Overburden fracture evolution laws and water-controlling technologies in mining very thick coal seam under water-rich roof

Considering the danger of water inrush in mining very thick coal seam under water-rich roof in Majialiang Coal Mine,the universal discrete element(UDEC)software was used to simulate the overburden fracture evolution laws when mining 4#coal seam.Besides,this study researched on the influence of face advancing length,speed and mining height on the height of the water flowing fractured zones(HWFFZ),and analyzed the correlation of face advancing length and change rules of aquifer water levels and goaf water inflow.Based on those mentioned above,this research proposed the following water-controlling technologies:draining the roof water before mining,draining goaf water,reasonable advancing speed and mining thickness.These water-controlling technologies were successfully used in the feld,thus ensured safely mining the very thick coal seam under water-rich roof.

厚硬顶板高强度开采覆岩破断 及来压规律研究

针对榆神矿区厚硬顶板高强度开采条件下,工作面煤壁片帮大、支架结构件损坏等强矿压问题,采用了数值计算、理论分析和微震监测等技术手段,对工作面覆岩破断运动及来压规律进行了分析研究。结果表明,厚硬顶板破断具有明显的垂向分区下沉特征,高、低位岩层之间较大的垂向离层空间和自下而上顺次交替垮落孕育了顶板“高+低层位组合破断”的时空基础;“小周期”来压期间内,来压强度将随着直接顶破断发育高度的降低而减弱,直接顶碎胀系数的增大将有利于来压强度的降低;“大周期”来压期间内,中高位岩层垂向破断高度和走向破断步距的增大都将引发来压强度上升,厚硬关键层的组合破断是“大周期”来压增强的关键诱因。针对该条件下的强矿压防治,提出了“弱化低位顶板、优化破断结构”和“弱化高位顶板、改变破断次序”的技术思路,并取得了较好的应用效果。

极薄煤层半煤岩巷道切顶成巷矿压规律研究

针对禾草沟二号煤矿1105工作面回风巷出现的矿压显现异常、支护困难等现象,结合矿井实际情况,确定采用沿空留巷支护技术。通过数值模拟和现场实测相结合的方法对切顶成巷矿压规律进行研究,研究结果表明:切顶留巷后,巷道顶板垂直应力明显下降,工作面回采过程中,顶板应力变化呈单峰分布,工作面超前支承应力影响范围大于60 m,工作面侧向支承应力影响范围约为60 m,当工作面回采到90 m时,巷道顶板垂直应力变化达到最大。根据矿压监测结果,薄煤层切顶爆破之后,恒阻锚索受力明显减小,成巷效果良好,恒阻锚索和巷道围岩变形均呈现“稳定—快速—缓慢—稳定”的变化趋势。巷道顶底板最大变形位置为巷道中部,顶板在工作面回采110 m后达到稳定状态,底板在工作面回采80 m后达到稳定状态。

基于弹塑性力学的滑移支架多工况数值分析

针对两淮地区煤矿深部破碎软弱围岩支护的难点及其支护机制,设计研发自移式不反复支撑顶板液压支护支架。基于弹塑性力学建立数值分析模型,计算多工况下迈步过程中液压支架位移、应力、应变等力学参量。研究结果表明,在工况1时最大等效应力为245.33 MPa,工况2时最大等效应力为246.82 MPa,工况3时最大等效应力为245.27 MPa。3种工况的最大应力值不超过材料的屈服强度,满足要求,支架能够正常进行支护作业。研究结果可以为全面评估液压支架可靠性、稳定性以及施工工艺优化提供理论依据。

特厚煤层开采坚硬顶板覆岩结构及其演化特征分析

特厚煤层开采形成了大空间采场,坚硬顶板断裂扰动波及范围广,工作面来压具有强矿压特征,尤其当煤层顶板“见方”开采期间,采场矿压作用更加强烈。据此,采用现场实测和物理三维相似模拟方法,探讨了特厚煤层开采覆岩扰动高度及坚硬顶板断裂特征。首先基于现场实测研究分析了覆岩破断失稳规律,实测结果表明,特厚煤层开采过程中,煤层顶板存在超前断裂现象。伴随工作面的推进,顶板初始运动主要是围绕断裂线近区基点旋转下沉,滞后工作面一定距离;地表岩移观测结果表明,特厚煤层顶板分层构成顶板群组并产生组合运动,具有层位运动特点,且伴随工作面推进,层位顶板运动存在阶跃现象。基于地表裂缝形态及钻孔多点岩移观测反演,揭示了特厚煤层开采过程中的顶板断裂及运动特征,认为特厚煤层开采覆岩扰动高度大,坚硬顶板断裂具有转向特征,伴随煤层开采推进,由低位顶板层位的横向“O-X”断裂逐渐向高位硬岩的纵向“O-X”断裂转向;特厚煤层坚硬顶板开始发生断裂转向的临界位置即所谓的煤层开采“见方”区,合理解释了工作面开采的“见方”来压现象;高位顶板纵向断裂尺寸大,扰动影响范围广,是诱发采场强矿压的主要因素,确定了特厚煤层采后覆岩“低-中-高”层位结构的合理性,为大空间采场大小周期及强矿压显现的准确解释提供了依据。

综放工作面煤柱尺寸对顶板破断结构及裂隙发育的影响规律

煤层开采后基本顶破断结构直接影响上覆岩层裂隙区的范围和发育程度,运用理论分析和数值模拟相结合的方法,对不同煤柱条件下基本顶破断结构以及由此带来的顶板裂隙发育区演化规律进行了研究。上工作面侧向破断"三铰拱"结构使下工作面基本顶破断由固支悬臂梁结构变为铰支结构,煤柱两侧形成不对称裂隙发育区。研究结果表明:中小煤柱时,岩块铰接回转,岩块长度大于基本顶悬臂极限断裂长度且随煤柱尺寸增加逐渐增加,裂隙发育区范围随之增加;大煤柱时,下工作面基本顶破断超出上工作面侧向结构影响范围外,岩块长度不变。回转角度由岩块长度和下沉量共同决定,并通过理论分析得到了相应的计算公式。

长壁工作面顶板周期下沉量的理论分析与实测研究

为了研究长壁工作面顶板周期下沉量对支架支撑高度的影响,本文以某长壁工作面为背景,利用数值模拟和理论分析方法,通过分析长壁工作面上覆岩层运动规律,对浅埋深长壁工作面顶板破坏特征进行研究,并对顶板所成结构形式进行了探讨,分析了顶板周期下沉量对支架支撑高度的影响,最后通过现场实测数据对所得结论进行了验证。研究结果表明,顶板最大周期下沉量对于确定工作面采高及支架最小可缩量具有重要意义。本文的研究结论对浅埋深长壁工作面顶板结构形式也提出了新的探讨。

深部高强锚注切顶自成巷方法与验证

针对深部高应力回采巷道围岩控制难题,以我国最大采深矿井——山东泰安孙村煤矿为工程背景,对传统沿空掘巷、锚杆(索)支护巷道进行监测分析,结果表明:巷道围岩变形量大,破坏范围广,锚杆大部分处于强度劣化区内,难以发挥支护作用,锚索受力大,接近极限破断力。为解决上述问题,系统开展了不同煤柱宽度、地应力大小、顶板围岩强度、切顶高度等影响因素下的数值试验研究,建立了顶板应力释放率、侧向支承压力提升率与围岩变形控制率等定量评价指标,对比分析了多种因素下切顶自成巷与沿空掘巷矿压变化规律与围岩控制机制。基于此,提出了深部高强锚注切顶自成巷方法,利用高强锚注提高巷道顶板完整性,利用顶板预裂切缝切断采空区与巷道顶板之间的应力传递,使巷道处于应力降低区。为进一步验证该方法的合理性,利用自主研发的地质力学模型试验系统,开展了模型试验对比研究,高强锚注切顶自成巷围岩应力比沿空掘巷平均降低20.8%,围岩变形量为后者的45.1%,应力释放与围岩控制效果明显。结合上述研究,提出了相应的工程建议,并在孙村煤矿2215工作面进行了现场应用,监测表明该方法有效控制了巷道围岩变形,实现了无煤柱开采。

厚煤层切顶卸压无煤柱自成巷围岩变形规律研究

为研究厚煤层切顶卸压无煤柱自成巷道围岩变形规律,以柠条塔煤矿S1201-II工作面为工程背景,分别采用现场实测和FLAC3D数值模拟计算的方法对巷道顶底板变形及自成巷围岩支承压力分布进行研究。结果表明:厚煤层切顶卸压自成巷道围岩稳定性分布规律可分为压力变化区、压力趋稳区和压力稳定区三个阶段;在工作面向前推进期间,巷道围岩支承压力最大值达到9.19MPa,稳定值为8.47MPa,支承压力峰值点距离煤壁6~9m;确定滞后工作面200m为保守安全位置,200m后可全部回撤临时加强支护设备;滞后工作面90m之内巷道围岩变形明显,为重点支护区域,以确保生产安全。研究成果在现场实际工程中的成功应用,对于切顶卸压无煤柱自成巷道技术在厚煤层开采中的推广应用提供了有益借鉴。

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。

下行通风瓦斯运移规律及瓦斯抽放技术研究

采用RFPA2D数值模拟软件对东庞矿21101工作面煤层顶板冒落规律及裂隙特性进行了数值模拟,利用模拟结果分析采空区顶板产生裂隙、断裂、冒落和离层情况及其变化规律。采用Fluent数值模拟软件对下行通风工作面采空区瓦斯运移及分布规律进行了模拟研究。在此基础上对21101工作面高位钻孔参数进行了优化设计,并对抽放效果进行了考察分析。验证了下行通风工作面瓦斯运移规律研究的准确性及高位钻孔设计的合理性。

大倾角近距离煤层开采覆岩运移及顶板破坏特征

大倾角近距离煤层采场的矿压显现规律较大倾角单一煤层长壁采场更为复杂,需进行深入的研究。以2130煤矿4#煤和5#煤近距离大倾角煤层开采为背景,采用物理相似材料模拟实验、数值计算、理论分析和现场试验相结合的研究方法,系统研究了大倾角近距离煤层采场的覆岩运移及顶板破坏特征。结果表明,大倾角近距离煤层的连续开采,影响采场的覆岩垮落规律、围岩应力分布、顶底板变形破坏特征;近距离煤层两工作面不同的位置关系导致下煤层工作面顶板形成不同的力学结构、发生不同的变形破坏及位移,影响下层煤开采的矿压显现;25221工作面的基本顶岩梁首先于上端处发生破断,并在之后的运移中于中部再次发生破断,影响了工作面支架载荷与稳定性,使工作面支架呈现出倾斜中部受载较大、下部次之、上部最小和中下部支架受载稳定、中上部受载多变的非对称特征。研究结果可为大倾角近距离煤层开采提供理论依据,并为2130煤矿的后续开采提供参考。

急倾斜煤层综采工作面顶板活动规律的数值模拟研究

以新强煤矿45051急倾斜综采工作面为工程背景,采用UDEC数值模拟计算的方法,研究不同煤层厚度、倾角及面长条件下工作面顶板的活动规律。研究表明:急倾斜煤层工作面覆岩破坏的范围主要在采空区中上部,上部顶板主要受拉伸破坏,采空区底鼓现象比较明显;煤层倾角越大,煤厚越大,面长越长,急倾斜工作面顶板活动越剧烈,其中煤层倾角对其影响最大。研究结果对急倾斜工作面围岩与支架稳定性控制具有理论指导意义。

大倾角坚硬顶板厚煤层矿压规律数值计算

为了研究大倾角坚硬顶板厚煤层矿压显现规律,应用RFPA数值计算软件对大倾角坚硬顶板厚煤层顶煤的运动规律、顶底板的跨落规律及变形位移情况进行了模拟。得到主要结论为:大倾角煤层沿倾斜方向采场上覆岩层的移动和变形破坏特征是不对称的;上覆岩层在法向载荷的作用下普遍产生挠曲变形,变形规律为采场中上部下沉量较大,采场下侧下沉量较小;直接顶初次跨落步距约30 m;老顶初次来压步距约60 m,周期来压步距18～22m。

阳泉矿区首采大采高综采面矿压规律实测分析

寺家庄煤矿15104工作面是阳泉矿区首个大采高综采工作面,为了了解工作面矿压规律,对15104工作面进行了现场矿压实测与分析,结果表明,工作面初次来压步距为35.8m,周期来压步距为17.9m,动载系数为1.48,工作面中部来压超前于两端1～2m,支架初撑力偏低。实测结果对相同条件下煤层开采采场围岩控制和指导实践具有重要意义。

综放工作面顶板运动规律及支架-围岩关系研究

布尔台煤矿42103综放工作面回采过程中,经常出现台阶下沉甚至支架压死等现象,在对42103综放工作面支架合理工作阻力进行分析的基础上,采用理论推导和现场实测相结合的研究方法对工作面顶板运动规律进行计算,建立了42103综放工作面顶板结构模型,并分析支架-围岩的相互关系,利用顶板结构模型法和动载系数法综合计算确定了42103综放工作面支架合理工作阻力。研究结果表明:42103综放工作面顶板压力为1.63 MPa,支架合理工作阻力为18 709 k N,支架合理支护强度为1.71 MPa。

综放开采沿工作面倾向顶板垮落规律

为了研究综放工作面覆岩倾向破断规律,采用红外式综采支架压力监测仪,对灵武矿区磁窑堡二矿C142综放工作面矿压进行了监测,利用RFPA2D数值模拟软件对该工作面倾向覆岩破断规律进行了模拟。研究表明,工作面沿倾向矿压规律明显,直接顶和老顶破断均从工作面上部开始,随着工作面推进,破断位置逐步向工作面中部转移。工作面端头受压力拱保护,压力显现不明显,工作面上下顺槽煤壁支承压力规律明显。本论文对类似工作面矿压监测、生产管理提供了依据。

深部急斜特厚煤层水平分段综放面顶板控制技术研究

针对红会一矿八采区大埋深、大倾角特厚煤层开采过程中采场矿压控制问题,以八采区水平分段综放工作面顶板煤岩稳定性控制为目标,采用UDEC数值模拟方法,分析了开采扰动下工作面顶板运移破断特征。研究表明:急斜特厚煤层在开采扰动影响下,采区应力集中程度高,采场矿压控制问题突出,顶板变形特征呈倒三角状,煤壁易片帮,易诱发动力灾害。对顶板危险区域实施人工强制放顶后,煤层顶板发生切断现象,部分顶板发生垮落,直接顶充填采空区,顶板和冒落矸石有效的形成"垫层",减小了开采过程中顶板冒落、离层对工作面安全的危害。研究结果对现场安全开采提供了科学依据。

近距离高瓦斯煤层群大采高首采层煤与瓦斯共采

针对我国西部地区典型的近距离高瓦斯厚煤层大采高条件下开采扰动剧烈、沿空留巷难度大、上下向扰动卸压范围更大等煤气共采的技术难题,采用理论研究及数值分析的方法,在研究4.2 m大采高顶板裂隙发育及演化规律的基础上,揭示大采高工作面裂隙发育区的分布特征,找到了采空区瓦斯富集区,并提出采用大直径(φ=250 mm)钻孔群代替倾向高抽巷实现卸压瓦斯的高效抽采,安全连续高效生产原煤67.7万t,抽采瓦斯累计1 166.95万m3。

断层影响下采场顶板的破断规律研究

特殊地质赋存下顶板破断规律及压力分布的掌握对于煤炭开采过程液压支架的受力情况把握及支架选型具有非常重要的意义。基于UDEC软件对断层影响下采场顶板的破断规律进行了分析,研究了断层的不同带宽和产状对采场顶板最大下沉值和应力的影响规律,得到了不同断层分布影响下采场顶板的破断规律,这些将为断层影响下采区顶板的支护提供一定的理论指导。