浅埋煤层开采顶板切落条件下支架动载效应

针对浅埋煤层开采周期来压过程中顶板沿煤壁切落时对支架造成冲击的现象,根据基本顶回转切落造成直接顶岩体非线性破坏特征,建立了由基本顶-直接顶-支架-采空区矸石组成的力学模型,应用突变理论和岩石动力学方法,推导了直接顶失稳前后基本顶切落荷载作用下的支架压缩量表达式,分析了顶板切落过程中的动载效应,获得了顶板切落条件下支架工作阻力。研究结果表明:基本顶回转切落和直接顶失稳破坏是造成支架冲击的主因,直接顶岩体变形的突变量决定了冲击荷载的大小,系统失稳时的支架荷载除了与基本顶的周期来压步距、上覆岩层荷载、直接顶厚度有关外,还与支架和直接顶岩体的刚度比、直接顶岩体性质等因素相关。

浅埋深长壁采场顶板切落破坏的时序特征试验

针对浅埋深长壁采场切顶压架灾害发生过程中的时间序列问题,采用实验室基础参数测试对典型浅埋深煤岩体破坏的时间效应进行三向围压加载实验,利用相似材料模拟手段对浅埋采场顶板切落破坏过程中多个参量的时间序列特征进行研究。研究得出:三向围压状态下,浅埋煤层顶板岩石易由“X”型破裂、强度屈服破坏转化为单一剪切破坏,且具有明显的时间效应;浅埋深工作面推进速度慢导致垂直采动应力与水平应力之差增大是顶板发生剪切破坏的主因;浅埋煤层基岩发生整体切落下沉前,覆岩采动裂隙存在“形成—发育—扩展到地表(岩层整体切落下沉)”的时间过程;切落位置与工作面推进速度相关,加快推进速度后,来压步距加大,支架受力下降,基岩整体切落位置基本发生在支架后方;切顶时煤层超前支承压力达到极值,随后应力降低;顶板应变在时间序列上依次经历“三区”:“初始应变稳定区—应变剧烈演化区—采空区应变稳定区”,工作面推进速度慢时,顶板岩层应变启动点超前,顶板切顶线前移,顶板应变幅值增大,超前支承压力启动点和峰值均比覆岩应变滞后,而支架压力与采动应力时间序列变化曲线规律类似,可相互表征。研究结果表明,通过对支架压力、采动应力、覆岩应变等指标的联合监测与预警值设计,可实现对浅埋采场切顶压架灾害的预测和防治。

化学注浆加固技术在预掘回撤通道顶板切落事故中的应用研究

化学注浆加固技术目前已在煤炭行业中得到广泛应用,特别是在各种顶板事故处理中发挥了积极作用。但是对单位工程总体注浆材料消耗量的控制,主要依靠施工人员的现场经验进行评估,缺少理论支撑,易造成材料浪费。塔拉壕煤矿在工作面回撤通道顶板大范围切落进行化学注浆加固的应用实践中,通过建立力学模型进行理论分析、计算,优化施工方案,改变顶板的力学参数越过垮落边界,进行注浆量控制,在实现工作面顺利搬家回撤的前提下,注浆材料总体消耗量大幅减少,经济效益明显。研究可为化学注浆加固技术在类似条件的工程应用提供参考。

浅埋煤层开采顶板切落压架灾害的突变分析

针对浅埋煤层开采周期来压过程中顶板沿煤壁台阶下沉导致顶板切落压架灾害的问题,根据直接顶岩体在支承压力作用下破坏失稳的非线性变化特征,建立了由基本顶-直接顶-支架-矸石组成的系统力学模型。利用突变理论研究了荷载作用下系统的失稳机制,获得了系统失稳的充要条件及直接顶岩体的变形突跳量表达式,分析了系统失稳的主要影响因素。结果表明:直接顶的失稳破坏,导致了顶板的切落,系统失稳除与支架和直接顶岩体的刚度比及材料参数有关外,还与所受载荷及基本顶周期来压步距相关。结合工程实例,验证了理论推导的合理性,并给出了工程建议。

薄基岩顶板工作面突水溃砂及切顶灾害试验研究

煤层一次采出厚度变大,导致直接顶冒落高度增加,并且在薄基岩条件下,顶板破断后不容易形成稳定的结构。顶板破断容易导致工作面突水溃砂灾害的发生,严重影响工作面的生产。为了揭示薄基岩、厚松散岩层在高强度开采条件下突水溃砂和顶板切落并发灾害机理,利用自主研发的顶板动压与突水溃砂试验平台进行了相似模拟试验,以锦界煤矿31406综采工作面为工程背景,试验采用平面应变模型,选取几何相似比为100∶1,结合辅助红外成像仪和超声波探测器等获取了顶板破断时能量的聚集与耗散特征以及裂隙的发育特征。试验结果表明:顶板发生超前破断时,同一岩层产生竖直贯通裂隙,在层理处因岩层强度和厚度不同容易产生“错动”裂隙;突水溃砂和顶板切落并发时产生了明显的动载冲击现象,支架工作阻力会有明显增加,引起压架和工作面发生突水溃砂事故;基于滚动摩擦基本原理建立了滚动摩擦力学模型,揭示了水砂涌入裂隙后导致块体产生滑落失稳的力学机理;水砂体由贯通裂隙进入顶板结构,原有滑动摩擦向滚动摩擦转化,显著降低块体间摩擦力,使顶板产生滑落失稳。结合试验和理论分析得到及时移架,增加支架初撑力,加快工作面推进速度等可以降低突水溃砂和顶板切落灾害发生的概率。

浅埋深工作面基岩层全厚切落的时空演化过程

浅埋深工作面顶板切落灾害作为一种岩石工程的失稳事件,有其自身的形成条件及发生过程,掌握其发生演化的时空全过程对研究切顶灾害预防和控制技术有重要意义。利用相似模拟试验方法分析浅埋深工作面顶板基岩层全厚切落事件的发生演化过程,研究工作面支架与顶板的相互作用过程与基岩层全厚切落时空序列特征。研究结果表明,浅埋深长壁工作面"支架-顶板"作用过程分为支架与顶板循环内下沉和支架与顶板周期下沉的相互作用两方面。工作面支架的"降—移—升—接顶"每个动作都在顶板覆岩运动的影响下,同时每个动作也会对顶板岩层产生相应作用;基本顶上方基岩层主要以悬臂梁形式存在,随着工作面采出空间的加大,首先会在悬臂梁上部拉应力最大区域产生裂缝,随着地下工作面推进裂缝逐步扩展,断裂的悬梁产生弯曲和下沉趋势,直至贯通至工作面顶板。由于浅埋深工作面基岩层全厚切落事件发生的不同阶段都会对工作面产生相应的压力显现影响,综合浅埋深基岩层全厚切落周期与支架受力变化特征可对基岩层全厚切落形成预判。结合现场切顶案例分析,在浅埋深工作面遇基岩全厚切落周期前期,并伴随出现支架阻力明显持续上升现象时,基本可判断为有可能发生基岩层全厚切落事件,较快的工作面推进速度和有效的支架支撑力是应对顶板切落灾害的重要措施。

西部煤炭高强度开采下地质灾害防治理论与方法研究进展

基于国家重点基础研究发展计划(973)项目:西部煤炭高强度开采下地质灾害防治理论与环境保护基础研究,从地质环境条件、地质灾害形成机理、预测评价方法和灾害防治理论等4个方面,开展了西部煤炭高强度开采下地质灾害防治的总体研究思路和相关研究。通过西部富煤区域侏罗-白垩系构造地质及水文地质的研究,揭示了富煤区域地层结构及水沙动力学特征;基于采动岩体力学行为研究,揭示了大面积顶板切落、突水溃沙等地质灾害的发生机理,形成了防治重大地质灾害与环境损伤的采煤理论和方法。该研究将地质灾害防治和生态环境保护进行有机的结合,从源头解决制约我国西部煤炭开采的关键问题,可为我国西部煤炭资源长期大规模安全高效绿色开采奠定理论基础。