基于“顶板-煤壁-支架”综合评价的大采高支架工作阻力研究

针对6.0 m特大采高综采工作面支架适应性评价与工作阻力确定难题,基于大采高采场覆岩"悬臂梁-层间岩层-砌体梁"结构模型,对6.0 m特大采高综采工作面支架合理工作阻力进行了确定,通过数值模拟和大比例尺采场相似模拟实验对支架与围岩控制适应性进行了验证和评价。研究结果表明,大采高综采支架工作阻力的确定要以满足顶板、煤壁等采场围岩控制为前提,并需确保支架良好的位态。支架工作阻力不仅要能支撑垮落带关键层"悬臂梁"破断长度内的岩层载荷,还要能给断裂带下位岩层"砌体梁"结构以平衡力。模拟结果表明,当工作阻力低于10 000 k N时,支架处于满负荷运转状态,活柱下缩量较大,顶板及煤壁变形显著;当工作阻力高于11 000 k N时,采场围岩及支架工况显著改善,据此确定支架合理工作阻力为12 000 k N。生产实践表明,试验工作面支架循环末阻力8 340~10 247 k N,安全阀开启率低于5%,煤壁完整性较好,支架工作阻力满足顶板支护及安全生产要求。

岩层移动理论与力学模型及其展望

随着社会对开采沉陷与生态环境问题日益重视,"科学采矿"势在必行。面对新形势,需要在学习前人研究成果的基础上,进行更系统、深入的研究。首先系统总结了国内外垮落法和充填法处理采空区2种情况下的岩层移动理论、优缺点及其适应条件等,重点阐述了关键层理论在岩层移动方面发挥的重要作用。基于采动岩体力学,系统分析了基本顶断裂位置和断裂步距"正态分布"变化的原因。基于采动岩层破断移动的全过程分析和前人的研究成果,提出了充分采动覆岩整体移动的"类双曲线"模型,认为岩层"类双曲线"的焦点位于主关键层位置,该模型通过关键层把砌体梁理论及地表沉陷理论有机联系起来,描述了煤层上覆岩层整体移动规律,是关键层理论的继承和发展。

块裂结构岩质地下洞室松动特征试验研究

对不同倾角层理下的块裂结构岩质地下洞室进行了物理相似模拟试验,得到了洞室上覆岩层的运动行为和松动区变化规律,并对松动区界限建立了初步数学模型。试验结果表明:①当层理倾角小于岩块摩擦角时,岩层发生离层,各层内的部分岩块整体性沿节理面滑落;顶部松动区的左右界限为层理面和节理面构成的两个台阶面,上部界限为一层理面,台阶面倾角由块裂岩体的构造特征决定,上限可由改进的Voussoir梁模型计算得到,松动区内块体群作为一个整体,表现在块体理论上即为可动块体;②当层理倾角大于岩块摩擦角,而小于围岩自稳极限角时,洞室上覆岩层不发生离层现象,松动区内块体群整体性自由掉落;松动区左右界限为两个台阶面,上限为一层理面,但此时,界限附近部分岩块发生转动,可形成有效的压力拱,从而保证上覆岩层的稳定性;③当层理倾角大于围岩自稳极限角,洞室顶部松动区可确定为两组层理面所围成的区域,在松动岩体整体性沿节理面滑落的过程中,有部分块体受力状态改变,发生转动行为,从而出现岩块挤压现象,可阻止松动岩体整体性滑落。

基于尖点突变模型的采空塌陷地表裂缝形成机理

地表裂缝的形成主要与上覆岩层移动规律有关,为了研究浅埋单一关键层煤层开采造成的地表塌陷型裂缝形成机理,本文通过建立关键层断裂的固支梁和"砌体梁"力学模型,利用尖点突变理论,从力学平衡和能量平衡的角度解释了关键层断裂的原因,推导出了关键层的初次断裂步距和周期断裂步距,分析了关键层断裂与地表裂缝形成之间的关系,利用文中推导出的公式求得大柳塔煤矿12208工作面关键层的周期断裂步距为14.9 m,与现场矿压实测周期来压步距12~15 m以及裂缝平均间距13.7 m相符。研究结果表明:关键层断裂是造成地表塌陷裂缝的主要原因,关键层断裂步距决定了裂缝间距。这对于研究类似采矿地质条件下的地表塌陷裂缝形成机理具有一定借鉴意义。

神东矿区大采高综采工作面关键层运移规律研究

大采高和特大采高综采工作面由于其特殊性,顶板结构运动形式与中等采高工作面相比存在较大不同。大采高综采工作面受采动影响后,通过对其上覆岩层关键层的运移规律进行研究得出:对于大采高或者特大采高情况下,覆岩关键层通常会以"悬臂梁"结构破断的形式存在,有时也会形成稳定的铰接结构,而上位关键层则一般可形成"砌体梁"结构;当上部关键层发生破断时,其下部关键层也将受到上部关键层破断的影响,工作面压力显现情况和周期来压步距不直接受上部关键层的破断影响而是由下部关键层是否发生破断而决定。