Investigation on fracture models and ground pressure distribution of thick hard rock strata including weak interlayer

Dynamic disasters,such as rock burst due to the breaking of large area stiff roof strata,are known to occur in the hard rock strata of coal mines.In this paper,mechanical models of the fracturing processes of thick hard rock strata were established based on the thick plate theory and numerical simulations.The results demonstrated that,based on the fracture characteristics of the thick hard rock strata,four fracture models could be analyzed in detail,and the corresponding theoretical failure criteria were determined in detail.In addition,the influence of weak interlayer position on the fracture models and ground pressure of rock strata is deeply analyzed,and six numerical simulation schemes have been implemented.The results showed that the working face pressure caused by the independent movement of the lower layer is relatively low.The different fracture type of the thick hard rock strata had different demands on the working resistance of the hydraulic powered supports.The working resistance of the hydraulic powered supports required by the stratified movements was lower than that of the non-stratified movements.

厚硬石灰岩顶板工作面顺槽支护优化研究

为解决厚硬石灰岩顶板回采巷道原支护方案存在支护不当、成本过高且受采动影响时两帮围岩变形量大的问题,以山西灵石华苑煤业9103轨道顺槽为研究对象,通过现场监测并结合回采巷道煤与岩石的物理力学参数,采用工程类比法对原支护方案进行优化。运用FLAC3D数值模拟软件对优化前后巷道在掘巷期间及在受相邻工作面和本工作面采动影响后的支护效果进行对比分析,证明其优化方案的可行性。研究结果表明:优化方案在巷道掘巷完成后的顶板变形量较原方案增大2.6%,两帮变形量减小13.1%;优化支护方案在相邻工作面和本工作面采动应力作用下,顶板变形量较原方案均无明显增大,两帮移近量较原支护方案分别减小26.2%和32.8%。

深部厚硬顶板工作面回采速度对围岩稳定性影响研究

为进一步探究深部厚硬顶板工作面回采速度对围岩稳定性影响规律,综合采用理论分析、数值计算、现场试验等方法,分析了回采速度对围岩运移的影响规律,建立了深部厚硬顶板工作面回采计算模型,研究了回采速度对工作面围岩应力、能量演化的影响规律,并进行了现场试验,试验得到:试验工作面在正常区域回采时,回采速度不宜超过5.6 m/d,过断层区域回采时,回采速度不宜超过3.2 m/d,研究成果可为深部厚硬顶板工作面合理确定回采速度提供参考。

特厚坚硬煤层深浅交替钻孔水力压裂弱化顶煤技术研究

为有效解决特厚煤层大采高放顶煤开采设计时,因顶煤坚硬并且工作面上方为采空区,导致矿压显现较小,放煤过程中煤块较大、冒放性差、回采率低等技术难题,在特厚坚硬煤层中采用深浅交替钻孔水力压裂弱化顶煤技术,并在金山煤业13101工作面进行工业性试验,通过FLAC^(3D)数值模拟以及现场监测等多种手段对水力压裂效果进行综合分析。结果表明:在特厚坚硬煤层中采用深浅交替钻孔水力压裂技术,钻孔孔壁四周出现大量微小裂缝以及多条贯穿大裂缝,可有效破坏坚硬顶煤层的完整性,使顶煤能够充分垮落和回收,并且缩短周期来压步距,减小压裂范围支架工作阻力,压裂后顶煤煤块大块最大粒度从800 mm左右下降到300 mm以下,放顶煤回采率提高11.3%,实现了工作面安全高效生产和资源的充分回收。水力压裂弱化特厚坚硬顶煤技术为相似工程设计提供了技术途径和方向。

临巷爆破预切顶卸压参数优化

切顶参数是影响厚硬顶板条件沿空掘巷成功的关键,参数变化影响巷道围岩稳定。本文以云驾岭19101工作面为工程背景,通过UDEC数值模拟设计5°、10°、15°、20°四个角度和5、9、11、13 m四个不同切顶高度的方案。分析不同切顶角度、不同高度对巷道顶板下沉量的变化规律,获得切顶高度和切顶角度的最优参数分别为11 m、10°;现场爆破试验得到最优爆破孔距为600 mm。该方案可为其他类似矿井提供借鉴。

坚硬厚煤层综放采场顶煤破裂特征的实测分析

基于综放采场顶煤体在支架上方裂隙发育程度和破碎特征,为确定综放开采顶煤冒放性和合理的放煤参数提供依据。在综放面支架上方打穿煤层钻孔,采用钻孔摄像仪记录顶煤裂隙的发育情况。从钻孔摄像中取得的影像资料出发,分析了支架上方特厚坚硬顶煤沿厚度方向的破碎特征,进而分析了其破碎机理,并提出了合理的放煤参数,为特厚坚硬煤层综放开采进一步提高顶煤采出率提供技术支持和依据。

特厚坚硬煤层超大采高综放开采支架-围岩结构耦合关系

针对榆神矿区坚硬特厚煤层综放开采所面临的顶煤悬顶距长、冒放性差、采出率低和采放不协调等问题,探讨了机采割煤高度6.0 m以上的超大采高综放开采可行性和必要性,分析超大采高综放开采支架-围岩耦合关系,在支架-围岩强度、刚度和稳定性耦合的基础上,提出超大采高综放开采支架-围岩结构耦合理论。从液压支架与围岩相互作用机理角度,阐释了支架-围岩支护系统“小结构”初次耦合主动支撑和“大结构”二次耦合被动承载概念和理论,分析了围岩“大、小结构”耦合对工作面围岩支护效果和适应性的影响,指出综采放顶煤液压支架结构设计除需满足“小结构”支护系统适应“大结构”周期性破断失稳形成的强动载矿压外,还需考虑液压支架结构(特别是放煤机构结构)对顶煤冒放运移规律和支架载荷演化过程的影响,通过支架结构与顶煤冒放结构耦合实现顶煤顺利放出,提高顶煤采出率。采用理论分析、相似模拟、数值模拟和现场调研等研究方法,分析了坚硬顶煤冒落和放出结构以及冒放过程的成拱机理,讨论了液压支架结构高度对矿山压力显现强度、顶煤冒放结构和资源采出率的影响,研究了放煤机构结构对顶煤成拱结构的影响,以及放煤机构结构对顶煤的二次破碎作用,提出了强力放煤机构结构改进和优化策略,并对破煤机理和效果进行探讨,以期为相似坚硬特厚煤层综放开采支架-围岩耦合提拱理论指导和借鉴。

基于黏结颗粒模型的特厚坚硬煤层综放开采数值模拟研究

基于榆神矿区特厚坚硬煤层超大采高综放开采技术条件,针对散体颗粒模型在埋深较浅的坚硬煤层综放开采模拟中顶煤冒放情况与实际不相符的问题,对比黏结颗粒模型与无黏结散体颗粒模型力学性质,讨论两种模型适用条件,得出黏结颗粒模型更适合坚硬煤层综放开采模拟。阐述了黏结颗粒模型的建模和模拟过程:岩层内部采用平行黏结颗粒模型以模拟层内整体块体力学特性,层间采用光滑节理模型以模拟结构面力学性质;通过Fish语言和伺服控制原理实现液压支架初撑阶段、增阻阶段和恒阻阶段不同工况的模拟;根据支架顶梁位态采用逆向运动学方法更新支架整体位姿;通过Fish语言实现尾梁的不同幅度摆动。数值模拟结果表明:覆岩可形成下位基本顶不稳定砌体梁结构和上位基本顶稳定砌体梁结构,顶板来压步距介于10~20 m;顶煤破碎度和冒放性具有双周期性(走向周期与周期来压步距一致,表现为来压期间顶煤破碎较充分、冒放性好,优于非来压期间;垂向周期与顶煤层位相关,表现为下位顶煤破碎充分、冒放性好,优于上位顶煤);工作面煤壁整体稳定性较好,来压期间会出现煤壁破坏现象;液压支架总体处于较高的工作阻力状态;不同块度的顶煤冒放过程中可能形成小块度瞬时动态松散拱结构、中等块度不稳定拱结构和大块度稳定拱结构,尾梁成拱可采用"小拱小摆、大拱大摆"对策高效破拱,掩护梁成拱则需移架才可破拱。超大采高综放开采实践表明数值模拟结果与现场情况一致,黏结颗粒模型能较好地模拟埋深较浅的坚硬煤层综放开采顶煤冒放特征和矿压显现规律。本研究可为坚硬煤层顶煤冒放性和顶板覆岩结构数值模拟研究提供力学模型选择依据,为模拟过程实现方法提供借鉴。

特厚煤层综放开采采空区侧向矿压特征及应用

以水帘洞煤矿3801特厚硬煤层综放工作面开采为工程背景,对采空区侧矿压显现进行了两次在线实时观测,结果如下:①得到了采空区巷道覆岩移动、支护体受力、侧向支承压力显现特征,揭示了工作面上端头采空区侧周期来压等于走向周期来压步距,建立了采空区侧向上位直接顶"岩-矸"结构(位于煤层上方16～24 m)、基本顶"岩-梁"结构的覆岩结构模型;②建立采空区巷道隔离墙受力模型,结合实验得到的矸石充填体"应力-应变"关系,计算得出采空区巷道隔离墙承载性能适应覆岩运动;③根据工作面上端头采空区侧周期来压超前于支护受力、侧向支承压力显现的时序关系,确定了覆岩运动对压力显现的主导作用。应用研究结果,优化3802运输巷与3801综放工作面煤柱宽度为8 m,较以往煤柱宽度减少22 m,已施工完毕的3802运输巷达到了预期效果,技术经济效益显著。

特厚硬煤层综放开采合理区段煤柱尺寸研究

水帘洞煤矿3801综放工作面地质条件极其复杂,合理确定区段煤柱是实际遇到的工程难题。文章通过采场前后方侧向应力场与位移场在线观测,获得了综放沿空实体煤侧向应力分布规律及变形情况;通过数值模拟得到了不同煤柱尺寸沿空实体煤侧向应力分布变化规律。综合分析得到了合理煤柱留设尺寸,为彬长矿区同煤系特厚硬煤层综放开采确定合理煤柱尺寸提供了科学依据。

厚硬顶板特厚煤层采空区瓦斯综合治理技术研究

为了解决厚硬顶板冲击特厚煤层采空区瓦斯涌出治理问题,根据煤岩层赋存条件,通过建立厚硬顶板冲击煤层工作面的力学模型,运用UDEC数值计算并理论分析了冲击煤层开挖后覆岩结构、裂隙发育特征及竖向"三带"高度,首次为厚硬覆岩工作面采空区提出高位长短距离钻孔联合防控瓦斯灾害防治技术,效果表明:工作面回采期间上隅角瓦斯浓度不超过0.5%,回风流瓦斯浓度不超过0.2%,工作面抽采瓦斯纯量达8 000 m^(3)/d,工作面瓦斯抽采率达到70%,实现了工作面的安全回采,从而减小安全隐患。

厚硬顶板裸顶支护可行性研究

基于厚硬顶板工作面回采巷道支护方案富裕系数过大、严重降低巷道支护效率的特点,以辛置煤矿东区10#煤层开采为工程背景,系统研究了厚硬顶板条件下的支护方案。研究表明,裸顶支护,即巷道在进行支护时,对两帮进行正常支护,对顶板进行不支护或者简单支护的支护形式,在保证支护质量的前提下有效地加快了施工进度,为巷道的支护提供了新的理论基础。

浅埋硬厚煤层提高综放采出率的研究与实践

为解决浅埋坚硬特厚煤层综放采出率低的问题,论文在系统分析综放开采煤炭损失组成的基础上,从工作面设备选型、回采巷道布置、采放工艺优化等方面研究了提高综放采出率的技术措施,并首次使用回煤箱减少放煤损失。研究成果在俄霍布拉克煤矿得到成功应用,工作面采出率达84%,可为类似条件下的煤层综放开采提供参考。

“钻-切-压”定向水力压裂顶煤弱化技术应用研究

针对坚硬厚煤层综放开采条件下顶煤难冒放,安全可控性差的问题,提出了"钻-切-压"定向水力压裂顶煤弱化技术,并以榆神矿区神树畔煤矿为工程背景开展了现场试验,利用钻孔窥视、高频电磁波CT技术对压裂前、后顶煤体裂隙破裂及扩展状态进行了探测,统计分析了压裂前、后工作面顶煤回收率。工程实践结果表明,"钻-切-压"定向水力压裂顶煤弱化技术对顶煤裂隙的破裂及扩展效果显著,压裂后钻孔内顶煤裂隙发育比例增加23.5%,裂缝扩展贯通范围达到10m以上;致裂区域顶煤回收率得到明显改善,水压致裂段顶煤的日放煤量由3243t增至3433t,增加190t,提高5.5%;工作面顶煤回收率由66.16%增加至72.49%,较水压致裂前提高了6.33个百分点。该研究成果对坚硬难冒煤层综放开采回收率的提高具有重要的参考意义。

汪家寨矿C409复杂难采厚煤层开采方法选择及建议

针对汪家寨矿C409复杂难采厚煤层合理开采方法选择进行了研究。首先,为进一步增加开采方法选择的直观性,就三种厚煤层开采方法一般适用条件及选择原则以表格形式进行了总结;其次,具体分析了C409复杂难采厚煤层开采需着重考虑的不利因素。在此基础上,进行了C409厚煤层开采方法选择对比分析和适应性综合评价。结果表明,在现有开采技术条件下,C409厚煤层采用放顶煤开采较合理,这与矿井目前实际采用的开采方法是一致的。最后,针对C409复杂难采厚煤层放顶煤开采可能遇到的问题,给出了具体建议,以指导其安全高效开采。

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.

坚硬厚煤层综放开采顶煤预爆破参数研究

通过室内爆破试验、分形理论分析、三维FLAC数值计算和相关工程对比 ,系统地研究了坚硬厚煤层综放开采时的顶煤预爆破技术 ,提出了合理的预爆破方案与参数 ,通过现场实施 ,将顶煤采出率提高了2 5 77%。同时运用拓扑理论分析了预爆破前后的顶煤块度分布。

硬厚煤层综放开采顶煤弱化技术研究

通过硬厚煤层综放开采顶煤弱化技术的全面调研,确立不同开采条件的顶煤弱化工艺模式。结合现场工业性试验,验证架间爆破方案的可行性,指出存在的具体问题和今后发展方向。

厚硬基本顶综放沿空巷道应力分布特征及煤柱宽度确定

厚硬基本顶综放工作面开采强度高、基本顶厚度大,区段煤柱的稳定性直接影响着巷道的安全稳定,针对这一影响因素,采用理论分析、数值模拟的方法计算分析沿空巷道的覆岩结构特征及应力位移变化情况,确定合理煤柱宽度。结果表明:厚硬基本顶主要破断方式为两端拉断作用下破坏,计算得到巷道煤柱的留设宽度为7.5 m以上,分析了不同宽度煤柱下的垂直应力及形变量,最终确定煤柱合理留设宽度应为8 m。

“两硬”浅埋深厚煤层顶煤顶板运移规律研究

为在浅埋深“两硬”条件下的特厚煤层实施综放开采技术,对坚硬顶煤顶板的破断、运移规律进行了现场观测和分析研究.通过理论分析,建立了顶板断裂的力学模型.利用深基点观测方法,在安家岭井工矿4101综放工作面设置矿压观测站,对工作面顶煤顶板的不同层位进行深基点观测,获得了顶煤顶板随工作面推进垮落和运移情况的数据,分析总结了该工作面顶煤顶板的活动运移规律.观测结果表明:4101工作面顶煤随工作面的推进随采随冒,顶煤顶板运移起始点距煤壁较近,顶煤距煤壁前方15 m左右开始移动,顶板岩层移动距离约距煤壁前方10 m,顶板运移滞后于顶煤的运移,且顶煤冒落时位移量不大.4101工作面顶煤可随采随冒,顶板能够及时垮落,不需对顶煤顶板采取人工处理措施.