大倾角煤层开采大型三维可加载相似模拟试验

由于煤层赋存条件特殊,大倾角煤层开采采场围岩空间应力分布及演化、围岩运动特征复杂。现有三维模型试验平台存在模型加载、空间开采与监测等技术缺陷。通过采用新型三维可加载模型试验系统,实现模型均布加载、密闭空间开采模拟等技术创新,对枣泉煤矿120210工作面大倾角煤层开采进行大型三维可加载相似模拟试验研究,得出在工作面上部区域覆岩垮落充分、裂隙发育,关键域形成层位高,下部区域覆岩垮落不充分,关键域形成层位低,覆岩空间垮落呈非对称拱壳形态,上部区域应力值、来压强度、支承压力区应力集中系数等特征量明显大于下部区域。以上结果验证了大倾角煤层开采围岩空间结构形态和应力演化规律。

大倾角煤层开采“关键域”转换与岩体结构平衡特征

为解决大倾角煤层走向长壁开采过程中采场围岩中"关键域"非确定性和岩体结构变异问题.采用平面、三维立体相似模拟实验、数值分析、理论分析等综合研究方法,分析了沿工作面倾斜方向不同区域"关键域"转换和岩体结构平衡机制,结果表明:在覆岩"应力-冒落"双拱作用下,工作面下部"关键域"向直接顶和伪顶岩层转移,岩体结构破断方式为直接垮落,中部"关键域"处于基本顶中下位岩层中,岩体结构破断方式为一次回转垮落,上部"关键域"向基本顶上位岩层中转移,岩体结构破断方式为二次回转垮落,不同区域岩体结构破断的分区特征,导致了工作面来压的时序性和非均衡性.

大倾角走向长壁伪俯斜采场支架稳定性分析

大倾角伪俯斜工作面安全高效开采的基础是对"支架-围岩"系统的稳定性控制,受工作面矸石非均匀充填及倾角影响,"支架-围岩"系统稳定性控制困难。以某矿3132工作面为研究背景,采用物理相似模拟实验与理论分析相结合的方法,研究了大倾角煤层伪俯斜采场垮落矸石充填时空演化规律,及其影响下的"支架-围岩"系统相互作用关系,建立了支架力学模型,确定了工作面伪斜角和矸石作用力对支架临界阻力的影响。结果表明:伪俯斜采场矸石滑移充填经历初步充填下部区域→矸石倾向下滑→充填凹陷区域3个阶段;采空区充填体接顶区长度随煤层倾角、直接顶厚度和工作面长度的增大而增大,随伪俯斜角和采高的增大而减小,临空区长度随煤层倾角、采高和工作面长度的增大而增大,随伪俯斜角和直接顶厚度的增大而减小,矸石的非对称堆积形态改变了顶板的受力条件与破断特征,支架受载呈现明显非对称性和区域性特征;伪俯斜采场垮落矸石对支架尾部频繁产生冲击作用和接触作用,防止支架下滑和转动失稳的临界阻力随着矸石作用力的增大而增大,随着工作面伪斜角的增大而减小,工作面中、下部区域的支架比上部区域支架需要更大的支撑阻力抵抗矸石的影响;工作面现场监测结果验证了理论模型的合理性。研究结果对现场工程实践具有一定的理论指导意义。

大倾角伪俯斜采场顶板运移规律实验研究

为研究大倾角伪俯斜采场顶板垮落运移及其与支架相互作用关系。采用大比例三维物理相似模拟实验和数值计算相结合的研究手段,深入分析了伪俯斜采场初采阶段和正常回采阶段顶板应力演化与变形破坏规律,垮落顶板充填特征以及“支架-顶板”相互作用规律。结果表明,大倾角伪俯斜采场顶板应力分布与位移具有非对称性,顶板具有非对称“O-X”破断特征,且具有明显的时序特征,其中“O”破断顺序为:采空区侧边界—采煤工作面侧边界—上部边界—下部边界;“X”破断顺序为:工作面倾斜上方基本顶先发生破坏,随后基本顶沿顺时针方向依次破断。顶板周期性来压与垮落均具有分区特性与时序性,沿走向工作面各个区域顶板的垮落位置与支架相对位置不同,其中,工作面倾斜中部支架直接受到垮落顶板的作用,具体为“砸—压—推”,而倾斜上部与下部垮落顶板仅在下滑过程中对支架产生倾向向下的推力,未出现明显的砸、压现象,上部作用最弱,破断顶板使支架发生不同程度的“倒”、“扭”现象;垮落顶板对采空区的充填可分为4个阶段,各个阶段交替转化的过程对工作面中、下部支架的稳定性产生了影响,矸石堆积区最终沿走向形成充填稳定区域与动态运移区域。为大倾角煤层伪俯斜采场岩层控制提供科学依据,也丰富了大倾角煤层采场岩层控制理论。

大倾角综放开采顶煤极限平衡状态界面位置

为确定大倾角煤层长壁综放工作面顶煤极限平衡状态的形成位置,指导该类采场顶煤与支架的相互作用关系分析,以长山子1125工作面为研究对象,采用数值分析、连续介质损伤力学分析、物理相似材料模拟实验相结合的研究方法,对顶煤的渐进损伤过程与应力边界,极限平衡状态的宏观等效损伤表征方法,大倾角长壁综放采场覆岩“关键域”层位影响下顶煤极限平衡状态界面沿倾斜方向的展布形态进行了研究。结果表明:支承压力峰值处顶煤内部的细观裂隙加速贯通为宏观裂隙,损伤累积开始加速,是顶煤极限平衡状态的起始边界;长山子1125工作面顶煤极限平衡状态界面处的宏观等效损伤D L=0.16;在不同覆岩“关键域”层位高度控制作用下,顶煤极限平衡状态界面分布在煤壁前方1.96~3.90 m,沿工作面倾斜方向呈“中上部距煤壁最远、中部次之,上下端头最近“的非对称展布。工作面端面顶煤的漏冒次数与倾斜方向支架工作阻力分布统计结果验证了顶煤极限平衡状态界面展布形态的合理性。

大倾角煤层开采“关键域”岩体结构稳定性分析

以大倾角煤层走向长壁采场为研究对象,分析采场覆岩运动、应力场分布特征,揭示了围岩"关键域"迁移转化特征,认为"关键域"是大倾角煤层开采覆岩垮落形成的非对称"拱壳"形态区域内对覆岩活动起决定作用的岩层,沿工作面倾斜方向"关键域"转换导致不同区域关键岩块形成层位不同,关键岩块相互作用形成倾向"梯阶"结构。根据倾向"梯阶"结构形成特征,建立倾向"梯阶"结构力学模型,分析得出不同区域"关键域"岩梁的受力特征,揭示了"关键域"岩体结构的剪破裂和张破裂机制,确定了"关键域"关键岩块的破坏失稳引起覆岩"拱壳"空间失稳模式,为大倾角煤层安全高效开采奠定理论基础。