深埋薄基岩采场覆岩冒落拱与拱脚高耸岩梁复合承载结构形成机理与应用

焦作煤田赋存深埋厚冲积层薄基岩煤层,覆岩构成的特殊性导致顶板活动剧烈、地表下沉系数大,采场面临强矿压、突水溃沙威胁,沉陷区出现裂缝和积水,破坏房屋和农田。为提高深埋薄基岩采场围岩控制效果,以赵固二矿14030工作面为工程背景,采用室内试验、理论分析和现场实测等手段研究覆岩采动裂隙发育特征、顶板结构形态与承载机理,探究支架选型与灾害防控方法。结果表明:覆岩变形存在初始静止、慢速增长、快速增长和突变增长4个阶段,前2个阶段覆岩稳定,第3阶段因变形局部集中进入非稳定状态,第4阶段因非连续变形进入裂隙发育进程;采动裂隙萌生于高位厚冲积层,下行扩展导致基岩全厚断裂,形成覆岩冒落拱与拱脚高耸岩梁复合结构;覆岩连续变形受关键层控制,非连续变形由冲积层冒落裂隙主导;基于关键层沉降特征解释了采动裂隙萌生于高位厚冲积层的原因,揭示了裂隙下行扩展并贯穿岩层交界面的能量原理,采用断裂力学理论推导了基岩发生全厚剪切破断的力学条件;构建了冲积层冒落拱与拱脚高耸岩梁复合结构力学模型,提出了冒落拱极限承载能力与实际边界载荷计算方法,得到了冒落拱发生结构失稳的力学判据,采动应力旋转促进冲积层载荷向拱脚两侧传递,增强了冒落拱自稳能力;提出了基岩破断面恒定法向刚度条件下高耸岩梁承载能力计算方法,确定了保持岩梁平衡所需支架具备的支撑能力;基于厚冲积层冒落拱与拱脚高耸岩梁复合承载机理,提出了液压支架强度-刚度双参量选型方法和覆岩突水溃沙通道快速识别方法,实测结果表明赵固二矿14030工作面支架选型基本合理,突水溃沙通道识别则为顶板注浆钻孔参数确定提供了指导。

层状岩体巷道顶板冒落拱高度计算方法研究

普氏理论广泛应用于煤矿巷道顶板冒落拱计算中,但煤矿巷道顶板岩体多为层状岩体与普氏理论的假设存在一定差别,文章基于普氏理论的基本思想,通过分层冒落和层状岩体全冒落两种假设推导出了层状顶板巷道冒落拱高度分层计算公式。利用推导出的水平和倾斜层状岩体冒落拱分层计算公式可以方便的计算层状岩体巷道冒落拱高度。通过工程实例对比分析,发现冒落拱高度分层计算公式的结果更符合实际情况,这也为层状岩体中修筑地下工程巷道支护设计提供了参考依据。

处理空区冒落拱模型的建立

以河北省地方铁矿为研究对象,分析空区形状和岩体失稳冒落规律的关系,运用弹、塑性理论经过推导和分析,确定冒落拱的高度和形状,建立了处理空区的冒落拱模型,对地下开采的矿山空区处理问题上具有普遍指导意义。

基于普氏冒落拱理论的矽卡岩型底部结构支护优化研究

针对某铁矿复杂破碎大水矽卡岩型底部结构节理裂隙发育、岩石强度低、遇水易膨胀,以及现有锚网喷支护方式效果不理想等难题,本文展开支护参数优化研究。首先根据室内膨胀性试验确定矽卡岩岩体物理化学性质,其次以普氏冒落拱理论为巷道支护原则,采用理论计算与数值模拟方式确定矽卡岩底部结构支护参数,最后通过现场监测分析确定矽卡岩底部结构合理的支护参数合理性。室内膨胀性试验表明,现场矽卡岩中的黏土矿物遇水极易膨胀,20 h吸水后膨胀率达到85.06%。数值模拟结果表明,增加预应力锚索后巷道变形量明显变小,由30 d巷道收敛现场监测结果可知,顶底板及左右帮位移累计量仅为52 mm和39 mm。研究结果表明,矽卡岩型巷道开挖后应迅速进行素喷工序封闭,素喷+锚杆+预应力锚索联合支护技术可以有效解决某铁矿底部结构巷道围岩稳定控制难题,保证出矿进路在使用期限内的基本稳定和矿体安全高效回采及主要穿脉的长期稳定。

陡倾结构金属矿山岩移规律的模型试验研究

陡倾地质结构金属矿床大部分形成于构造断裂带,崩落法开采会产生显著的岩层移动现象。以湖北黄石的金山店铁矿典型地质剖面为基础,构建地质结构模型。通过缩尺物理模型试验,研究陡倾地质结构对崩落法采矿岩层移动的影响规律。研究结果表明,受陡倾地质结构的影响,采空区岩层移动可分为缓慢增长、快速增长与地表塌陷破坏3个阶段,其中上盘岩移范围远大于下盘,上盘以倾倒变形破坏为主,下盘以剪切滑移破坏为主;采空区顶板岩层一方面不断崩落填充采空区控制岩移,另一方面形成冒落拱,以拱脚抵制上下盘陡倾岩层朝向采空区移动;当顶板崩落至地表后冒落拱的支撑作用消失,近采空区的上盘岩层发生倾倒折断塌陷,下盘岩层发生剪切滑移塌陷。

煤矿巷道冒落拱高度的测量方法

煤矿巷道的围岩条件复杂多变,且围岩力学性质参数难以及时取得准确值,因而用普氏理论计算冒落拱高度并确定围岩压力时往往造成偏差,这影响巷道支护参数确定的准确性。利用现场监测直接测定冒落拱高度可解决这一问题。以陕西某煤矿巷道为例,介绍利用顶板离层仪进行巷道顶板下沉观测,以获得巷道顶板冒落拱高度的方法。实践表明,这一方法能够准确、快速地得到巷道顶板冒落范围,进而可计算出正确的围岩压力值,对巷道围岩支护参数的合理设计具有一定实际意义和工程价值。

大倾角极近煤层群大跨度切眼全锚索支护技术

为解决大倾角极近煤层群大跨度切眼支护难题,以潘二矿潘四东井11215工作面切眼为工程背景,基于普氏理论与改进的全冒落拱高度计算方法得出可能的冒落高度分别为3.64 m和4.04 m,并采用钻孔窥视的方法进行了顶板岩性分布特征探测。据此提出了切眼梯级全锚索支护技术,并分析了其支护机理:应用4.5 m短锚索加长锚固预紧力损失率较低的特性,大幅提高支护结构早期支护强度与刚度,控制岩层离层、错动及新裂隙的产生;应用8.2 m加长锚索,利用其自由段弹性变形,与顶板变形释放相耦合;应用9.2 m超长组合锚索,建立浅部支护与深部锚固的力学联系,结合单体顺山棚被动支护实现切眼顶板支护安全保障。研究提出了切眼梯级全锚索支护技术方案,并采用数值模拟、矿压观测等方法进行了支护效果评价,结果表明,采用梯级全锚索支护技术能够有效控制大倾角极近煤层群大跨度切眼的围岩变形,满足了11215工作面切眼的正常使用要求。

大断面下山煤巷围岩稳定性控制技术

为了解决寨崖底煤矿大断面煤巷下山支护困难的问题,根据自然平衡拱理论建立力学模型,从理论上分析了下山围岩的受力状况,并采用数值模拟软件FLAC3D分别对3～6 m不同巷宽和巷高条件下围岩的变形破坏规律进行研究。在此基础上,确定了大断面下山煤巷的2个受拉破坏区域为关键部位,提出了大断面下山煤巷整体稳定、关键部位重点加强的稳定性控制措施。实测结果表明,采用HRB335高强度锚杆配合17.8 mm小孔径预应力锚索的稳定性控制技术,可以使下山煤巷围岩变形量控制在120 mm以内,确保下山煤巷围岩的稳定性。

风氧化带锚网索支护技术的研究与应用

城郊煤矿21205工作面胶带巷掘进至通尺1100m时遭遇风氧化带,通过"冒落拱"模型对巷道断面进行了优化,利用"悬吊理论"对支护参数进行了重新设计,同时通过加强监控检测等方法安全有效地通过了风氧化带区,取得了很好的效果。

沿空巷道锚杆支护参数优化及应用研究

通过数值分析手段,采用普氏冒落拱理论对沿空巷道内采用类比法得到的锚杆长度进行了重新校核,探讨了在此种条件下锚杆长度的变化对围岩变形、应力变化、巷道破坏的影响,并最终确定了合理的支护参数,得到了在此种条件下的围岩控制技术。

特大综放工作面两柱掩护式支架适应性分析

为了研究两柱掩护式支架在特大综放工作面对顶板的控制效果,理论分析了综放两柱掩护式支架的控顶机理,建立两柱和四柱式支架前立柱倾角分别为85°和90°的数值模型,对比分析了不同类型支架对综放工作面顶板的控制效果。结果表明:因煤壁侧和支架侧顶板煤体的水平载荷不同,顶煤力学模型呈非对称冒落拱,且水平力指向煤壁方向时有利于顶煤的稳定;前立柱倾角为90°时,两柱和四柱式支架控顶性均不好,前立柱倾角为85°时,由于两柱式支架产生指向煤壁方向的水平力,使两柱支架支护效果明显好于四柱支架。

综采面直接顶块状松散岩体冒顶之分析与防治

在破碎顶板冒顶现场防治实践和模拟实验结果基础上，建立和分析直接顶块状松散岩体冒顶力学模型，提出有效防治块状松散岩体冒顶的方法。

综采工作面直接顶松散漏顶及其控制

本文在大量现场实测与调研基础上,分析直接顶松散漏顶特征和建立冒落拱力学模型;综合现场实测资料、生产对控顶要求、实验室模拟试验和冒落拱计算分析结果确定冒顶控制指标和控制技术措施。

轻型综放工作面上隅角瓦斯治理研究

通过对轻型综放工作面的瓦斯涌出来源的分析 ,提出了上隅角垂直钻孔和底板钻孔抽放治理瓦斯的方法。现场应用证明效果良好 ,克服了高位钻孔岩性差时塌孔 ,抽放效果差的问题 ,是值得推广应用的一种治理上隅角瓦斯的较好方法。

不同围岩条件下U型钢支架关键加固位置的研究

基于普氏压力拱理论和力法原理,提出巷道支护中U型钢支架的力学模型,研究了U型钢支架的承载特性和加固技术,分析了U型钢支架关键加固位置与岩石内摩擦角之间的关系。研究结果表明:U型钢支架横截面的弯矩主要与巷道围岩的垂直压力、水平压力、巷道断面尺寸、弹性模量、岩体重力密度、冒落拱底宽、岩石抗压强度和坚固性系数等因素有关;U型钢支架关键加固位置与岩石内摩擦角、冒落拱底宽有关;U型钢支架拱梁关键加固位置介于65°~71°之间,随着岩石内摩擦角的增大,拱梁关键加固位置距拱顶变远;U型钢支架腿柱关键加固位置在0~1.01 m内,腿柱关键加固位置随着岩石内摩擦角的增大而逐渐下移。

梯形金属支架支护失效的关键部位分析

为了分析梯形金属支架变形的关键部位,基于普氏地压理论和力法原理,建立了梯形金属支架的力学模型,推导了梯形支架变形关键部位的解析解,分析了不同型号矿工钢支架变形关键部位的强度,讨论了棚柱倾角和岩石内摩擦角对关键部位的影响。计算结果表明,梯形支架在对称载荷作用下,不同型号矿工钢梯形支架棚梁变形的关键部位均在棚梁跨中截面,与载荷大小、冒落拱底宽以及岩石内摩擦角等因素无关;而棚柱变形的关键部位与巷道断面尺寸、冒落拱底宽、棚柱倾角、岩石内摩擦角等因素有关,棚柱关键部位距巷道底板0.55~0.63 m之间;随着棚柱倾角的增大,棚柱变形的关键部位距离巷道底板越远;随着内摩擦角的增大,棚柱变形的关键部位越靠近巷道底板。

特厚松散覆岩采煤工作面顶板破断规律研究

针对特厚松散顶板采煤工作面顶板破断机理研究不足造成顶板漏冒压坏工作面液压支架问题,采用理论分析、相似模拟实验、数值模拟分析等手段,进行特厚松散顶板采煤工作面顶板破断规律、机理及特征研究,进行特厚松散顶板在采动过程中的裂隙发育情况、离层情况、冒落和垮落特征分析。研究得出:特厚松散顶板采煤工作面顶板垮落特征与常规顶板地质条件下有所不同,特厚松散顶板以冒落拱形式破断;基于特厚松散顶板破断特征,利用采动岩体力学理论,建立了特厚松散顶板破断的力学模型,确立了特厚松散顶板采煤工作面冒落拱参数。该技术成果可为其他类似地质条件矿井煤炭开采提供技术指导。

全煤锚网支护巷道锚索加固技术研究与实践

结合井下实际应用经验,通过对锚索加固机理分析、加固参数设计计算、施工工艺方法优化和加固效果的观测及评价,介绍了全煤巷道采用锚索加固的一些经验和认识,为类似巷道支护设计及施工提供参考。

采矿工程相似材料及模型试验研究

根据某矿工程地质条件,选用河砂、石灰和石膏为相似材料,进行了相似材料力学性质配比实验和平面物理模型试验。研究结果表明:所用相似材料能够反映原型材料力学性质;平面模型试验再现了综放工作面覆岩运动和破坏的情景,覆岩冒落过程与工程实际相符较好。

采空区围岩稳定性分析

本文提出了采空区围岩稳定性的评价方法,对“三下”开采的采空区稳定性分析具有一定的参考价值。