浅埋超大采高工作面覆岩“切落体”结构模型及应用

针对浅埋煤层矿压显现强烈,易于发生切顶压架事故的问题,以神东矿区浅埋煤层为例,统计分析了7个矿、30余个综采工作面矿压数据,结果认为,与普通埋深及深部煤层相比,浅埋煤层工作面液压支架载荷大、周期来压步距短、动载系数大。采用钻孔位移计实测分析了上湾矿8.8m超大采高工作面覆岩破断及地表岩移特征,破断位置位于工作面后上方,各层位测点呈整体同时破断,破断范围快速波及地表,当工作面推进11m后,距顶板26m处测点最大下沉量227mm,当工作面推进296m后,地表最大下沉量5.89m。对比分析覆岩破断与液压支架工作阻力的对应关系,认为覆岩破断后没有直接与采空区矸石接触,而是形成某种结构并产生缓慢下沉现象。采用相似模拟方法分析了上湾矿8.8m超大采高工作面覆岩破断及运动规律,认为正常情况下,呈整体同时破断的块体能够相互铰接并形成结构,当支护质量不足或者遇到地质异常区时,结构易发生整体滑落失稳,导致工作面压架事故。基于以上认识,提出了浅埋超大采高工作面覆岩“切落体”结构模型,分析了切落体结构的稳定条件及失稳类型,认为浅埋煤层覆岩呈整体切落式破断,形成以滑落失稳为主的铰接结构。研究得到了液压支架合理工作阻力计算公式,并以上湾8.8m工作面为例进行了验算,结果表明,基于“切落体”结构计算的支架工作阻力能够满足工作面顶板支护要求。“切落体”结构为浅埋煤层液压支架合理工作阻力确定提供了理论依据,丰富了浅埋煤层开采岩层控制理论。

大采高采场覆岩整体结构及控制研究

通过对相似模拟及数值模拟成果研究,深入分析了大采高采场破坏,运动规律的力学分区,构建了大采高采场覆岩整体结构模型,为采场围岩控制提供了理论依据并给出了顶板控制方案。

采场厚硬覆岩沿空巷旁充填体动静载荷分析

为了解决厚硬覆岩下沿空留巷侧向爆破断顶施工难度大、工艺复杂的问题,研究充填体在动静载荷下适应性,拟采用巷旁充填柔性材料(矸石)实现留巷.通过刚、柔性约束矸石体试验,分析了不同粒径及横向支护应力对其承载力的影响,掌握了袋装矸石单轴压缩应力应变关系;基于建立的沿空巷旁侧向覆岩结构模型,得到了充填体动静载荷计算方法.研究结果表明:巷旁充填矸石能适应侧向悬顶旋转断裂产生的动静载荷,且施工简单,对厚硬及其类似覆岩下沿空留巷支护设计的确定提供了科学依据.

8.8m超大采高综采工作面覆岩活动规律研究

为了掌握浅埋深8.8m以上特厚煤层一次采全高开采覆岩活动规律,以上湾煤矿8.8m超大采高综采工作面为研究对象。利用理论计算,相似模拟以及数值模拟等方法,通过顶板位移深基点观测、微震监测、矿压监测等多种手段,将远场覆岩活动与近场矿压显现相结合,对8.8m超大采高综采工作面采场覆岩运移规律和顶板结构形式进行研究。推演得出浅埋深8.8m超大采出空间下覆岩垮落的结构模型,揭示了工作面远场顶板断裂与垮落时空演化规律,分析了8.8m超大采高综采工作面矿压机理及支架与围岩的力学关系,为类似条件下特厚煤层综采工作面支架选型及安全高效开采提供理论及技术指导。

冲刷带侵蚀工作面支架失稳机制及控制技术研究

保德煤矿8#煤层三盘区受冲刷带侵蚀影响,存在顶板大面积悬露问题,威胁工作面的生产安全。为解决81308工作面冲刷带侵蚀工作面矿压显著问题,保障冲刷带侵蚀区域煤层的安全高效开采,通过建立冲刷带侵蚀煤层采场覆岩结构模型,研究了顶板围岩失稳机制和支架承载特征,并提出了水力压裂顶板弱化措施。研究表明:在冲刷带侵蚀作用下顶板的来压步距有所增加;冲刷体破断垮落后对采空区的充填程度较高,使得关键层破断后回转下沉能够形成稳定的砌体梁结构,此时支架处于给定变形状态;来压期间支架所承受上覆岩层载荷略大于额定工作阻力,为避免压架事故发生,需采取水力压裂措施弱化顶板。支架载荷监测数据显示,通过水力压裂弱化顶板后,基本顶的初次来压步距为28 m,周期来压步距为20 m,来压较为平稳,仅小部分支架发生安全阀开启,表明顶板弱化措施取得了良好的成效。本文研究为保德煤矿及类似矿井提供指导和借鉴。