厚煤层大采高综放工作面覆岩断裂演化规律研究

大采高综放开采易形成强烈的矿压显现,上覆岩层的断裂演化规律对工作面安全生产至关重要。以羊场湾煤矿160206工作面为工程背景,运用相似模拟试验、数值模拟和理论分析的综合研究方法,对大采高综放工作面覆岩的断裂过程与覆岩运移规律进行系统研究。研究表明:导水裂隙带内岩层随工作面推进表现为“台阶下沉”,同层岩层下沉趋势沿走向表现为“急剧下降—稳定(最大值)—快速上升—稳定(最小值)”。工作面覆岩运动场由两区分布(加速下沉区、缓慢下沉区)演化为三区分布(加速下沉区、缓慢下沉区、稳定区)。对离层演化与地表下沉规律进行了定量描述,运用理论计算表达式深入地剖析了地表的动态下沉机理及其相关因素。结合相似模拟与数值模拟的试验结果,提出了覆岩断裂演化的形态变化特征:覆岩断裂形态由“单等腰梯形”演化为“双等腰梯形”,表土层影响区由“矩形”演化为“倒梯形”。分析了覆岩中垮落区、离层区、压实区、裂隙富集区的动态演化过程:垮落区逐渐增大至一定程度,高度小幅度降低并趋于稳定,离层区由下至上逐渐发育并随工作面向前移动,离层区逐渐闭合形成压实区,且压实区逐渐增大并最终保持稳定,裂隙富集区位于采空区前后端部并随工作面向前移动。

特厚煤层大采高综放面沿空巷道支护设计分析

以某煤矿5204巷为研究对象,介绍一种特厚煤层大采高综放面沿空巷道支护设计。此设计主要包括巷道支护方案设计和巷道超前支护设计两部分,其中巷道支护方案设计先提出巷道支护设计内容,再通过数值仿真模拟确认巷道支护设计可行性;巷道超前支护则是根据巷道支护设计数值仿真分析结果,从单体柱支护和破碎段支护两个角度介绍超前支护方案。在确定特厚煤层大采高综放面沿空巷道支护设计后,为验证支护设计应用效果,将支护设计应用于工程实践,最终确认此设计具有较强可行性。

大采高综放面区段煤柱合理留设研究

侧向支承压力分布、资源回收率以及煤柱和巷道的稳定性是大采高综放面区段煤柱宽度留设要兼顾的因素,为了确定大采高综放面区段煤柱宽度,以某矿8103面为工程背景,首先,采用理论计算和现场应力监测等方法确定大采高综放工作面倾向支承压力分布规律,得出应力降低区宽度约为8 m,原岩应力区为巷帮侧28 m外。其次,采用工程类比方法确定大采高综放工作面巷帮外侧煤体严重破裂区宽度约为4 m。最后,采用FLAC3D数值软件分析了下区段工作面回采时窄煤柱(6、8 m)和宽煤柱(28、30m)的应力场、位移场及塑性区特征,获得不同煤柱宽度时巷道和煤柱力学特征。研究表明:当煤柱宽度6m和8m时,在采动支承压力下煤柱几乎无承载能力,且巷道变形量较大;当煤柱宽度28 m和30 m时,在采动支承压力下煤柱中央仍有一定的弹性核,煤柱保持稳定且巷道变形量较小。综合考虑资源回收、巷道稳定性、次生灾害控制等因素,确定大采高综放工作面区段煤柱宽度为28m。

特厚煤层大采高综放开采机采高度的确定与影响

为了确定大采高综放开采合理的机采高度,基于理论分析与数值模拟计算方法,研究了不同机采高度对支架工作阻力、顶煤冒放规律、煤壁稳定性的影响。研究结果表明:大采高综放开采机采高度的确定应充分考虑采放比、煤壁稳定性、矿压显现、顶煤采出率及设备投资等。支架所需支护强度、顶煤采出率、煤壁片帮程度与机采高度成正相关性,但并不是简单的线性关系。由于受顶煤赋存条件及采出率等因素影响,相同采高大采高综放开采煤壁片帮几率要高于大采高综采。大采高综放开采是煤炭开采技术的新突破,是实现特厚煤层安全高效开采的有效途径。

基于ARAMIS M/E微震监测的大采高综放顶板活动规律

采用高精度微震监测技术,结合现场支架阻力观测,对大采高综放开采顶板活动规律进行了研究。研究表明:微震事件的频次和能量具有明显的周期性,微震事件在高度上的动态发展规律反映出大采高综放顶板来压存在大小周期现象,且这种现象与工作面宏观观测得到的周期来压具有一致性;根据微震监测和支架阻力观测结果得出大采高综放开采顶板为"悬臂梁-铰接岩梁"结构。

特厚煤层大采高综放工作面煤壁片帮机制分析

针对特厚煤层大采高工作面,将超前支承压力作用的煤体分为破裂区、塑性区和弹性区。考虑支架护帮阻力等因素,建立了支承压力作用的煤体变形破坏及煤壁片帮分析力学模型。通过摩尔-库仑准则和非关联弹塑性分析,推导出了煤壁水平位移量及破裂区和塑性区半径解析表达式,分析了影响煤壁片帮的主要因素。理论结果与现场实测结果误差仅为15.6%,验证了模型的正确性。研究表明,随支承压力集中系数的增大、机采高度的增加以及支架护帮阻力的减小,煤壁水平位移量明显增大,煤壁片帮程度严重。工程实践表明,提高支架工作阻力,减缓煤壁处压力,控制合理采高以及增大支架护帮阻力,可有效缓解大采高综放工作面煤壁片帮程度。

大采高综放开采煤岩体冒落规律数值模拟研究

为得到厚煤层大采高综放开采煤岩体冒落规律,采用改进的非连续变形数值模拟分析DDA软件研究不同回采阶段大采高综放开采工作面的应力场及煤岩体运移规律。结果表明:随着工作面的回采,采场周围的圆形应力场逐步转变为椭圆形应力场,且出现3个明显的分区,即应力释放区、应力升高区及两者间的过渡区,同时水平位移随时间变化较为复杂,而垂直位移变化具有一定的规律,通过垂直位移的变化可将上覆岩层划分为"三带",得到了大采高综放工作面覆岩和顶煤运移规律。

深井大采高综放开采微震监测技术研究

基于微震监测技术在回采工作面的应用,采用该技术对厚表土深井综放开采工作面覆岩运动规律和采动支承压力分布规律进行了研究,并结合监测参数为工作面支架工作阻力的确定提供依据。研究结果表明:工作面周期来压步距21.6～25.4 m,平均23.4 m;高位顶板来压步距56.3～62.3 m,平均59.3 m,最大断裂高度70 m;煤层直接顶厚度、基本顶板和高位顶板厚度分别为30、20、20 m;工作面走向支承压力影响范围42.7～54.2 m,平均48.6 m,并确定了支承压力峰值位置,为矿井回采过程中超前支护距离的确定提供理论依据。根据微震监测技术获得的矿压参数确定支架合理的工作阻力为15 000 kN。

大采高综放开采几个理论问题的研究

提出大采高综放开采的概念,对大采高综放开采主要基础理论问题如:大采高综放开采工作面参数的确定、煤壁片帮冒顶机理与防治、提高工作面煤炭采出率、大断面高煤帮巷道支护、围岩活动规律与特种综放支架研发进行了探讨,以期推动这一技术的发展.

特厚煤层大采高综放自动化开采技术与装备

针对我国西部矿区坚硬特厚煤层综放自动化开采技术难题,研究了大采高综放工作面液压支架与围岩耦合作用关系,分析了坚硬特厚煤层顶煤冒放结构及液压支架合理工作阻力确定方法,研发了液压支架与围岩智能耦合控制系统及自动化放顶煤控制系统,实现了大采高综放工作面自动化开采。基于坚硬特厚煤层大采高综放液压支架与围岩耦合作用关系,建立了坚硬顶煤冒放的"悬臂梁"模型及顶板岩层结构失稳的"组合悬臂梁"模型,揭示了大采高综放工作面合理机采高度确定方法及合理液压支架工作阻力确定方法。通过分析两柱强力液压支架的承载特性,创新设计了大采高综放液压支架三级高效强扰动放煤机构,研发了综放液压支架智能耦合控制系统,实现了对液压支架姿态与受力状态的实时监测。基于大采高综放工作面分段多窗口多轮放煤工艺的时序控制自动化放煤逻辑关系,研发了自动化放煤控制装置,实现了坚硬特厚煤层大采高综放工作面安全、高效、高回采率自动化开采。

大采高综放开采适应性研究

通过数值模拟的方法对顶煤冒放性影响因素、煤壁稳定性影响因素进行综合分析,得到了顶煤拉伸破坏系数与煤壁拉伸破坏系数的多元线性回归方程,给出了大采高综放开采对煤层强度下限以及对煤层开采厚度上限的要求,并在平朔安家岭煤矿和潞安屯留煤矿进行了应用。应用结果表明,大采高综放开采有利于工作面实现安全均衡生产。

大采高综放面倾向支承压力分布的采厚效应

为了确定大采高综放面倾向支承压力分布与采厚的关系,在现场实测的基础上,应用弹塑性极限平衡理论计算不同采厚下倾向支承压力峰值点大小、位置;采用FLAC3D数值模拟不同采厚下工作面推进过程中支承压力的动态变化。研究结果表明:大采高综放工作面支承压力峰值点大小与一次采厚近似成反比关系,峰值点距离与一次采厚成非线性正比关系。由于开采扰动,使得理论计算的结果偏小,需要对理论计算结果进行修正。

大采高综放面支架—围岩系统失稳的模糊事故树法研究

基于同忻矿大采高综放面支架—围岩系统失稳机理,探究影响综放面稳定性的因素,建立了大采高综放面支架—围岩系统失稳事故树;运用三角模糊函数和布尔代数法求出顶事件发生的模糊概率,评价系统的安全性;对基本事件的模糊重要度进行排序,从而确定导致综放面支架—围岩系统失稳的主要因素。

近距离煤层大采高综放开采技术

淮北涡北矿81和82煤是近距离"三软"煤层,其间存在均厚1.54 m塑性大的泥岩夹矸,开采条件复杂.在详细分析了82煤片帮原因与防治机理基础之上,分析得出通过提高支架工作阻力、采用煤壁浅孔动压注水技术是防治煤层片帮的有效措施;通过相似材料模拟试验对端面破坏规律进行了研究.研究结果表明,保持工作面端面顶煤的完整性,及时封闭顶煤是防止端面片帮、冒顶的关键;在工作面回采过程中,形成了较为先进的过断层技术和开采工艺参数.

大采高综放开采煤岩损伤统计力学模型

根据特厚煤层大采高综放开采煤壁前方支承压力的分布特征,从煤岩内部缺陷的随机性分布特征出发,基于反映煤岩内部缺陷的微元强度服从韦布分布的概念,建立了支承压力作用下煤岩的损伤统计力学模型,确定了特厚煤层大采高综放面在煤壁片帮不影响生产的情况下的合理采高,并分析了特厚煤层大采高综放面合理采高与煤壁片帮程度、煤层内摩擦角、煤层内聚力和顶煤变形的关系。最后,通过工程实例分析,验证了该模型的合理性。

大采高综放开采顶煤运移规律的数值模拟研究

采用FALC3D软件模拟研究了塔山煤矿8105工作面在不同采高、不同支护强度下顶煤水平、垂直位移与距煤壁距离间的变化规律。模拟结果表明采高加大顶煤始动点前移、位移量增加,有利于顶煤的破碎;加大支架支护强度对下位顶煤位移量影响较大,有利于下位顶煤的破碎。

特厚煤层大采高综放开采支架外载的理论研究

从理论上分析认为,特厚煤层综放开采直接顶、老顶范围明显加大;从能否对支架产生变形压力角度将顶板岩层分为"无变形压力岩层"和"有变形压力岩层",并给出了综放支架所受外载的解析计算式,依此分析了特厚煤层大采高综放开采因采厚加大,"有变形压力岩层"的范围将明显加大,从而导致矿压显现异常强烈的原因.

大采高综放开采特厚顶煤运移特征实测研究

为掌握大采高综放开采特厚顶煤的运移特征,采用深基点观测方法,在大同塔山8105大采高综放工作面设置观测站,对特厚顶煤不同层位的运移特征进行观测分析。结果表明特厚顶煤上、下位的顶煤运移具有不同步性,主要分为3个阶段:煤壁前方4.27 m为超前支承压力影响阶段,上位顶煤位移增量大于下位顶煤;煤壁前方0~4 m为顶板回转下沉影响阶段,下位顶煤的位移增量大于上位顶煤;煤壁后方一6~0 m为支架反复支撑一顶板回转影响阶段,下位顶煤的位移增量急剧增加。

特厚煤层大采高综放工作面覆岩结构及支架工作阻力研究

为了掌握特厚煤层大采高综放工作面的覆岩结构及支架合理工作阻力,以同忻煤矿8107工作面为研究对象,采用理论分析、现场观测的方法对特厚煤层大采高综放工作面覆岩的破断和组合形式进行了研究,建立了覆岩力学模型,得出了同忻煤矿8107工作面支架工作阻力计算式。结果表明:正常开采期间,大采高综放工作面直接顶易形成具有整体性的倒台阶组合悬臂梁结构,悬臂梁结构的破断、回转是支架—围岩互馈过程中的主要压力来源;来压期间,高位砌体梁结构与低位悬臂梁结构耦合形成"砌体梁—悬臂梁"结构,砌体梁结构的滑落失稳引起悬臂梁结构的协同回转,是大采高综放工作面强冲击来压的原因;实测8107工作面正常回采以及来压时支架工作阻力分别为26 MPa(9 750 k N)和40 MPa(15 000 k N),与理论计算结果较为吻合;8107工作面采用的ZF15000/27.5/42型四柱低位放顶煤支架能够满足生产需求。

大采高综放开采及其应用可行性分析

根据当前综放开采技术发展水平,通过分析影响综放工作面产量进一步提高的主要原因,提出了大采高综放开采的概念并指出该方法是综放工作面实现年产1000万t的重要途径。按大采高综放工作面实现年产1000万t的要求,主要从设备配套的角度分析了大采高综放开采应用的可行性。