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“采场围岩控制”专题（《煤炭学报》）

来源：煤炭学报

专题整理于2021年5月，为2018—2021年《煤炭学报》刊登的“采场围岩控制”主题论文。

行业视野: 采矿
类别; 187个
关键词; 165位
专家; 47篇
论文; 61940IP
点击量; 32065次
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煤炭开采与岩层运动

作者(Author)：钱鸣高, 许家林

摘要：采矿是从地层内获取煤炭资源的过程，是一次对矿区地层的扰动，必然引起岩层运动和地层内应力场与裂隙场的改变，从而影响矿压显现、地下水流失和地表沉陷等安全与环境问题。因此，采动岩层运动及其对安全与环境的影响规律是煤炭开采的基础科学问题，对这些规律的认识将提高煤炭开采的科学性。由于采动岩层运动的复杂性，至今仍然有很多问题没有解决。介绍了采动覆岩运动的块体结构形式、岩层运动对工作面空间维护的影响、岩层运动对覆岩裂隙演化与地下水和地表沉陷等环境问题的影响、岩层运动对采动应力场影响等方面的研究进展与存在的主要问题，明确了岩层运动研究的重点和方向。结果表明:采动岩层运动是一种坚硬岩层破断前的应力集中和破断后形成块体的力学行为，坚硬岩层的破断和块体运动具有突变和不连续性，破断块体互相咬合可能形成“大变形”结构，块体咬合结构的S-R稳定性将对矿压显现、采动裂隙和地表沉陷等产生重要影响。岩层运动是一个“黑箱”，目前仅仅在控制原理上得到解释，达到“灰箱”程度。因此，岩层控制在很多场合只能是“宏观”控制。“砌体梁”结构力学模型的建立明确了支护原理和支架工作阻力估算原则。一般情况下，按照4~8倍采高岩柱自重估算支架工作阻力可以满足工程需要，在大采高或薄直接顶、浅部开采、特殊压架条件等情况下支架工作阻力估算应采用上限，个别条件下单纯提高支架阻力仍无法彻底解决压架问题，还需配套实施相关工程措施加以防范。根据覆岩关键层破断块体结构的稳定性，将我国不同表土层条件下的地表沉陷划分为3种类型，提出应根据地表沉陷的不同类型进行预测、控制与选择复垦方法。关键层的赋存与破断特性对采动应力分布影响显著。目前，由于应力集中引起的事故比瓦斯事故更难以预防，为此，深部和构造应力集中区域只能开设试验矿井。

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煤炭学报

2019年第04期

2407

2176
急倾斜煤层伪俯斜走向长壁工作面煤壁破坏机理

作者(Author)：杨胜利, 赵斌, 李良晖

摘要：急倾斜煤层走向长壁工作面煤壁和底板容易发生破坏，严重影响工作面的正常推进。通过理论建模、底摩擦实验、数值计算等方法，研究了煤层顶板破断与冒落矸石滑动特征，揭示了不同煤层赋存和开采条件下煤壁破坏机理，并提出了防治煤壁破坏与底板滑移的具体措施。研究发现:急倾斜煤层走向长壁工作面顶板冒落的矸石会对采空区形成不同程度的充填，自下而上依次为“密实充填段”、“不均匀充填段”、“非充填段”3段，而工作面中上部区域由于充填不充分，动压现象明显，容易造成严重的煤壁片帮和底板滑移现象，支架的工况随之也会变差，成为整个工作面围岩稳定性最脆弱的区域，严重影响到工作面的安全高效生产，是采场围岩控制的重点区域;工作面底板稳定性显著影响煤壁的稳定性，实际生产中发现，在煤层赋存和开采条件不同时，煤壁破坏一般会呈现出“塑性-流动”、“挤出-滑移”、“剪切-滑移”3种破坏模式;工作面采用伪俯斜布置不仅可以显著提高煤壁和底板的稳定性，也可以有效阻止液压支架倾倒和下滑，还可以避免工作面飞矸发生，配合整体推刮板输送机和“柔性加固煤壁”等技术可以实现急倾斜煤层走向长壁工作面安全高效开采，有效解决急倾斜煤层机械化开采所面临的一系列岩层控制难题。

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煤炭学报

2019年第02期

1331

1161
浅埋近距离煤层开采房式煤柱群动态失稳致灾机制

作者(Author)：朱卫兵, 许家林, 陈璐, 李竹, 刘文涛

摘要：针对我国西部矿区浅埋近距离煤层房采煤柱下开采时易发生工作面压架、地表台阶塌陷以及矿震灾害的现象，采用物理模拟及数值模拟方法对下煤层工作面采动时上覆房采煤柱群的动态失稳过程及工作面压架机理开展研究。实测统计榆阳区部分矿井本煤层房式开采后，只有当房采煤柱的弹性核区比例大于31%时，房采煤柱才能处于长期稳定。下煤层采后的模拟结果表明:上覆房采煤柱的破坏形式及其失稳次序同其与下煤层工作面相对位置密切相关，房采煤柱依次从工作面开切眼位置、工作面位置、采空区中部位置发生破坏及失稳，且工作面开切眼和工作面位置处煤柱多发生顺向采空区的斜切破坏，而采空区中部煤柱则发生垂向压裂破坏。根据石圪台煤矿数值模拟结果显示，上部2-2煤层房采后煤柱支承应力峰值由原岩应力28 MPa增大至12 MPa，应力集中系数为428;当下部3-1煤层工作面采后，上覆2-2煤层房采煤柱的支承应力峰值增大至30 MPa，应力集中系数达1071;下煤层工作面开切眼侧与工作面正上方的房采煤柱呈现垂向不均匀承载特征以及受水平拉伸变形影响，是导致边界处房采煤柱易出现对角斜切破坏模式的主因。两侧边界煤柱失稳后，其顶板岩层瞬间发生整体拉剪破断从而引发矿震，顶板多层岩层以“整体运动”的形式急剧快速下沉并撞击底板，将采空区中部上方的房采煤柱压垮压塌，同时巨大的冲击力进而导致上下煤层间的岩层发生全厚切落，造成下煤层工作面发生切顶压架。实验发现从上覆房采煤柱群首个煤柱发生破坏至整体失稳运动并达到稳定，历时仅约为0.45 s，其中，上下煤层之间的岩层发生全厚切落历时仅约为0.05s。

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煤炭学报

2019年第02期

1274

1182
煤矿采场智能岩层控制原理及方法

作者(Author)：李化敏, 王伸, 李东印, 王文, 袁瑞甫, 王祖洸, 朱时廷

摘要：煤矿采场智能岩层控制是智慧矿山及智能化开采的重要组成部分，是由“试误岩层控制”向“精准岩层控制”、由“静态岩层控制”向“动态岩层控制”发展的关键路径，是当前和今后一个时期采场岩层控制领域的重要发展方向之一。明确了采场智能岩层控制的内涵:即运用现代信息技术、人工智能技术及方法等，以采场智能装备系统为载体，实现开采全过程的采场围岩自动化、智能化控制。采场智能岩层控制分为3个关键环节:开采过程中的环境及设备运行数据的感知与汇集、动态分析与状态判别、实时决策控制与反馈。分析了矿山数据的构成、感知汇集方法及利用方式，矿山数据的主要用途为:岩层控制效果与事故灾害特征评价的大数据关联分析、为人工智能模型提供学习样本及分析对象、作为动态数值计算的反演分析参照对象、作为数据可视化与开采实景虚拟的信息来源。给出了采场智能岩层控制的动态分析与状态判别、实时决策与控制的技术路径，提出了采场智能岩层控制的关键科学问题:① 环境及设备运行数据的感知汇集方法与技术;② 矿山数据实时快速分析方法与技术;③ 采场智能岩层控制的关联分析与模型;④ 矿山数据可视化与开采场景虚拟构建;⑤ 基于大数据的快速动态数值计算原理及算法;⑥ 采场智能岩层控制“感知-分析-控制-反馈”全过程算法集成与系统构建。结合工程实际介绍了基于支持向量机和动态数值计算的采场智能岩层控制初步应用。

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煤炭学报

2019年第01期

1675

772
综采工作面基本顶厚跨比对其初次断裂失稳影响规律

作者(Author)：赵毅鑫, 王新中, 周金龙, 李全生, 张村

摘要：综采工作面基本顶初次断裂失稳机理对工作面支架选型及采场围岩稳定性控制至关重要。通过建立顶板力学模型分析得出:综采工作面基本顶初次断裂前，基本顶厚跨比从初始状态减小趋近极限状态时，其内部最大主应力σ1与最大剪应力τmax均逐渐增加;当厚跨比接近0.2时，σ1与τmax均出现陡增，但σ1增加速率大于τmax，易在基本顶两端顶部发生断裂，且基本顶初次断裂时极限厚跨比n1一般大于0.2。在不发生滑落失稳条件下，基本顶极限厚跨比n1随回转角θ的增大近似呈线性增加;证明了基本顶铰接结构回转初期(θ为0°～3°)易发生滑落失稳。在仅考虑厚跨比影响的条件下，基本顶铰接结构发生回转失稳的临界条件为极限厚跨比n1=0624。然而，当n1<0.624时，回转极限平衡角大于岩块回转平衡角所允许的最小值时，亦会造成铰接结构回转失稳。同时，在考虑支架弹性变形的基础上，建立了基本顶铰接结构滑落失稳对工作面支架动载系数计算方法，当直接顶与基本顶离层量Δh为0时，动载系数Fsd取最小值;Δh不为0时，Fsd随Δh增加而增大，但随直接顶与支架刚度之比、直接顶自重与基本顶传递载荷之比增加而减少。最后，通过对不同综采工作面初次来压时支架工作阻力与动载系数进行计算，验证了理论分析的有效性。

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煤炭学报

2019年第01期

1430

452
深井超长工作面基本顶分区破断模型与支架阻力分布特征

作者(Author)：王家臣, 杨胜利, 杨宝贵, 李杨, 王兆会, 杨毅, 马焱超

摘要：开采深度和工作面长度增加导致采场矿压显现程度和空间分布特征发生改变，增加了该类采场围岩失稳类型的不确定性及控制难度。针对深井超长工作面异常矿压现象发生频率高、预测难度大等问题，采用理论分析、室内实验和实测等方法分析了该类采场基本顶破断类型和支架阻力分布特征。结果表明:开采深度增加提高了岩体中裂隙发育程度，裂隙尺寸服从对数正态分布,裂隙倾角和倾向服从正态分布;基于蒙特-卡罗模拟方法实现深井超长工作面基本顶三维重构，工作面长度增加导致基本顶中部存在裂隙的概率升高，增大了基本顶在工作面中部发生局部破断的可能性;建立深井超长工作面基本顶分区破断力学模型，采用上限定理推导出完整基本顶的整体承载能力以及基本顶中存在1条和2条原生裂隙时的局部承载能力,获得基本顶在裂隙影响区发生局部分区破断和迁移现象的力学判据;基本顶分区破断现象导致破断岩块在空间上呈非均匀分布，表现为工作面中部块度小、两端块度大的特征;分区破断模型预测结果同相似模拟实验结果吻合，解释了深井超长工作面开采实践中发现的顶板压力沿工作面方向的非均匀分布现象。

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煤炭学报

2019年第01期

1566

579
大倾角大采高综采工作面支架受载与失稳特征分析

作者(Author)：罗生虎, 伍永平, 解盘石, 王红伟, 刘宝恒, 李昂

摘要：对支架的稳定性控制是大倾角大采高煤层安全、高效开采亟待解决的关键问题之一,以2130煤矿25221大倾角大采高综采工作面为研究背景,基于现场监测对覆岩破断运移规律和支架受载特征分析的基础上,通过理论分析系统研究了采高和工作面顶板运移对支架受载与失稳特征的影响。结果表明,在大倾角大采高煤层开采中,受采高增大影响,顶板运移的幅度和剧烈程度及支架工作阻力均较一般采高大倾角煤层开采时明显增大,架间推压、咬挤现象明显;当工作面顶底板岩层稳定时,使支架保持不转动和下滑的临界工作阻力均不超过支架自重的2倍;但受工作面顶板运移影响,支架亦会随着顶板的运动而运动,且其不会随着支架工作阻力的增大而消失;支架转动下滑的幅度和失稳概率随着支架工作阻力的减小、顶板与支架间摩擦力绝对值的增大、顶板载荷偏载程度的增大及采高的增大而增大,且其转动失稳的概率大于下滑失稳的概率。

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煤炭学报

2018年第12期

890

305
大倾角工作面飞矸冲击损害及其控制

作者(Author)：伍永平, 胡博胜, 解盘石, 李少华, 皇甫靖宇

摘要：飞矸具有动态运移、危害巨大的特点,合理控制其损害是大倾角煤层安全开采的前提之一。基于卡尔曼滤波原理获取飞矸的冲击能特性,以挡矸网为控制元件,多手段综合研究了飞矸的冲击损害机制及控制元件参数,提出了一种飞矸冲击损害控制方法。研究结果表明飞矸碰撞设备时冲击能耗损为多种形式的能量,其中设备的变形能占比最大;飞矸碰撞设备前的冲击能和设备的冲击能恢复系数共同影响飞矸冲击能的耗损程度,由此飞矸损害控制可以从提高设备的冲击能恢复系数和降低飞矸的冲击能两方面入手。LS-DYNA数值碰撞模型确定了大倾角大采高工作面控制元件参数为涤纶直径6 mm,菱形网格大小100 mm×100 mm。将控制元件应用于现场,降低了飞矸伤人毁物事故的次数,改善了防护设备使用周期短的问题。

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煤炭学报

2018年第10期

939

314