大采高综采顶板短悬臂梁-铰接岩梁结构与支架工作阻力的确定

针对大采高综采工作面矿压显现强烈,支架工作阻力确定依据不足等问题,采用现场实测、数值模拟相结合的方法进行研究得到:采高增加后,煤壁前方破坏面积及支承压力峰值明显加大、煤壁易发生片帮冒顶、采场顶板活动范围明显加大、顶板断裂线前移、岩层间离层量增加。依据大采高采场直接顶及基本顶新概念及新判别公式,提出大采高采场顶板易形成"短悬臂梁-铰接岩梁"结构,以及大采高综采支架工作阻力的计算公式。通过理论研究直接顶厚度、直接顶垮落步距、基本顶厚度、基本项垮落步距、采空区矸石碎胀系数以及采空区矸石刚度对支架工作阻力的影响,结果显示直接顶及基本顶垮落步距对支架工作阻力影响较大。

浅埋深工作面覆岩“悬臂梁-铰接岩梁”结构的提出与验证

浅埋深煤层开采后,受其特殊的地质赋存条件影响,覆岩中无法形成完整“三带”,所形成的承载结构也不能稳定存在,结构失稳后形成浅埋深煤层特殊的顶板来压特征。以浅埋煤层特殊的顶板破断及运动特征为基础,通过相似模拟和离散元模拟2种方法探索浅埋深长壁工作面岩层破断运动特征及覆岩结构形式,提出浅埋深工作面覆岩中“悬臂梁-铰接岩梁”组合岩层结构,其中,基本顶破断后形成铰接岩梁结构,承担其自身及“悬臂梁”下方软弱岩层载荷,并受悬臂梁断裂下沉载荷影响,其失稳载荷通过直接顶作用于工作面支架上;基本顶上部岩层形成悬臂梁结构,承担其自身及覆盖松散层载荷,其断裂下沉步距要大于“铰接岩梁”失稳步距;两级岩层结构所处层位不同,其形成与失稳活动共同影响回采空间。结合典型浅埋深工作面的矿压及地表下沉规律实测结果,对所提出的“悬臂梁-铰接岩梁”组合结构进行了验证。通过对“悬臂梁-铰接岩梁”两级岩层结构受力状态进行分析,得到“悬臂梁”断裂下沉而引起“铰接岩梁”结构在煤壁处出现滑落失稳是造成浅埋深长壁工作面顶板沿煤壁切落、形成压架事故的根本原因,是影响工作面安全回采的顶板载荷主要来源,并以此为基础提出浅埋深条件下工作面切顶灾害的控制原则。

特厚煤层综放开采顶板岩层控制基本原理

基于无法改变矿井采掘活动中煤岩体的初始赋存状态、缺乏准确获知其赋存特点及工程响应特征的技术手段,采用理论分析对特厚煤层综放开采顶板岩层控制基本原理进行了研究。特厚煤层综放开采顶板岩层具有3个特点,即"暂时稳定性""及时垮落性"以及两种状态的周期性转化,岩层控制的基本原理就是控制工作面回采过程中顶板岩层结构的"暂时稳定性"。维护顶板岩层结构的"暂时稳定性",需要避免上位直接顶"组合短悬臂梁"结构发生滑落失稳以及基本顶"铰接岩梁"结构失稳;通过分析"铰接岩梁"结构两种失稳条件和"组合短悬臂梁"结构3种失稳模式,提出了维护特厚煤层综放开采顶板岩层结构"暂时稳定性"液压支架所受变形压力需满足的条件,得出了可通过外界干预促使"铰接岩梁"结构进一步向上转移、减小"铰接岩梁"断裂步距和"组合短悬臂梁"长度等手段减缓来压强度,维护特厚煤层综放开采顶板结构稳定。现场验证表明:通过外力促使"铰接岩梁"结构进一步向上转移,同时降低"组合短悬臂梁"的长度等措施保障了矿压显现剧烈、多次出现支架损坏综放工作面的接续面在原综放设备不变的前提下实现安全高效回采。

厚煤层高强度综放开采覆岩结构及矿压显现特征研究

为掌握厚煤层高强度综放开采覆岩结构及矿压显现特征,以长平矿2308工作面为工程背景,运用理论分析、数值模拟、现场监测等方法对其覆岩结构和矿压显现特征进行研究。结果表明,2308工作面的矿压显现规律主要由主关键层和亚关键层共同控制,分别在顶板下位形成短组合悬臂梁结构,上位形成铰接岩梁结构;下位短组合悬臂梁+上位铰接岩梁结构是造成工作面存在大小周期来压的直接原因。

综放开采覆岩结构稳定性及支架支护阻力分析——以保德煤矿为例

以保德煤矿综放开采为工程背景,基于理论分析、相似材料模拟试验手段与方法,分析了大采高综放面覆岩的结构类型,应用弹性力学理论,建立了砌体梁结构、短悬臂梁结构的力学解析模型。研究表明:直接顶特征对矿压显现具有重要影响,覆岩的多关键层层序决定覆岩形成的悬臂梁结构是保德矿矿压显现强烈的根本原因,工作面三盘区支架工作阻力不小于16271.8 kN,目前所选择的支架工作阻力偏小,建议选择支护强度与工作阻力较大的支架。

特厚煤层综放开采支架工作阻力的确定

采用理论分析的方法对特厚煤层综放开采顶板岩层所成结构及支架工作阻力进行了研究。根据特厚煤层综放开采顶板岩层形成的"悬臂梁-铰接岩梁"结构,给出了直接顶、基本顶的新概念及判据;得出了特厚煤层综放开采支架工作阻力的解析计算式,并进行了实例验证。最后对所选架型现场的动态承载特征及其适应性进行了分析。结果表明:依据支架工作阻力解析式计算结果所选架型可靠性高、支架运行合理,利用率高,对工作面顶板条件适应性较好。

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。

特厚煤层综放工作面大面积切顶压架原因分析

基于"悬臂梁-铰接岩梁"岩层结构和Winkler地基理论,分析了该类事故的发生原因,并相应地给出防治对策。研究结果表明:大面积压架主要特征是工作面顶板在煤壁处切落,直接顶和基本顶失去横向平衡;切顶发生的原因在于初撑力和工作阻力较低,难以维系直接顶和基本顶平衡结构。通过提高支架初撑力,以增加支架对顶板的主动支撑能力,减少顶板下沉量,有利于直接顶和基本顶的平衡结构;基于"悬臂梁-铰接岩梁"岩层结构模型分析认为,崔木煤矿工作面支架工作阻力不足是导致大面积压架事故的主要原因,并经理论计算得出合理工作阻力为15 000 k N。

支护阻力作用下综放开采顶板结构稳定性分析及应用

基于综放开采顶板"悬臂梁-铰接岩梁"结构模型,考虑采场支架的作用力,对基本顶"铰接岩梁"的关键块进行受力分析。通过分析,完善了关键块S-R稳定条件。基于关键块失稳的必然性,以控制两种失稳中对工作面威胁最大的滑落失稳为原则,提出了综放开采支架工作阻力的确定方法。最后依此方法对塔山8105工作面支架进行了选型。现场工业性试验表明:所选架型运行合理,利用率高,对工作面顶板条件适应性较好。

大采高工作面采场围岩结构力学分析及其工程应用

综合考虑顶底板岩层破断以及硬岩层与软岩层的耦合作用,构建采场围岩“椭圆应力拱”结构力学模型,研究“椭圆应力拱”周边切向应力与轴长、轴比、极角等参数之间的关系,分析“椭圆应力拱”、悬臂梁、铰接岩梁三者之间相互作用机制。研究认为:“椭圆应力拱”承载了采场围岩大部分载荷,前、后拱脚随工作面开采向前移动;采场围岩重新分布应力,在拱顶和拱底附近区域,形成拉应力,使岩层产生“主动破断”,并挤压其运动方向上的岩层;在远离拱顶和拱底区域,形成压应力,夹持尚未破断的岩层。在岩层自重载荷、“主动破断”岩层的挤压载荷,以及应力拱周边压应力的夹持作用下,岩层沿拱迹线“被动破断”;“椭圆应力拱”内尚未破断的硬岩层形成“悬臂梁”,硬岩层破断后形成“铰接岩梁”,软岩层破断后以载荷的形式作用于其下部的岩层上,工作面支架和煤壁承受了顶、底板“悬臂梁”或“铰接岩梁”传递来的岩层载荷,“悬臂梁”的被动破断及“铰接岩梁”失稳直接影响到工作面支架及煤壁的稳定性。基于此,编程计算工作面开采过程中“椭圆应力拱”的轴长、圆心坐标、拱脚位置等位置参数,确定大采高工作面顶、底板岩层裂隙发育深度,为大采高工作面防突水提供一些理论参考。

富水顶板大采高综采工作面涌水与矿压关系研究

针对纳林河二号煤矿31101富水顶板大采高综采工作面涌水情况,分析了工作面涌水与工作面矿压以及顶板岩层结构之间的关系。通过理论计算得出了关键层层位,认为基本顶及其控制的上覆岩层和关键层Ⅱ及其控制的上覆岩层共同组成了"复合悬臂梁—复合铰接岩梁"结构。计算得出关键层Ⅱ的初次断裂步距为210.3m,周期性断裂步距为101.1m,与现场实际矿压与涌水情况相符。认为"复合悬臂梁"的周期性破断失稳使得工作面产生"小"出水,而后发生小周期来压;"复合铰接岩梁"的周期性破断失稳使得工作面产生"大"出水,而后发生大周期来压。研究结果为31101工作面的出水预测提供了理论依据,并为相似工作面涌水与矿压关系研究提供参考。