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煤炭学报 2021年第2期46卷 344-356页

作者：解盘石张颖异张艳丽陈建杰张晓波段建杰西安科技大学西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室陕西西安710054 西安科技大学能源学院陕西西安710054 新疆焦煤(集团)有限责任公司新疆乌鲁木齐830025 重庆市能源投资集团科技有限责任公司重庆400060 陕西冶金设计研究院有限公司陕西西安710032

为研究大倾角大采高煤矸互层顶板失稳规律及对支架的影响,以新疆焦煤集团2130煤矿25213工作面为研究对象,采用物理相似模拟实验、Rhino+Kubrix+FLAC 3D相结合的数值模拟及现场实测的方法,深入分析了大倾角大采高工作面不同夹矸层数、厚... 详细信息

为研究大倾角大采高煤矸互层顶板失稳规律及对支架的影响,以新疆焦煤集团2130煤矿25213工作面为研究对象,采用物理相似模拟实验、Rhino+Kubrix+FLAC 3D相结合的数值模拟及现场实测的方法,深入分析了大倾角大采高工作面不同夹矸层数、厚度下煤矸互层顶板失稳规律与顶板-支架相互作用特征。结果表明,煤矸互层顶板破坏是由于倾斜中部、靠近支架的煤线先产生局部压剪破坏,随之向附近软煤夹层、夹矸扩展,导致顶板非均衡破坏,诱发架前冒顶、煤壁片帮等现象。大倾角大采高煤矸互层顶板工作面支架工作阻力、顶板最大主应力及顶板变形均呈明显的非对称性,且随着夹矸层数增加,支架上方煤矸顶板集中应力影响范围、围岩变形影响范围及塑性破坏范围均有所增大。煤矸互层顶板支架与围岩有顶板与支架正接触、破断顶板作用于支架掩护梁、架间相互作用等3种作用特征。较一般顶板的大倾角工作面,煤矸互层顶板对支架作用力明显减小,支架工作阻力整体呈倾斜中、下部大于上部的特征;支架非对称受载表现为前柱侧向载荷大于后柱,但随夹矸厚度的增加,顶梁受载程度趋于均布化。结合研究结果,提出了缩短空顶时间、分区域控制、超前预爆破及工作面实时矿压监测等一系列大倾角大采高煤矸互层顶板稳定性控制措施,其中,重点控制工作面倾斜中部煤矸互层顶板的稳定性,来保证工作面的安全高效生产。

关键词：大倾角煤层大采高煤矸互层顶板支架-围岩非对称受载顶板控制

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煤矸互层顶板大倾角大采高工作面煤壁片帮机理研究

煤矸互层顶板大倾角大采高工作面煤壁片帮机理研究

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作者：杨文斌西安科技大学

学位级别：硕士

大倾角煤层是指倾角在35°～55°的煤层,是国内外公认的难采煤层。特别是当煤层厚度较大且顶板为煤矸互层顶板时,煤壁片帮、架前冒顶等现象频发,工作面安全高效开采难度巨大。以2130煤矿25213工作面为工程背景,采用理论分析、物理相似... 详细信息

大倾角煤层是指倾角在35°～55°的煤层,是国内外公认的难采煤层。特别是当煤层厚度较大且顶板为煤矸互层顶板时,煤壁片帮、架前冒顶等现象频发,工作面安全高效开采难度巨大。以2130煤矿25213工作面为工程背景,采用理论分析、物理相似模拟、数值计算以及现场试验相结合的研究方法,分析了煤矸互层顶板强度特征、煤矸互层顶板大倾角大采高工作面围岩变形破坏规律以及采空区非均匀充填条件下工作面煤壁受载与变形特征,揭示了煤矸互层顶板大倾角大采高工作面煤壁片帮机理。研究表明:煤矸互层顶板属于软煤硬矸的复合顶板,夹矸层中煤的强度对其整体强度影响较大。随煤线的厚度增大,煤矸互层顶板整体强度降低,裂隙发育空间较大;夹矸层一定程度提升了煤矸互层顶板的强度和稳定性。在工作面开采过程中,煤矸互层顶板的破断、运移具有明显的时序性和非均衡性特征,沿工作面倾向堆积矸石具有非均匀充填特性。相比一般顶板工作面,煤矸互层顶板易发生架前漏冒现象,支架工作阻力降低,超前支承压力峰值与影响范围距煤壁更远,但是煤壁顶部区域裂隙发育较为充分。在采空区非均匀充填作用影响下,煤壁的垂直应力及位移分布具有“中部最大,上部次之、下部最小”的分区特点,工作面中上部区域煤壁塑性破坏范围较广,以剪切破坏为主。煤矸互层顶板组合结构的强度越低,煤壁垂直应力及位移量有所减小。与一般顶板相比,煤壁的垂直应力及变形破坏趋势都有所减弱。煤矸互层顶板工作面煤壁受载分区特征为:中上部区域高于下部区域;沿铅垂方向煤壁的受载和变形具有非对称性,最易破坏位置为工作面中上部区域的煤壁顶部;给出了煤壁失稳强度判定准则,得到了影响煤壁稳定性的主要因素。分析了煤矸互层顶板大倾角大采高工作面煤壁片帮的原因,提出了煤矸互层顶板冒落防控措施、煤壁预加固技术等煤壁片帮综合防控对策,工程应用表明工作面煤壁片帮、顶板漏冒等问题得到缓解。研究可为类似条件下工作面安全高效开采提供理论依据。

关键词：大倾角煤层大采高煤矸互层顶板煤壁片帮区域性特征

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大倾角煤层长壁采场煤矸互层顶板破断机理研究

大倾角煤层长壁采场煤矸互层顶板破断机理研究

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作者：刘旺海西安科技大学

学位级别：硕士

大倾角煤层煤矸互层顶板赋存不稳定、强度低、易失稳是大倾角煤层开采较为常见的一种围岩灾害现象,严重影响工作面的安全高效生产。研究大倾角煤层长壁采场煤矸互层顶板破断机理对丰富复杂条件下煤层开采理论、指导现场工程实践具有重... 详细信息

大倾角煤层煤矸互层顶板赋存不稳定、强度低、易失稳是大倾角煤层开采较为常见的一种围岩灾害现象,严重影响工作面的安全高效生产。研究大倾角煤层长壁采场煤矸互层顶板破断机理对丰富复杂条件下煤层开采理论、指导现场工程实践具有重要意义。本文结合物理相似实验、数值仿真计算、现场工程实践和理论分析相结合的研究方法,研究了大倾角煤矸互层顶板破坏影响因素对煤矸互层顶板的作用机理及矿压显现规律,结果表明:大倾角煤层采场煤矸互层顶板破断受夹矸层厚度及软弱强度、倾角、工作面倾斜长度以及支架的反复支撑等主要因素影响。夹矸层越薄及强度越低,煤矸互层顶板破坏越明显;煤层倾角和工作面斜长的增加使煤矸互层顶板受力不均衡性更加明显;支架对煤矸互层顶板的反复支撑促进了顶板变形、破裂和发展,进而导致煤矸互层顶板的二次叠加破坏。煤矸互层顶板大倾角工作面初次来压步距较非煤矸互层顶板时大,周期来压步距接近,煤矸互层顶板易在支架上方发生断裂漏冒,开采时夹矸层厚度及软弱强度对煤矸互层顶板支承压力的影响比较显著。大倾角煤矸互层顶板破坏时,软煤线裂隙发育优先于硬夹矸裂隙发育,软煤先破坏,但由于煤矸互层顶板本身的层位关系及时间、重力相互作用效应,煤矸互层顶板断裂顺序为:下位夹矸层→中位煤线→中位夹矸层→上位煤线,相继依次发生“离层—断裂—推垮”的复合型破坏;随下行割煤的继续推进,硬夹矸以短、长悬臂梁方式交替断裂破坏,而互层软煤线松软易破碎,无明显的长悬臂梁出现。大倾角煤矸互层顶板的应力释放主要以拉应力为主,随煤层倾角和工作面斜长的增大,煤矸互层顶板拉应力区向倾斜工作面中上部区域迁移,而下部区域煤矸互层顶板应力由拉应力逐步转换为压应力,其倾角和工作面斜长越大,拉、压应力越明显;煤矸互层顶板塑性破坏主要以剪切破坏为主,剪切破坏随煤层倾角、工作面长度的增大,向上位岩层逐步延伸,工作面中上部区域煤矸互层顶板运移量最大,下部区域运移量较小。大倾角工作面煤矸互层顶板岩层的最大拉应力超过了其岩层的许容应力时将发生失稳破断,其中煤矸互层顶板岩层失稳破断本身的影响因素最大,即弹性模量和夹矸层厚度,其次外在的影响因素中工作面长度和倾角次之。煤矸互层顶板大倾角25213工作面,支架平均工作阻力为“下部区域＞中部区域＞上部区域”分区特征更趋明显,支架与煤矸互层顶板接顶状态多变且受载不稳定。针对大倾角综采工作面煤矸互层顶板稳定性控制难题,提出了稳定性控制措施,来保证煤矸互层顶板工作面的稳定,并在25213工作面取得了良好的工程实践效果,社会和技术经济效益良好。

关键词：大倾角煤层煤矸互层顶板变形破坏矿压显现

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