—Y"型断裂模式。研究表明,大倾角煤层基本顶初次断裂的空间顺序为"中上部→中下部→上部→下部"。结合数值模拟、现场监测等手段,验证了基本顶初次断裂过程中采场围岩应力场分布及矿压显现具有时序性和非对称特征。

大倾角厚煤层长壁综放开采基本顶破断模式及演化过程(Ⅱ)——周期破断

基于弹性力学理论,建立了大倾角综放工作面推进过程中基本顶由小三角形悬板→大三角形悬板→斜梯形板转化的薄板力学模型,计算出3种形状基本顶的上、下板面的应力分布,揭示了断裂线发育轨迹与破坏区演化过程,阐明了大倾角煤层基本顶周期破断的"四边形"型断裂模式。研究表明,大倾角煤层基本顶周期断裂的空间顺序为"中下部→中上部→上部→下部"。结合数值模拟、现场监测等手段,验证了基本顶周期断裂过程中采场围岩应力场分布及矿压显现具有时序性和非对称特征。

急倾斜特厚煤层水平分段开采老顶断裂力学模型

通过对急倾斜特厚煤层水平分段开采老顶破坏特点的分析,建立了老顶沿倾斜方向悬臂梁断裂的力学模型,推导得出老顶岩层悬臂梁能量表达式,提出了爆破断顶矿压防治技术,并在甘肃华亭煤矿试验成功.

近距离煤层层间基本顶损伤及破断规律研究

为掌握近距离煤层层间基本顶的损伤及破断规律,采用连续损伤模型对上煤层开采引起的底板损伤规律进行了研究,并依据层间基本顶在采空区损伤区域的层位对基本顶进行了分类,获得了损伤基本顶初次断裂长度计算公式。结果表明:底板损伤区域呈勺形分布,损伤量由损伤核区域向边缘区域递减;层间基本顶可分为无损伤、部分损伤以及完全损伤3类,3类基本顶对下煤层矿压显现的影响依次减弱;损伤基本顶的断裂长度随损伤量的增大而减小,存在极限损伤量,使得损伤基本顶的断裂长度趋近于0;损伤基本顶断裂形成的关键块高长比增大,砌体梁结构更易发生滑落失稳,其情况与斜沟煤矿现场矿压观测结果吻合。

基本顶断裂形式对倾斜煤层沿空半煤岩巷围岩稳定性影响研究及工程应用

倾斜煤层沿空半煤岩巷由于围岩结构的非对称性和非均质性,受采掘扰动影响,巷道围岩呈现更严重的变形破坏。为揭示不同基本顶断裂形式对倾斜煤层沿空半煤岩巷围岩稳定性的影响规律,采用数值模拟方法针对该类巷道4种基本顶断裂形式下巷道围岩变形特征进行了研究。结果表明:基本顶断裂线位置对该类巷道围岩稳定性的影响程度由小到大依次为:采空区侧、煤柱上方、实体煤侧、巷道上方;基本顶断裂线位于采空区侧时,煤柱轴向、横向应力增速均小于其他情况,垂直位移也最小,煤柱变形在允许范围内,可保持后期对顶板的支承能力,对巷道维护最有利。在此基础上,以贵州某矿1511工作面回风巷为工程背景进行了工业试验,通过理论计算和现场钻孔探测综合分析得出,为避免基本顶断裂线位于煤柱上方靠巷道侧,下一步掘进时煤柱宽度应由3 m改为5 m。掘采期间断面检测结果显示,断面最大收缩率为23.3%,最大非对称变形率为5.2%,巷道整体均匀协调变形,进一步验证了研究成果的可靠性。

冲击地压能量分布主控因素数值模拟研究

基于开挖掘进时煤岩体易积蓄能够引发冲击地压的弹性能,其能量的积蓄与开挖时间及空间状况因素密切相关。为明确开挖工程时对影响弹性能积蓄的因素及主次关系,以城山煤矿"7·16"冲击地压事故为实例,分析确定了开挖时间、煤层上方采空区、顶板强度3个因素对于弹性能积蓄的影响,并利用FLAC3D数值模拟软件对能量进行计算和提取,得到了不同因素对于弹性能分布的影响程度。结果表明:以上3个因素均会对煤岩体中弹性能的积蓄产生影响,各因素对于能量分布的影响程度由大到小依次为煤层上方采空区、顶板强度、开挖时间,因此断定煤层上方采空区为该矿此次事故发生的主控因素。

三软煤层坚硬老顶深孔预裂爆破试验

深孔预裂爆破技术是巷道开展切顶卸压进行围岩灾害控制的重要手段,爆破参数的合理设计对于取得良好的预裂效果至关重要,以桑树坪二号井3309工作面运输平巷坚硬老顶为研究对象,基于对老顶深孔预裂爆破机制理论研究,通过经验公式计算求解,结合现场深孔爆破试验及爆后孔壁窥视结果分析,最终通过一系列试验确定爆破参数设计孔径为75 mm,深度为15 m,装药长度为2 m(质量6.8 kg),封孔长度为10 m,炮眼间距为0.6 m,单次循环爆破6个炮眼时,炸药爆破能量利用率更高,可在相邻空孔孔壁观察到明显的变形破坏、形成贯穿性裂隙等,预裂效果基本满足巷道顶板超前卸压工程实施需求。研究结果表明:顶板深孔预裂爆破裂隙区相互贯通时可取得最佳的预裂效果,试验中选取装药量越大,炮眼间距越小,导向空孔布置合理,则爆破预裂效果愈加明显。研究成果可为类似条件下坚硬老顶深孔预裂爆破技术研究提供参考依据。

大倾角煤层综放开采老顶力学结构阻水性探讨

在大倾角煤层走向长壁工作面综放开采沿倾斜方向能形成老顶稳定结构的理论基础上,建立了一种能够描述较破碎老顶结构的力学模型,通过引入相似材料模拟实验得到的煤岩体参数,求解得到了本研究中的老顶稳定结构的力与位移关系式,可用于分析评价老顶结构的阻水性能。现场工作面以及采空侧的出水监测数据揭示了老顶稳定结构具有阻水性,验证了本文建立的老顶结构力学模型的合理性。计算结果显示老顶稳定结构的阻水效果受到煤层倾角的影响,推导了35°~55°倾角较破碎煤层老顶结构起到阻水作用所需的最小采深关系式,可为现场地表水害分区段治理提供理论依据。

永定高陂煤矿主采煤层顶板特征及类型分析

顶板灾害作为福建省煤矿安全开采的主要制约因素,对矿井安全生产构成很大威胁。为了减少顶板事故的发生以及优化升级顶板的管理,在分析高陂煤矿主采煤层顶板特征的基础上,从顶板岩性及其组合角度对其工程地质岩组、结构组合、沉积层序类型等方面进行了初步分析与总结。结果表明:高陂煤矿主采煤层顶板具有坚硬、较坚硬、软硬相间、软弱四种工程地质岩组类型;直接顶+老顶型、直接顶型、老顶型是该矿主采煤层顶板普遍的结构组合类型,而下软上硬型则是最主要的顶板沉积层序类型,矿压显现不强烈、不明显,来压强度不大、步距较小,是最有利于煤矿安全生产的顶板类型。

典型浅埋煤层长壁开采覆岩采动响应与控制研究

为了进一步完善典型浅埋煤层长壁开采覆岩运动与控制理论,以神东矿区22616工作面为工程背景,采用试验模拟、理论分析与现场应用相结合的方法,研究典型浅埋煤层长壁开采老顶破断特征及地表砂土层载荷传递效应,提出采场支架合理工作阻力计算方法,并成功应用于工程实践。研究结果表明:浅埋采场老顶滑落失稳瞬间,动载显现剧烈,覆岩台阶下沉明显,砂土柱间的摩擦作用导致地表砂土层载荷存在一定的传递效应,并非以其全部自重作用于基岩老顶。基于这一特性,引入岩柱法修正老顶结构经典力学模型参数,改进浅埋采场来压顶板支护力数学模型。理论计算采场初次来压控顶支架最大工作阻力为10 506.8 kN/架,周期来压控顶支架最大工作阻力为7 475.26 kN/架,均与现场观测数据较为吻合,采场ZY11000/24/50型液压支架刚好满足控顶要求,保障了工作面安全、高效开采,为典型浅埋煤层长壁开采工作面支架工作阻力确定及选型提供了重要参考。

临涣矿区界沟煤矿工程地质条件研究

根据主采煤层顶底板岩体岩性类型及结构面发育程度对其稳定性进行了评价:72煤层顶板以中等稳定—不稳定类型为主,82煤层顶板以中等稳定类型为主,10煤层顶板以中等稳定—稳定类型为主。在大量统计见煤点硬质岩百分含量(k值)的基础上,结合顶板岩石的单轴抗压强度,对各主采煤层顶底板工程地质类型进行了划分:72煤层以一、二类顶板为主,82、10煤层均以五类顶板为主。综合评价该矿工程地质条件为中等即Ⅲ类二型。根据研究成果,指出该矿在采掘过程中可能出现的工程地质问题,并依此提出了治理建议。

煤柱下开切巷应力分布分析及治理研究

为了消除宽沟煤矿B4煤层回采后遗留煤柱对下部煤层的影响,通过理论计算及数值模拟分析相结合的研究方法,对上煤层W1145工作面回采后所遗留的煤柱应力在底板传递的规律和下部煤层W1123工作面回采过程工作面应力分布状况进行研究,研究结果表明:B4煤层回采后煤柱应力变形集中区为13.12m;在煤柱铅直应力作用下,下部煤层距离煤柱60m处时,煤岩体内应力明显升高,距离剩20m左右位置时达到峰值;进入采空区后,煤岩体应力快速的降低,在远离煤柱35m后恢复至开采前的应力水平,影响走向范围可达140m。研究采用超前预裂爆破、两回采巷道侧向切顶方式综合处理顶板,以实现消除煤柱应力影响。

韩城区块煤储层间接压裂地质主控因素研究

为解决间接压裂技术在韩城区块适应性问题,采用控制变量法对影响间接压裂产气量的地质因素进行了定量研究,提出了在相同的条件下,增大射开顶板比例可在一定程度上提高间接压裂的改造效果。研究结果表明:影响间接压裂效果的地质主控因素为煤层顶板特性和煤体结构,其中当顶板为砂岩时,影响间接压裂效果的主要因素依次为层理、沉积韵律、泥质夹层、天然裂隙和砂体含水性;顶板为泥岩时,脆性指数的大小影响着间接压裂的改造效果,泥岩脆性指数大于40时,间接压裂对于增产才有效。而煤体结构对间接压裂的影响主要表现在:煤体结构越破碎,人工裂缝越不容易在煤层中延伸,且排采过程中更易产出煤粉,导致间接压裂增产效果变差。

采煤工作面煤壁片帮影响因素研究

通过理论分析和现场实测,研究了采高、支架工作阻力、煤体破裂角及节理面倾角、老顶回转角和停采时间等对采煤工作面煤壁片帮的影响。

年产千万吨300m长综放工作面开采技术

为实现矿井年产千万吨的目标,以平朔井工一矿浅埋深、两硬条件下的特厚煤层为例,介绍了采用国产成套装备为主的300 m长综放工作面安全高效开采技术,结合工作面矿压显现、支架适应性、顶煤冒放性等指标,评价了特厚煤层千万吨300 m长综放工作面安全高效开采效果。结果表明:采用300 m长工作面综放开采的采煤方法,确定割煤高度为3.8 m、放煤高度为8.7 m,通过合理配套工作面设备,工作面平均日产4万t左右,平均月产108万t,最高月产118万t,平均年产1 200万t以上,工作面采出率88.98%,实现了单工作面年产1 000万t以上的目标。