松软厚煤层区段煤柱剪切滑块运动机理及协同控制技术

松软厚煤层区段煤柱高、煤壁暴露面积大,加之煤质松软、裂隙发育,强采动作用下极易造成煤柱失稳,巷道维护难度极大。以山西伏岩煤业3号煤层开采为工程背景,基于剪切滑块理论,探究采掘扰动下煤柱变形破坏机理,求解煤柱剪切滑块运动范围及应力分布规律,揭示煤柱侧帮剪切滑块运动机理,提出煤柱稳定性协同控制对策并在现场进行工程实践验证。结果表明:①采用极限平衡理论与叠加理论,确定了煤柱剪切滑块运动范围及煤柱垂直应力分布规律,阐明煤柱剪切滑块安全系数分布规律:0~1.26 m深度,煤柱上部安全系数较小;在1.26~3.95 m处,煤柱中线部分大面积安全系数较小,易受顶板来压破坏。②提出了1种以“注浆加固—锚索强化—切顶卸压”为主体的区段煤柱协同控制技术,煤柱侧裂隙较无支护条件及原支护条件分别减少62.89%和46.26%,巷道围岩完整性大幅提高,形成了强承载结构,有效控制了煤柱变形及底臌。③根据松软厚煤层区段煤柱条件,合理确定了协同控制设计参数,并对煤柱防控效果进行试验监测评估。现场试验结果表明,煤柱裂隙得到充分填充,注浆后煤体强度提高63%以上;巷道位移、锚杆索受力、离层等均在可控范围,表明协同控制技术明显提高了煤柱承载力,回采巷道围岩变形得到有效控制,为工作面安全高效开采提供了空间保障。

深井煤巷帮部围岩剪切滑块理论及防控策略

针对深井煤巷围岩持续大变形诱发剪切破坏难题,建立了深井煤巷围岩剪切滑块理论力学模型并推导出剪切滑块安全系数,揭示了围岩剪切滑块运动破坏机理。采用极限平衡分析精确解法确定了剪切滑块安全系数数学模型,得出在煤体固有力学特性条件下,黏聚力对巷帮煤体剪切滑块安全系数的影响最大,呈正向线性关系;安全系数随巷高增大而呈指数降低。依据剪切滑块理论模型,以城郊矿深部煤巷为研究背景,采用UDEC软件分析了巷高、黏聚力、节理裂隙及支护方式对剪切滑块运动的影响规律。结果表明:①受采动影响,巷道两帮煤体形成共轭剪切面,出现剪切滑块运动,巷高越大,黏聚力越小,巷道越不稳定;②对于节理发育巷道,裂隙上盘破坏较下盘大,倾角越大时巷道帮鼓越严重,当节理倾角为65°时,帮部剪切滑移块体位移达到0.78 m。裂隙中下部张开,采用锚杆支护时易出现锚杆剪切破坏致使支护失效;③采用帮部斜拉锚索后,有效抑制了裂隙张开,正常发挥了锚杆锚固效果,有节理侧帮部仅鼓出0.14 m。较无支护和使用普通锚杆锚索支护分别减少了83.1%、75.4%,证明增设斜拉锚索对帮部围岩有较好的控制效果。基于剪切滑块理论模型,提出了“防裂-减隙-止滑”协同控制策略,即表层、浅部使用高强高预应力锚杆索及金属网等构件加强支护防止围岩起裂,深部使用注浆改性技术减少围岩裂隙,在严重失稳局部使用斜拉锚索抑制剪切滑块运动,从而使深井煤巷破碎围岩区形成复合承载结构,有效抑制巷道围岩变形。研究成果为深井煤巷围岩稳定性控制提供有益参考。