Breaking and mining-induced stress evolution of overlying strata in the working face of a steeply dipping coal seam

The breaking features and stress distribution of overlying strata in a steeply dipping coal seam(SDCS)differ significantly from those in a near-horizontal one.In this study,the laws governing the evolution of vertical stress release and shear stress concentration in the overlying strata of coal seams with different dip angles are derived via numerical simulation,rock mechanics tests,acoustic emissions,and field measurements.Thus,the stress-driven dynamic evolution of the overlying strata structure,in which a shear stress arch forms,is determined.Upon breaking the lower pari of the overlying strata,the shear stress transfers rapidly to the upper part of the working face.The damaged zone of the overlying strata migrates upward along the dip direction of the working face.The gangue in the lower part of the working face is compacted,leading to an increase in vertical stress.As the dip angle of the coal seam increases,the overlying strata fail suddenly under the action of shear stresses.Finally,the behavioral response of the overlying strata driven by shear stresses in the longwall working face of an SDCS is identified and analyzed in detail.The present research findings reveal the laws governing the behavior of mine pressure in the working face of an SDCS,which in turn can be used to establish the respective on-site guidance.

我国大倾角煤层开采技术变革与展望

大倾角煤层是我国煤炭资源的主要赋存样式之一。在地域分布上呈现出广泛性与区域性,据不完全统计,全国25个省、自治区、直辖市均涉及该类煤层开采,在中西部地区储量丰富、产量大、生产集中程度高。在赋存条件上呈现出多样性与复杂性,不同区域成煤时期不一,构造控煤过程迥异,形成了多样且复杂的开采条件,催生了不同的开采技术要求。大倾角煤层开采的技术难度大。煤层倾角导致采场围岩运动破坏呈现非对称性显现特征,支护系统稳定性控制与“三机”配套与协同、采准巷道布置与支护、工作面“人-机”环境安全保障等工作的难度显著加剧,严重制约了矿井安全高效开采。大倾角煤层开采的区域经济需求强,该类煤层赋存与生产较集中的区域多见以煤炭工业为主的资源型城市,经济结构相对单一,煤炭资源安全高效开发利用对区域能源保供、民生保障、经济保稳具有兜底作用。长期以来,大倾角煤层开采技术变革聚焦于解决“难”与“需”的矛盾,在采煤方法与工艺、岩层控制理论与技术、成套装备研制与应用3个方面不断完善、创新、发展,实现了由非机械化向机械化开采的转变,安全产效水平大幅提升,人员劳动强度大幅下降,作业环境显著改善。20世纪90年代中期,川煤集团绿水洞煤矿首次成功实现了大倾角中厚煤层长壁综采,冲破了大倾角煤层机械化开采技术“禁区”。在此示范作用下,大倾角厚煤层长壁综放开采、大采高综采、薄煤层伪俯斜长壁综采三项首创性工程实践先后取得成功。这一过程中创新了工作面非线性限位布置与调斜方式,确立了“支架-围岩”系统稳定性多维交互控制模式,研发了工作面成套装备,取得良好收效,综合机械化开采技术适用范围进一步拓宽。与此同时,大倾角煤层开采仍存在许多亟待突破的关键科学问题与技术瓶颈,导致自动化、智能化水平提升与近水平/缓倾斜煤层相较仍存在较大差距。需进一步强化倾斜层状煤系地层煤岩体采动力学行为研究,揭示其对采场围岩灾变的控制机制,并实现量化表征;需进一步阐明岩体承载结构-采场装备群组系统间的多维动态作用过程与规律,完善装备与围岩多维动态多目标协同控制理论与技术基础,实现技术转化应用。在科学问题取得突破的基础上进行采煤方法、回采工艺、岩层控制、成套装备的系统性技术创新与研发,破解大倾角煤层开采安全-产效双提升的制约技术瓶颈,使大倾角煤层综合机械化开采倾角上限在有可靠技术保障的前提下向上延伸(扩展),为实现自动化、智能化开采奠定基础。

大倾角煤层伪俯斜工作面平行四边形液压支架结构设计与运动响应

液压支架是大倾角煤层伪俯斜工作面“围岩-装备”系统稳定性的核心,现有液压支架结构无法适应伪俯斜开采空间稳定性要求,严重影响了该类条件下工作面安全高效开采。以大倾角煤层伪俯斜开采工作面为研究背景,采用工程类比、结构运动学分析、数值仿真的综合研究方法,分析了大倾角伪俯斜工作面“支架-围岩”稳定性特征,并以ZY7000/22/45型液压支架为基础,发明一种新型平行四边形液压支架,进行了结构合理性设计,分析了关键构件运动学响应特征。研究表明:大倾角伪俯斜综采工作面垮落矸石非均匀填充以及矸石对支架的砸、压、推作用是影响支架稳定性的关键因素,平行四边形顶梁与底座更适应伪俯斜工作面。设计的平行四边形支架顶梁、底座及立柱排布方式为平行四边形,异形掩护梁与后连杆、油缸连杆、底座构成柔性四连杆结构。平行四边形支架立柱为主要承载结构,油缸连杆为主要运动机构,其运动特征影响因素主要为上下柱窝间距和前后连杆与掩护梁铰接位置间距,其中掩护梁与后连杆是支架位姿调控的关键,且支架运动过程中无双扭线产生。研究结果为该类条件工作面支架提供了一种选型,一定程度上保障了该类煤层的安全生产。

大倾角走向长壁工作面局部充填无煤柱开采理论与技术

大倾角煤层走向长壁采场围岩结构及应力环境异化,工作面不同位置“支架-围岩”系统的构成因素及灾变模式不同,导致工作面安全事故频发、煤炭采出率较低、巷道掘进率高。通过对大倾角采场围岩采动力学行为的分析,提出了大倾角走向长壁工作面局部充填无煤柱开采技术构想,工作面走向推进过程中沿倾向对采空区下部进行局部充填,充填体既与巷旁支护作用形成沿空巷道,取消区段保护煤柱,实现大倾角煤层无煤柱开采,又增大了工作面倾向下部充填压实区长度,加强了工作面“支架-围岩”系统稳定性。根据大倾角走向长壁采场特点,优选确定了大倾角膏体局部充填工艺,设计了大倾角局部充填回采系统、采充工艺。并采用理论分析、模拟实验、数值计算等相结合的方法,分析了局部充填对大倾角走向长壁采场围岩采动力学行为的调节机制。结果表明:充填体影响基本顶岩梁的变形破坏及采场倾向下侧煤岩体承载特征,基本顶、运输巷顶板变形量及运输巷倾向下侧煤岩体所受约束均随充填长度的增大而减小;为防止采空区未充填区悬顶灾害,充填长度不应超过工作面长度的1/3。局部充填体限制了工作面下部区域顶板破断,降低覆岩关键域形成层位,形成稳定的巷帮,减小沿空留巷围岩变形量;同时工作面倾向下部充填区长度增大,中、上部围岩结构不稳定区域的长度缩小,“支架-围岩”系统稳定性提升。充填体改变了采场围岩应力传递路径,承担了部分覆岩载荷,工作面下侧支承压力及超前支承压力均随充填长度的增大而减小,工作面倾向下部充填区域的超前支承压力降幅最大,沿空巷道及工作面应力状态得到改善。大倾角走向长壁工作面局部充填无煤柱开采技术具有提高资源采出率、降低掘进率、缓解采掘接替紧张、加强工作面“支架-围岩”系统稳定性等优势。

大倾角煤层俯伪斜工作面液压支架设计系统实用性分析

为解决大倾角煤层液压支架设计过程中多维受载特征被忽略、建模过程繁琐、设计周期长等问题,结合大倾角伪俯斜工作面液压支架受载特性,研发大倾角液压支架设计系统。采用运动仿真、强度测试、物理实验等综合研究方法,以ZY5000/15.5/38型大倾角煤层液压支架设计为例,根据大倾角伪俯斜采场液压支架多维受力特征建立力学模型,分析大倾角液压支架的空间受载特性,建立伪俯斜工作面液压支架顶梁、掩护梁力学线性矩阵,利用VB.NET为开发语言结合线性矩阵和SOLIDWORKS二次开发建模软件搭建液压支架设计系统,开发出良好的人机交互用户界面。研究分析表明:该系统生成下的模型液压支架顶梁前端运动轨迹范围48 mm左右,支架顶梁前端运动轨迹曲线满足双扭线特性;模型支架最大应力为146.7 MPa,远小于材料屈服的等效应力,最大变形位移也不超过0.531 mm;研制相似比为1∶5物理模型液压支架工作阻力在38 kN左右,在不同条件下测试支架顶梁、掩护梁受载特性,实验中模型支架的力学数据与系统生成的力学数据基本相符,且实验在初撑、增阻、恒阻及卸压各阶段均满足支架的运动要求及承载特性。研究结果体现了该设计系统下模型液压支架较好的适应性,对丰富大倾角煤层液压支架设计理论和指导液压支架设计生产具有一定的科学和实践意义。

基于地理信息系统的大倾角煤层飞矸运移研究

针对大倾角煤层工作面底板的不规则性和飞矸形状的多样性,利用工作面底板等高线等地理信息系统数据建立真实工作面底板三维网格模型,结合能量跟踪法(ETM)自编C++程序,模拟得到相同质量不同形状的四类典型形状飞矸在实际工作面运移的运动轨迹,以及任意时刻的线速度、角速度和能量变化曲线,分析了形状对飞矸运移规律的影响。为验证本文方法的准确性和可行性,与采用Rockyfor3D软件模拟的轨迹进行了对比。结果表明,椭球体飞矸的运移能力远大于多面体飞矸;正多面体飞矸比一般多面体飞矸运移距离更远,碰撞的能量损失更小;正多面体飞矸的棱边数与飞矸在碰撞中的能量损失量成反比,多棱边正多面体飞矸造成危险的可能性最大。

大倾角综放采场遗留顶煤运移规律及防灭火技术

为研究大倾角综放采场遗留顶煤运移规律及裂隙扩展情况,以王家山煤矿中二401工作面为研究对象,采用物理相似模拟实验与数值模拟实验相结合的方法,深入分析大倾角综放采场遗留顶煤运移及裂隙发育规律。结果表明,大倾角综放采场遗留顶煤破碎和运移具有非对称性,工作面倾斜中下部应力与位移量均大于倾斜上部。遗留顶煤在采空区内沿倾斜方向呈现“顶煤—直接顶—顶煤”交替堆积形态,倾斜下部堆积量大于倾斜中上部。围岩裂隙发育范围广,随工作面推进最终可扩展至3号煤层。针对遗煤特征综合提出此类采场的“两阶段”防灭火技术措施,达到良好的防灭火效果,确保工作面安全高效生产。

大倾角采场围岩应力分布及矸石充填特征的倾角效应研究

煤层倾角是造成大倾角采场采动力学行为呈现复杂性、特殊性,诱发众多灾害事故的重要因素之一,为揭示煤层倾角对大倾角采场围岩控制及矿压显现特征的影响规律,采用物理相似模拟和数值计算相结合的研究方法,在综合分析了大倾角工作面顶板破断运移及矸石滑滚充填特征的基础上,利用有限元−离散元(FLAC2DPFC2D)耦合算法建立了不同倾角的大倾角采场耦合数值模型,研究了大倾角采场围岩应力分布及矸石充填特征的倾角效应。结果表明:①采动作用下,大倾角采场顶底板内围岩应力均呈非对称拱形分布,随着煤层倾角增大,拱形垂直应力释放区范围和向上部偏移程度逐渐增大,但水平应力释放区范围和应力值逐渐减小,无论是垂直应力还是水平应力都易在工作面上下端头顶板处出现应力集中,但最大集中应力会随煤层倾角的增大而减小;大倾角工作面顶底板内应力大小和传递方向均存在非对称特征,随着煤层倾角增大,工作面顶底板应力拱高逐渐降低,围岩应力的传递方向以围岩涌向采出空间为主,由初始近似竖直方向逐渐偏转趋于工作面垂向。②工作面顶板破断及矸石的滑滚充填具有时序性和分区演化特性,并随煤层倾角的改变而呈现一定的倾角效应。随着煤层倾角增大,直接顶的初次破断位置将逐渐向工作面倾向上部区域转移,同时由于重力沿工作面倾向的分力变大,矸石沿倾向的充填程度更为密实,但充填长度减小,工作面中上部区域高位岩层的破碎程度和空洞范围增大。③采空区内矸石对围岩的作用机制主要体现在提供侧向应力和竖向支撑2个方面,且受矸石重力作用影响较大,会随煤层倾角改变呈现较强的倾角效应。

大倾角层状采动煤岩体重力-倾角效应与岩层控制

大倾角煤层开采过程中,重力-倾角效应是导致细观层状煤岩体单元体主应力偏转和层间接触面应力非均衡传递,介观层状采动模型优势破裂面方向偏移,宏观层状关键层区域迁移、岩体结构异化的主要因素。研究表明,在倾角35°以上煤层采场中重力-倾角效应影响尤为明显:(1)煤岩组合界面倾角35°~60°时,非均衡传力特性逐渐凸显,界面附近煤岩体内应力传递方向发生偏转,且偏转量随倾角增加逐渐增大;煤体破坏由压剪破坏转化为近平行于界面的滑移剪切破坏,煤岩体的强度和弹性模量也随之减小。(2)改变了采场围岩采动应力路径演变规律,在采动应力驱动下顶板的损伤变形与破坏运动存在明显的区域性和时序性。(3)诱发了大倾角采场顶板结构跨层迁移转化、底板非对称破坏滑移、区段煤柱或煤壁局部-整体破坏,以上围岩失稳存在多尺度链式时空关联性,特别是引发围岩灾变的采场关键岩块位置多变,形成采场围岩承载结构异化和泛化特征。理论与实践表明,重力-倾角效应作用下大倾角煤层岩层控制具有显著的多维度和多尺度特点,突破传统开采方法与技术瓶颈,研发全新型成套装备是实现该类煤层安全高效开采的有效途径。

大倾角煤层群长壁开采承载拱与间隔岩层采动应力演化特征

大倾角煤层群开采过程中,受重复采动影响,采动应力在间隔岩层中的演化规律复杂,揭示间隔岩层采动应力传递与三向应力状态演化特征是实现该类煤层群绿色高效开发的核心。采用物理相似材料模拟实验研究了大倾角煤层群长壁开采围岩变形破坏的演化特征,采用数值模拟分析了围岩采动应力传递演化规律,揭示了间隔岩层三向应力状态演化特征,量化表征了第1主应力大小渐变、方向偏转的演变规律。研究结果表明:大倾角煤层群开采过程中,间隔岩层历经了“原岩应力状态-上煤层开采卸压-矸石非均衡约束-下煤层开采卸压”的扰动历程,最终产生非对称变形破坏。间隔岩层的破断失稳将使得上、下工作面开采过程中各自形成的承载拱演化成包络2个工作面在内的“大范围”承载拱,其承载拱上拱脚位于下工作面回风巷,下拱脚位于上工作面的运输巷,控制岩层变形破断内在的“大范围”应力传递拱壳亦呈现出类似的演化特征。低位间隔岩层受采动影响程度剧烈,应力释放程度较大;中位岩层压、拉状态发生改变的位置较低位向倾向下部偏移;高位岩层压、拉状态产生改变的位置位于上层煤底板临空面位置处,岩层由三向受压状态转化为单、双向受压状态。间隔岩层沿工作面倾向自下而上可分为上层煤增压、上层煤增压-下层煤卸压、重复卸压、上层煤卸压-下层煤增压、下层煤增压5个区域。在上层煤增压-下层煤卸压段,第1主应力x、y轴分量呈现出先增大后降低,z轴分量持续降低的演化趋势;在重复卸压段,岩层应力释放程度最大,方向偏转程度最大;在上层煤卸压-下层煤增压段,第1主应力x、y轴分量呈现减—增—减、z轴分量呈现先减后增的演化趋势。

大倾角煤层长壁综采顶板冒落形态与支架稳态控制

为研究大倾角煤层走向长壁综采工作面采空区顶板冒落形态与支架稳态控制,通过理论分析、试验研究与现场观测,在厘定走向长壁综采工作面初次来压与周期来压矿压显现规律基础之上,分析耦合效应下的顶板冒落形态的演化机理和支架失稳的典型分区特征。结果表明:沿倾斜自下而上顶板冒落呈非对称的向斜与背斜形态,且冒落与断裂岩块的堆积密实程度逐渐减小,直至采空区上部形成空穴;沿走向采空区下部顶板冒落呈谷峰相间(锯齿)状态;倾向中上部支架受向背斜冒落顶板影响,支架与围岩呈非均匀接触,是支架最易倾倒的部分,且倒架后中上部支架两立柱工作阻力差异最为明显。针对现用支架不具“带压移架”功能,采用“少降快拉”移架的稳态控制方法并指导现场拉架操作,获得良好的支架稳态控制效果,确保了大倾角煤层走向长壁综采工作面的安全高效生产。

大倾角煤层综采产效要素系统分析与促产提效精准策略研究

大倾角煤层迄今仍为国际公认的复杂难采煤层,我国赋存较多且广泛,煤质优良。近10多年,先进的大倾角煤层长壁综采技术发展较快,工作环境改善,劳动强度降低,安全水平提升,但一直存在产量低、效率差等亟待解决的问题,致使综采技术经济优势和投资效益不能充分发挥,制约了大倾角煤层综采的高效持续发展。基于多年的系统研究与工程实践,综合分析认为大倾角煤层综采产量效率主要受到地质、设备、工艺、人员、管理、其他等6方面的因素制约,并确定各因素的权重。依据各影响因数的权重有的放矢地采取精准探测、精准检修、精准操作、精准管理、精准培训和精准补充等措施,尤其应更加关注采矿自动化和智能化发展方向并将其作为大倾角煤层综采促产提效的核心精准对策,从根本上改变大倾角煤层综采用人多、产效低的被动现状,实现大倾角煤层长壁综采安全高产减人提效之目标。

大倾角煤层长壁开采顶板结构时空演化特征

为了明确大倾角煤层走向长壁开采顶板结构时空演化规律,采用物理相似模拟、数值模拟、现场实测综合互馈的研究手段,对采空区矸石的非均匀充填特征、顶板结构空间展布形态、围岩主应力大小渐变与方向偏转的演化过程和支架工作阻力的区域性特征进行研究。结果表明:随着推进距离的不断增大,底板上矸石堆积范围增大,在支架后方采空区开始往复出现倒三角的临空面;在深部采空区,矸石堆砌与水平面之间夹角沿倾向下部至上部不断减小;顶板位移呈现出“增大-稳定”的演化趋势,峰值位置由工作面倾向中上部区域向倾向中部迁移;顶板应力传递拱壳呈典型的非对称分布特征,拱壳内部岩体受力状态由双向受压转为单、双向受拉,主应力方向由x轴正向转为负向;顶板变形破坏的非对称性使得工作面支架工作阻力呈现倾向中上部较大、离散程度高,倾向中下部较小、离散程度低的区域特征。研究结果可为大倾角煤层长壁采场顶板稳定性控制提供一定的参考与指导意义。

大倾角大采高采场覆岩应力路径时空效应

为揭示大倾角大采高采场覆岩变形破坏的时空演化特征及应力路径效应,以2130煤矿25221工作面为研究背景,采用3DEC数值模拟方法,在对覆岩变形破坏时空演化特征的综合厘定与分析的基础上,提出了大倾角采场上覆岩层在采动应力作用下的扰动分区,量化了采场沿工作面走向、倾向及不同层位覆岩采动应力路径的空间演化规律,揭示了采场空间不同区域覆岩采动应力与断裂失稳过程中的对应关系。研究结果表明:在大倾角大采高开采中,重力-倾角效应作用下矸石呈现非均匀充填特征,导致覆岩垮落形态及顶板承载拱在采场空间均呈现出典型的跨层迁移转化特性,包络面内中上部区域“倒三角临空面+倾斜砌体结构+高位梯阶岩层”形成空洞现象,“高位梯阶岩层”失稳易诱发“倾斜砌体结构”同时断裂,对支架形成较大的冲击动载荷。工作面煤层开采导致采场上覆岩层的三向采动应力大小、方向均发生了显著变化。沿工作面走向,覆岩最大主应力演化先增大再减小,最小主应力则先减小再反向增大,最大和最小主应力沿推进方向的垂直平面内向采空区旋转,上覆岩层的极限平衡状态界面沿工作面倾斜方向呈非对称展布。沿工作面倾向,煤柱侧上方岩层产生应力集中,工作面上方岩层卸荷,覆岩层位越低,其峰值应力越大,应力变化幅度越大。最大主应力主要沿水平方向发生偏转,最小主应力则由工作面推进方向逐渐向垂直方向偏转。由弱扰动区域至采空区中心,应力反向偏转位置由倾向中部逐渐向上部移动,应力路径的非对称偏转传递特征愈发明显。大倾角大采高采场采动应力时空演化规律及采动应力-位移-覆岩断裂结构的映射关系为揭示大倾角大采高采场围岩失稳致灾机理提供基础,并结合生产实际,提出了大倾角大采高综采工作面坚硬顶板冒垮压架防治措施。

大倾角厚煤层走向长壁分层开采再生顶板力学行为与稳定控制

针对大倾角厚煤层走向长壁分层开采再生顶板稳定性控制工程难题,结合淮南潘北煤矿1212(3)厚煤层分层工作面地质与工程条件,综合运用矸石侧限压缩试验、三维成像钻孔探测试验以及物理模拟与数值模拟等研究方法,分析了含水率、压缩率和粒径级配等因素对矸石压缩特性的作用机理及其对再生顶板稳定性影响程度的关联特征,获得了再生顶板结构特征与应力状态,揭示了再生顶板采动力学行为,制定了再生顶板稳定性控制措施,评价了再生顶板稳定性控制效果。研究结果表明:采空区泥岩与砂质泥岩黏土矿物含量高,利于矸石二次胶结;矸石受载压缩过程中的接触状态与应力状态不断调整,表现为再生顶板结构垂向上,下部与上部矸石压缩胶结程度均高于中部,倾向上,中上部矸石压缩胶结程度最小,再生顶板更易破坏;矸石粒径级配是影响再生顶板抗剪强度的主要因素,随矸石粒径增大,再生顶板表现出沿剪切线滑移到矸石颗粒错动鼓出的延性破坏,即再生顶板倾向下部采动破断剧烈程度较中上部缓和,中上部是再生顶板稳定性控制的重点防控区;主应力偏转驱动下分层采场空间不同区域再生顶板破断,提出再生顶板冒顶和煤壁片帮注浆与架棚加固方案,通过监测煤壁片帮深度与支架压力,再生顶板稳定性控制效果良好。

采动区地面井瓦斯抽采技术在新疆大倾角煤层中的应用

在深入分析采动区地面井抽采效果和地面井结构稳定性的基础上,结合新疆煤层倾角大的赋存特点,针对不同倾角及瓦斯赋存条件,井位选择布置在套管剪切位移最小的工作面拐点附近,同时对采动区地面井结构的开井次数、钻头规格等合理组合进行了优化,井身结构、钻完井工艺、安全防护装置等方面用“避”“抗”“让”“疏”“护”地面井五大设计防护理念,形成一套适合的大倾角煤层采动区瓦斯地面抽采井设计技术。之后在二一三〇煤矿4号煤层24223工作面施工1口采动地面井进行瓦斯抽采。试验结果显示:采动区地面井平均瓦斯抽采浓度31.5%,日平均瓦斯抽采纯量850m^(3)/d,累计瓦斯抽采量达60.52万m^(3),地面井采气占比56.67%,降低了风排瓦斯的压力,保障了工作面的顺利回采。当工作面推过90m时用智能钻孔成像仪对该地面井进行了现场投放观测,在二开套管内下放过程中未发现钻井套管产生异常变形情况,地面井未发生变形破坏,表明地面井在工作面推过后井身结构稳定,该井结构设计合理,能够保证地面井的持续抽采。

急倾斜特厚煤层综放工作面采场运移与巷道围岩破裂特征

急倾斜煤层的赋存环境及水平分段综放的开采方式加剧了综放工作面采场结构与应力演化的复杂性,增加了综放工作面稳定性评估的难度,为此采用多手段联动的方法对煤岩体结构与巷道围岩破裂特征进行综合探测。通过急倾斜煤层综放工作面覆岩结构与应力分析巷道围岩产生分区破裂的力源条件;基于钻孔应力监测、声波探测、光学钻孔摄像等监测方法,获得了巷道围岩质量与离层区分布位置,钻孔内壁裂隙发育程度、裂隙数量与长度以及动态破裂演化特征。综合分析表明:急倾斜特厚煤层巷道围岩破碎具有分区分布特征,顶板与两帮裂隙呈现不规则的分区演化特征,裂隙区与完整区交替出现,煤体侧巷道帮的裂隙分布区域大于岩体侧。

大倾角煤层长壁开采工作面飞矸致灾机理研究

飞矸是大倾角煤层一类特殊衍生灾害,严重危害工作面设备和人员的安全,探讨其致灾机理对建立大倾角煤层走向长壁工作面防护体系至关重要。在工作面飞矸灾害实测基础上开展实验室模拟,选取冲击能和能量恢复系数表征损伤,借助高清摄像机和压力传感器记录并获取冲击能;运用统计学原理分析不同工况下冲击能的演化特性;对冲击能和能量恢复系数拟合并根据曲线走势,以设备(人员)吸能量为控制对象,吸能量陡增点和极值点为界建立飞矸损伤风险判别模型,依据模型划分飞矸损伤的等级。基于以上探讨了飞矸致灾的机理,结果表明:飞矸致灾是在碰撞途径和方式耦合作用下冲击能和能量恢复系数达到相应致灾等级,致灾过程为自由落体、飞溅、滚动和滑动等状态下冲击能累积,满足走向运移、高度、碰撞方位后与设备接触,冲击能转化为设备弹性能和构件间振动阻尼,造成构件的形变量大于其极限形变量时发生损坏,数值仿真手段验证了理论和实验研究中能量恢复系数取值的合理性。

大倾角煤层长壁开采顶板应力传递路径倾角效应

大倾角煤层安全高效开采的关键是对围岩的有效控制,而发现并揭示围岩采动应力的时空演化特征及其倾角效应是围岩稳定性控制的基础。以新疆某矿25221工作面为工程背景,采用现场实测、理论分析与数值计算相结合的研究方法,在综合厘定与分析工作面矿压显现一般规律及其成因的基础上,研究顶板采动应力传递路径的时空演化特征及其倾角效应。结果显示:在大倾角煤层开采中,顶板采动应力随工作面推进的动态演化过程先后经历了增长期和稳定期,其对应支承压力峰值的演化呈现为先增大后趋于稳定的特征。受煤层倾角影响,顶板采动应力的三维传递演化沿走向对称、沿倾向非对称。在倾向剖面内,顶板应力的传递路径呈非对称拱形形态,且沿顶板自上而下,应力偏转位置由工作面倾向中轴线左侧逐渐向其右侧迁移,上覆岩层载荷以应力偏转界线为界,分别向倾向上、下侧煤体传递,造成倾向上侧支承压力集中系数大于下侧。在工作面走向剖面内,围岩应力的传递路径呈扁平拱形态,扁平拱两侧半拱形区域上覆岩层载荷除了向工作面走向两侧煤体传递外,亦向工作面倾向上、下侧煤体传递,而扁平拱中间直线段区域上覆岩层载荷主要向倾向上、下侧煤体传递。随着煤层倾角的增大,围岩应力传递演化的非对称特性显著增大,应力偏转界线与工作面倾向中轴线间的距离逐渐增大,2者交点的高度呈现为增—减—增的演化趋势;受此影响,工作面走向和倾向上侧支承压力集中系数亦呈现出增—减—增的演化趋势。顶板应力的非对称时空演化特征,造成采场空间不同区域顶板的力学性状与行为存在显著差异,这种差异性导致倾向不同区域支架的受载与失稳特征亦存在显著差异,且这一现象会随着煤层倾角的增大而愈发明显。

大倾角长壁工作面飞矸灾害区域治理技术

为解决大倾角工作面飞矸治理成本大并且效果差的问题,根据飞矸运动状态存在分区域特性,通过数值模拟、现场实测及理论分析对大倾角大采高工作面不同区域飞矸运动过程进行分析,结果表明:上部飞矸做多次间歇碰撞滑移运动,沿工作面运动88.3 m,飞溅概率为6.91%,对工作面人员及设备危害性最大;中部飞矸做多次间歇碰撞滑移运动38.9 m,飞溅概率为4.37%,危害程度次于上部飞矸;下部飞矸做一次碰撞滑移运动,与底板碰撞后不易弹起,位于工作面下部,已停止滚滑运动飞矸可能受到上部及中部飞矸碰撞,衍生二次灾害。根据现场飞矸运动特征提出飞矸治理原则为:上部飞矸着重轨迹阻拦、中部飞矸强调源头治理、下部飞矸防止衍生二次灾害,试验期间应用效果良好。