多关键层结构下采动覆岩裂隙发育特征研究

覆岩中存在的关键层对岩体活动全部或局部起控制作用,本文采用相似模拟实验方法针对多关键层结构下采动覆岩裂隙发育特征进行了研究,得出以下结论:覆岩岩层受关键层控制以组合梁的形式发生破断,其破断模式与岩层下部移动空间有关;采动裂隙经历了“张开-闭合”过程,但由周期破断产成的垂向贯穿裂隙不易闭合;覆岩中关键层具有“控裂”和“控沉”作用,导水裂隙带发育高度终止于未发生周期破断的第一个关键层位置,弯曲下沉带内关键层对岩层移动下沉影响较大。

多关键层结构下不同采厚覆岩移动及围岩响应特征

针对多关键层结构下煤厚复杂工作面覆岩移动及围岩应力问题,采用RFPA-Strata数值模拟方法研究了多关键层结构下不同采厚关键层破断特征及不同关键层破断前后支承应力响应特征。结果表明:①采高小于2.5 m时仅低位关键层破断且能够形成稳定的砌体梁结构,此时低位关键层能够承载自身及其上方至中位关键层下方岩层重量,煤体仅需承载低位关键层下方软岩重量及附加载荷,煤岩体承载力较好,超前支承应力峰值随采高增加逐渐增大。②采高大于3 m时中位、低位关键层均发生破断,中位关键层破断后形成砌体梁结构,此时中位关键层能够承载自身及其上方至高位关键层下方软岩重量;低位关键层破断后其断裂的岩块未能与前方未完全破断的岩层铰接,低位关键层为悬臂梁结构,此时煤体需承载煤层上方至中位关键层下方岩层重量及附加载荷,超前段煤岩体发生大量剪切破坏导致煤岩体承载力降低,超前支承应力峰值随采高增加逐渐减小。③关键层运动影响支承应力分布特征,关键层完全破断后低位关键层下沉位移量减小,超前支承应力峰值大小及其距煤壁的距离随关键层破断均减小。④采高大于3 m时,低位关键层破断后主要影响超前支承应力峰值点距煤壁距离,峰值大小变化较小;中位关键层层破断后主要影响支承应力峰值大小,峰值点距煤壁距离变化较小。

浅埋厚煤层连续采动下多关键层结构覆岩运移规律研究

以鄂尔多斯转龙湾煤矿23203工作面开采为工程背景,采用连续非连续数值模拟和理论计算方法,对我国西北地区广泛分布的浅埋厚煤层连续采动下覆岩运移规律及矿压显现特征进行研究。结果表明:当埋深200m、厚度4.81 m的浅埋煤层一次采全高连续快速开采时,其基载比Jz>1且有3个关键层结构;连续采动作用下浅埋采场上覆岩层具有3种类型自稳结构,且各自稳结构的周期性破断相互影响,直接顶的第三次周期垮落形式存在“砌体梁”结构转化为“悬臂梁”结构的现象;多关键层结构工作面回采期间实测支架工作阻力值主要在11000~16500kN之间,平均值为14077.20kN,验证了数值模拟、理论计算及支架选型的合理性。研究成果可为浅埋厚煤层安全开采和支架选型提供重要科学依据。

多关键层跨煤组远程被保护层煤壁片帮机理及防治

煤壁片帮是制约大采高软煤综采工作面安全、高效回采的主要因素之一。基于淮南矿区A组煤、B组煤煤系地层禀赋及下保护层开采生产条件,针对潘二矿11224工作面煤壁片帮破坏特点,采用现场实测、物理模拟、理论分析、工业试验等方法,研究了多关键层结构跨煤组远程下保护层开采覆岩采动裂隙发育规律和被保护层大采高软煤综采工作面煤壁失稳力学过程,揭示了回采前已受采动影响的煤壁片帮机理并提出控制措施。结果显示:①被保护层煤壁破裂形式主要为不规则滑移体沿破裂面的滑移运动,同时伴有区域多发性及倾向蔓延性,片帮迹线观测到贯穿煤层的节理弱面;②物理模拟显示,受下保护层开采影响,远程被保护层11224工作面处于覆岩“三带”中弯曲下沉带内,并出现大量随机分布的法向节理裂隙;③薄板模型极限挠度分析显示,采高、关键层空间结构、垮落带和断裂带岩层碎胀系数是决定“三带”发育高度的主控因素,理论计算所得“三带”发育特征与物理模拟一致;④基于煤壁片帮形式和受扰动影响特征,建立被保护层煤壁单元受力简化模型,给出考虑围压作用任意形态三棱柱体剪切破坏判据;⑤三棱柱体破裂后形成滑移体,主控弱面控制滑移体的摩擦滑动,提出滑移体沿结构面摩擦滑动失稳判据;⑥提高支架阻力和护帮力、采用“棕绳+注浆”柔性支护以及工字钢辅助铺网加强支架支护,可显著提高煤壁单位稳定性。