基于松散层拱结构理论的岩层控制研究

针对我国华东和华北部分矿区厚松散层下采煤诱发工作面压架、突水和地表塌陷等问题,在系统总结采动覆岩承载结构理论相关学术进展的基础上,基于前人研究成果,提出了厚松散层的松散层拱结构模型,综合理论分析、数值模拟、现场探测和工程应用等方法研究揭示了松散层拱对载荷传递、岩层运动及地表沉陷、覆岩破断失稳的影响机理。研究结果表明:松散层拱的形态为长轴位于工作面走向的椭圆,当松散层厚度大于松散层拱矢高和厚度之和时,松散层在运动变形过程中能够形成松散层拱。工作面回采过程中,松散层拱周期性失稳并逐渐向上部发展,控制着其上覆岩层移动和变形,同时将上覆地层载荷向采空区四周转移,受松散层拱承载作用影响,松散层下部岩层载荷分布可以划分为松散层拱内卸压区、松散层拱基增压区和松散层拱外原岩应力区,进一步获得了考虑松散层拱载荷传递效应的松散层载荷折减系数计算公式,修正了关键层判别时的松散层载荷折减系数的计算方法。松散层拱的破断和失稳将导致地表快速下沉,地表下沉速度会随松散层拱周期性破断失稳而呈现出跳跃性变化,当松散层中能形成松散层拱且关键块体能够保持稳定,厚松散层地质条件下开采时采空地层不会出现切落,地表不会出现塌陷,据此得到了厚松散层下开采地表不发生塌陷的工作面临界采宽和临界采高。松散层拱载荷传递作用下,基本顶的初次破断距增大、周期破断距增大,关键块不易发生滑落失稳和回转变形失稳,得到了适用于厚松散层条件下的工作面支架工作阻力的计算公式。研究成果在山东某矿6304工作面进行了工程应用,共计开采煤炭资源35万t,实现了厚松散层下工作面的安全开采。

松散层拱结构及其对采动覆岩稳定性的影响

结合我国华东和华北矿区广泛分布的厚松散层地质条件,在松散层拱承载结构力学模型的基础上,建立了松散层拱条件下关键块稳定性力学模型,揭示了松散层拱对采动覆岩稳定性的影响规律,得到了松散层拱下关键块回转变形失稳和滑落失稳的力学判据,在此基础上建立了支架-围岩力学模型,得到了适用于松散层拱条件下的工作面支架工作阻力的计算公式.结果表明:由于松散层拱的载荷传递作用,关键块只承受松散层拱以下垮落的松散层和基岩的载荷,与传统的将松散层按均布载荷计算相比,松散层拱条件下关键块的水平推力增大、最大剪切力减小,关键块能够保持稳定而不发生回转变形失稳和滑落失稳.研究结果得到了祁东煤矿7130工作面实测数据的验证.

松散层拱结构模型及其对覆岩运动的影响

针对传统上采动覆岩承载结构研究时主要集中于基岩而将上覆松散层简化为均布载荷作用于基岩顶界面而忽略了松散层中承载结构的问题,结合我国华东和华北矿区广泛分布的厚松散层地质条件,建立了松散层拱承载结构力学模型,揭示了松散层拱的形态方程、矢跨比方程和厚度方程,得到了能形成松散层拱的临界松散层厚度的理论表达式,进一步分析了松散层拱形态特征随侧压系数、松散层内摩擦角和内聚力等参数的变化特征。通过相似物理模拟实验揭示了松散层拱对采动覆岩运动的影响规律。研究结果得到了鲍店煤矿1312工作面厚松散层条件下开采时地表沉陷实测数据的验证。

厚松散层薄基岩工作面导水裂隙带高度预计方法

为了保障义桥煤矿6304工作面厚松散层下安全开采,在松散层拱理论基础上,揭示了采动覆岩裂隙场演化规律,提出了厚松散层下基于松散层拱结构的导水裂隙带高度预计方法。6304厚松散层工作面的裂隙带预计高度为33.82~40.05 m,探测高度为35.6~42.3 m,预计结果与探测结果基本一致。6304工作面共计开采煤炭资源35万t,实现了含水层下安全采煤。

煤矿开采覆岩拱壳结构演化及其控制研究进展

煤层开采引起覆岩的移动、变形、破断及应力变化是造成工作面来压及地表生态损伤的主要原因。研究采动覆岩运动规律与损伤机理是解决井下安全生产、含水层保护、地表建(构)筑设施与生态保护的核心问题,是实现煤矿绿色安全开采的理论基础。为充分认识开采损伤的传导机制,以覆岩承载“拱壳”结构为核心,系统梳理了当前覆岩运动研究成果,针对覆岩组合与岩土体介质特性差异,将研究成果分为松散层拱和基岩拱。基岩拱又可以进一步分为断裂拱和应力拱。在此基础上,依据拱壳演化机制和研究手段论述了基岩拱壳研究进展与不足:理论模型能够给出拱迹线方程进而判断拱的承载特征;但存在边界应力条件简化、岩层均质性假设、拱迹线的假设和拱厚度的计算等问题;数值模拟可以很好的给出拱壳的位置、拱厚及其演化特征,但以有限元模拟的应力拱壳忽略了岩层破断的影响,而以离散元模拟的应力或者裂断拱壳则依赖于块体的划分;相似模拟目前只能定性观测裂断拱的发育特征,难以确定应力拱范围。现有基于覆岩拱壳的应用聚焦于通过拱壳演化模型进行矿压和地表沉陷的预测与防治,对主动调控覆岩拱壳的手段相对较少的问题,基于此,归纳了3种覆岩拱壳调控手段:源头预设拱壳手段、过程调控拱壳手段、末端稳控拱壳手段。最后综合现有成果,进一步提出了基于能量守恒定律的采动损伤拱壳理论计算模型及其模拟方法,为采场覆岩空间结构稳定性演化特征及地表沉陷治理提供了理论支撑与研究手段。