区段煤柱变形光纤光栅监测应用研究

针对近距离煤层下伏工作面过上覆遗留煤柱时,发生动静载叠加诱发强矿压显现,导致区段煤柱发生变形失稳造成人员伤亡和设备破坏。为探索基于光纤光栅实时监测区段煤柱变形发育特征,分析进、出遗留煤柱阶段矿压显现机理,将FBG、光栅应力计的光测方法相结合,结合现场实测的区段煤柱变形应力应变水平参量变化规律,研究煤柱应变空间分布规律及回采过程中工作面前方煤柱内部应变时域响应特征,验证光测方法在煤体应变水平观测的可行性。结果表明:工作面回采经过上覆遗留煤柱期间,区段煤柱顶板受集中应力影响,上部岩层块体破断并发生回转导致煤柱载荷增加,随着工作面推进覆岩断裂进一步向上传递,关键层断裂回转发生导致工作面来压,最终导致区段煤柱变形失稳。根据现场光栅应变增量幅度判断煤柱内局部变形的剧烈程度,在集中应力作用下,区段煤柱变形时发生最大应变为650×10^(-6),上覆岩层集中应力造成煤柱应变水平峰值位置为煤柱宽度11.5 m,沿煤柱宽度方向应变表现出先增加后减小然后趋于稳定的趋势,内部应变随采动过程中影响范围在5 m左右。综合研究工作面回采经过上覆遗留煤柱时应变对区段煤柱发生变形失稳的特点和规律,以及应变水平变化和煤柱物理力学性质,得到煤柱破坏的前兆特征,在外力作用下达到变形峰值前对煤柱提前进行卸压和防护的安全处理。

非对称载荷作用下倾斜区段煤柱稳定性分析及控制技术

为解决工作面回采及巷道掘进影响下倾斜区段煤柱稳定性劣化的复杂问题,运用弹性力学半逆解法及摩尔-库伦准则建立力学模型,结合三维有限元数值模拟,深入分析了倾斜区段煤柱一侧受载结构形态特征,明确了倾斜煤柱失稳致灾力源及载荷的分布特性,探究了采掘扰动下倾斜区段煤柱塑性变形-失稳-破坏的动态演化过程,揭示了非对称载荷作用下倾斜区段煤柱临界失稳致灾机理,以此为基础优化了倾斜煤柱及周围巷道稳定性控制技术。结果表明:区段煤柱因煤层倾角导致的倾斜形态是煤柱所承受载荷呈非对称状的关键诱因,这一特性致使倾斜煤柱最底端区域覆载最大,且当此区域失稳破坏时,呈现由煤柱下端底角塑性区向煤柱上端底角塑性区扩展的运移过程,并因此得出倾斜区段煤柱临界尺寸随煤层倾角增大而增加的演化规律。由此,针对大南湖一矿倾斜区段煤柱及周围巷道变形失稳的问题,采用支护优化及注浆加固等措施,降低了倾斜区段煤柱侧巷道的变形速率,为类似矿井的煤柱稳定性控制提供了借鉴。

变区段煤柱工作面诱冲机理及防治技术研究

针对某矿变区段煤柱工作面开采冲击危险性较高的问题,运用数值模拟方法对工作面采掘过程中煤柱区域垂直应力分布规律进行研究,分析了不同宽度区段煤柱应力积聚特征,揭示了变区段煤柱工作面诱冲机理,并制定了“近场-远场”协同卸压方案。研究结果表明,较宽的区段煤柱(30 m和55 m)受采空区侧向支承压力和超前支承压力影响,煤柱应力集中程度较高;受“近场高静载+远场动载”叠加影响,变区段煤柱工作面回采期间易诱发冲击地压;采取近场高承压煤体强卸压+远场高位坚硬顶板超前预裂断顶卸压协同控制方案后,微震能量事件始终维持在104J以下,表明控制方案能够有效降低工作面采掘期间的冲击危险性。

基于BOTDR的区段煤柱水平变形监测

针对煤柱内部微裂纹萌生、变形破坏等潜在安全隐患,利用布里渊光时域反射(BOTDR)分布式光纤传感技术进行煤柱水平变形监测。首先,根据煤柱破坏碎胀特性理论分析,建立了光纤轴向应变与水平变形的转化方法;其次开展室内试验确定了金属基索状传感光纤轴向拉伸响应情况,并根据煤柱变形破坏规律修正了应变系数,最后以陕西大柳塔煤矿活鸡兔井为工程背景,对22206工作面区段煤柱水平变形实现现场监测。监测结果表明:区段煤柱采动侧和未采动侧存在明显的水平变形差异,采动侧变形量最大,约为未采动侧的5倍,但煤柱整体水平变形较小,仅出现弹性变形,煤柱较稳定;煤柱变形分区明显,呈现中部为弹性核区,两侧为塑性破坏区的分区特征;工作面从测点前20m推进至测点后40m时,煤柱水平应变呈指数增长,远离测点之后变形趋于稳定,反映煤柱变形与采动应力扰动之间的动态关联;通过分析煤柱水平应变与垂直应力,发现两者呈指数相关关系,定量建立了煤柱水平应变与垂直应力关系式,说明煤柱变形与破坏很大程度上取决于采动应力的分布与演化。利用BOTDR技术对区段煤柱内部变形进行监测可以精确获取区段煤柱内部的微观变形信息,对于煤柱留设尺寸确定、围岩控制及采空区压力评估等具有重要指导意义。

区段煤柱下大断面回采巷道不同成巷方式分析研究

为了探究在区段煤柱下大断面巷道在掘进时受到扰动最小的一种成巷方式,以乌兰色太煤矿掘进52202工作面运输顺槽为研究背景,针对该工作面实际地质资料,通过数值模拟分析了大断面巷道在不同成巷方式条件下的塑性区形态、应力场及位移场分布规律。结果表明,先掘进5.4 m宽正常巷道,后扩帮2 m的成巷方式为最优成巷方式,将其应用于工程实践,为同类型区段煤柱下大断面巷道提供参考依据。

近距离煤层区段煤柱集中应力传递特征试验研究

探究煤柱应力向底板传递特征对确定近距离煤层巷道围岩控制方法具有指导作用。以山西杜儿坪矿近距离煤层为原型,开展上煤层开挖相似模型试验,利用DIC技术采集底板深度不同水平层位应变数据,分析垂直、水平、及剪切三种应变的分布特征和应变峰值距煤柱边界水平距离的变化规律,探究上煤层开采后区段煤柱集中应力向底板的传递特征。结果表明:煤柱底板区,三种应变均以煤柱中心为轴呈非对称双峰分布特征,垂直、剪切两种应变峰值为先开挖面煤柱侧小于后开挖面煤柱侧,而水平应变峰值则恰好相反,三种应变峰值均随底板深度增加而减小;采空区底板,垂直、剪切两种应变远离煤柱边界逐渐趋于0,而水平应变则显现出反复增减多变特征。三种应变峰值距煤柱边界的水平距离表现为垂直应变为先开挖面煤柱侧大于后开挖面煤柱侧,但剪切应变则刚好相反,而水平应变则先后开挖面煤柱侧均相等,且三种应变距煤柱边界水平距离均随底板深度增加而增大。垂直、水平应力分别为压、拉应力,而先后采面煤柱侧剪切应力则不同分别为拉、压应力;垂直、剪切两种应力均显现为高应力水平,但水平应力甚小;垂直、水平两类应力峰值均位于煤柱底板区,而剪切应力峰值却位于采空区底板;垂直、剪切两种应力随远离煤柱边界均趋于0,水平应力则显现反复转化增减特征。选择近距离煤层巷道围岩控制方法既应重视垂直应力的作用,也应关注剪切应力对其失稳破坏的影响。

孤岛工作面覆岩结构演化及区段煤柱稳定性

为探究浅埋煤层孤岛工作面开采时覆岩结构演化及区段煤柱稳定性,以泰华煤矿50104工作面为工程背景,采用理论分析、数值模拟、现场实测相结合的研究手段,分析其两侧区段煤柱承载能力及区段煤柱覆岩结构演化特征;并利用FLAC 3D数值软件,模拟塑性区分布情况以及采动应力演化特征。结果表明:50104工作面推进过程中,东西两侧区段煤柱塑性破坏滞后于工作面推进过程,位于工作面后方采空区处的区段煤柱处于塑性破坏状态,而位于工作面煤壁前方的煤柱存在稳定的弹性区,整体保持稳定,且两侧区段煤柱应力分布呈现相同特征,2条11 m煤柱高应力集中区域保持对称,均位于工作面后方;工作面区段煤柱高应力破坏区域发展速度滞后于工作面推进速度,工作面前方区段煤柱中心区域平均应力值从3.35 MPa增加至3.54 MPa,但始终未超过理论计算得到的煤柱承载强度值;通过分析50104工作面的矿压监测数据,得出实测初撑力均值为3932.4 kN,占液压支架额定初撑力的55%;平均最大工作阻力5812.3kN,占额定工作阻力的61.2%;加权平均阻力均值为4836.6kN/架,占额定工作阻力的50.9%;最大来压6013 kN,支架应力约2.35 MPa,证明11 m煤柱稳定,位于工作面煤壁前方区段煤柱的整体稳定性较好。

上分层遗留区段煤柱下斜交工作面综放开采覆岩结构演化特征

特厚煤层分层综放开采上下分层工作面斜交布置时,下分层综放工作面间歇性过上分层遗留区段煤柱导致覆岩破断运动及矿压显现规律复杂,围岩控制困难,制约了煤矿安全生产。以甘肃华亭煤电股份有限公司砚北煤矿250203下综放工作面为工程背景,采用物理相似模拟实验、数值计算、现场实测相结合的方法,研究了上分层遗留区段煤柱下斜交工作面综放开采覆岩运移规律及应力分布演化特征,阐明了下分层综放工作面开采扰动下上分层遗留区段煤柱失稳特征及围岩支承压力变化规律,定义了斜交工作面覆岩内场和外场,揭示了下分层综放工作面过遗留区段煤柱覆岩结构演化特征。研究结果表明:①下分层综放工作面开采诱发上分层遗留区段煤柱失稳导致覆岩大尺度空间垮落,扰动区内顶板结构渐次演化,形成“低位倒台阶组合悬臂梁+高位大结构砌体梁”组合结构。②在工作面距区段煤柱15 m时,区段煤柱最大垂直应力达到46.7 MPa,较下分层未开采时增大了9.9%,煤柱形变现象较为明显;工作面位于区段煤柱正下方时,区段煤柱应力集中区域呈近似“月牙状”分布。③随着下分层综放工作面与上覆遗留区段煤柱斜交位置变化,外场覆岩破断形态呈近似对称梯形,结构动态失稳导致内场垮落形态呈“非对称双拱”、“对称双拱”、“单拱”演化过程。研究结果对特厚煤层分层综放工作面安全开采具有指导意义。

深埋薄基岩下区段煤柱工作面综放开采可行性研究

赵固二矿在对二1煤层回采过程中,使用分层开采并留设较宽的区段煤柱。矿井拟对区段煤柱进行回采,以赵固二矿二盘区里侧煤柱工作面为工程背景,通过岩石物理力学测试、煤体裂隙观测及顶煤冒放性评价对工作面综放开采适应性进行综合分析,得出煤柱受临近工作面回采影响,裂隙发育,顶煤强度低,顶煤冒放性评价为好;针对深埋薄基岩等条件下煤柱综放开采进行了安全论证,得到了二盘区里侧煤柱工作面可实施综采放顶煤工艺的结论,并进行现场工业性试验,目前已实现安全回采。该研究可为实现区段煤柱综放开采提供成熟方案。

区段煤柱宽度变化下工作面矿压危险性分析

区段煤柱的宽度会影响工作面矿压变化从而导致冲击危险的发生。以某煤矿工作面为研究背景,由于受到相邻的工作面的影响,该工作面回风巷道侧预留保护煤柱宽度发生变化,因此将工作面沿走向划分为小煤柱、小煤柱-集中巷和大煤柱3个区域。分别沿倾向和走向分析不同区域工作面矿压分布特征,分区分级进行危险区的划分。结果表明:3个区域中小煤柱-集中巷区域危险区分布最大,危险等级排序为小煤柱-集中巷区域>小煤柱区域>大煤柱区域。分析结果可为后续工作面卸压防控提供依据,做到精准防控,节省人力物力。

厚煤层区段煤柱合理留设宽度及支护参数优化研究

采动影响下厚煤层区段煤柱的合理留设是煤炭高效安全回采的重要因素。针对该问题依托中能煤矿3号煤2309工作面回风巷区段煤柱留设进行研究。根据围岩极限平衡理论计算出煤柱合理宽度为8m,结合Flac3D数值计算分析不同宽度煤柱垂直应力及塑性区,验证煤柱留设宽度不应小于8m;针对留设煤柱巷道应用差异化支护方法,对煤柱侧采用帮部3道锚索补强的方法进行围岩加固;针对浸泡煤柱、漏风、有害气体涌入等隐患采取煤柱局部注浆和表面喷浆的方式控制。结合矿压监测反馈表明煤柱留设宽度合理,支护效果良好,为类似厚煤层区段煤柱留设提供技术参考。

近距离下层煤开采区段煤柱合理错距研究

为了研究近距离煤层群开采形成的煤柱群合理错距问题,以山西甘庄煤矿8~#和11~#煤层为研究背景,采用理论计算的方法,构建了煤柱群合理错距的力学计算模型,利用数值模拟研究了区段煤柱的应力扰动特征和合理错距长度,并通过现场应用验证了研究的科学合理性。研究表明,煤柱群应力扰动范围可分为3个区,分别为应力集中区、应力扰动区、应力叠加区,应力分布范围受煤柱应力传递角、层间距和上煤柱留设宽度影响,且与层间距成线性关系,与煤柱应力传递角成三角函数关系,层间距对煤柱合理错距长度的影响最大。由数值模拟和理论计算得到,区段煤柱的合理错距长度为40 m,同时采用YHY30本安型钻孔应力计对现场展开监测,监测数据与理论分析结果接近,验证了研究的准确性。

特厚煤层综放开采区段煤柱合理留设宽度研究

为提高回采率,保证巷道围岩稳定,合理留出区段的煤柱宽度是工作面开采过程中至关重要的因素。以西北矿区某矿2盘区综放工作面区段煤柱留设为工程背景,通过理论计算得出区段煤柱留设宽度为7.18~7.98 m。通过数值模拟方法研究了工作面开采过程中不同区段煤柱宽度条件下影响下回采巷道的围岩变形与煤柱的垂直应力分布,研究结果表明,留10 m以上煤柱可有效减小巷道围岩变形,且10 m煤柱既能维持其本身的稳定,又能起到支撑顶底板与保护巷道的作用。在此基础上,通过对相关结果的综合分析,得到了合理的煤柱留设宽度,为类似条件下合理煤柱留设提供了依据。

浅埋深采空区下孤岛工作面区段煤柱稳定性研究

为了揭示浅埋深采空区下孤岛工作面区段煤柱稳定,以榆家梁煤矿52302孤岛工作面为工程背景,采用数值模拟和理论分析相结合的方法,研究了孤岛工作面回采期间覆岩采动应力的分布特征,分析区段煤柱应力演化规律,理论校核区段煤柱稳定性。研究结果表明:结合采空区侧向煤体在动态支承压力形成极限平衡区,理论计算得出两侧支承压力峰值距离52302孤岛工作面边缘煤壁约为1.74 m,支承压力影响范围约为13.1 m。数值模拟得出初次来压步距约为60~70 m,周期来压步距约为15~20 m,孤岛工作面两侧煤柱最大应力为17.54 MPa,煤柱两侧塑性区范围为2~3 m。根据煤柱稳定性分析,区段煤柱核区宽度12.228 m,区段煤柱核区率81.52%,宽度15 m的工作面区段煤柱可保持稳定。研究结果可为类似条件工作面过平行煤柱开采提供参考。

龙华煤矿浅埋煤层区段煤柱合理宽度研究

为减少煤炭资源浪费,保障工作面开采期间巷道的稳定性,本文采用现场监测、数值模拟和理论分析相结合的研究手段,对龙华煤矿30203工作面区段煤柱的合理留设宽度进行研究。结果表明:30203工作面区段煤柱塑性区宽度为1.8 m,运输顺槽超前支承压力影响范围为25 m;辅运顺槽侧超前支承压力影响范围为20 m,随着工作面的推进,回采巷道顶底板移近量为50 mm,两帮位移量为5 mm。理论计算得出区段煤柱合理宽度为14.86~15.26 m;采用数值模拟验证了优化后的15 m宽区段煤柱能够满足工作面安全生产的要求,区段煤柱能够保持良好的稳定性,研究成果为类似条件矿井安全生产提供借鉴。

南梁煤矿区段煤柱宽度优化研究

以南梁煤矿3-1煤层生产地质条件为工程背景,运用现场监测和物理相似模拟相结合的研究方法,研究了工作面回采以后煤柱上方基本顶岩梁破断结构以及留设不同尺寸区段煤柱时的压力分布规律,分析煤柱的稳定性,从而得到最优煤柱宽度。研究结果表明,当煤柱宽度从15 m优化至9 m的过程中,煤柱及其上覆岩层未发生明显变形,煤柱稳定性较好。当煤柱宽度为8 m时,区段煤柱不足以支撑上覆岩层载荷作用而被压碎,顶板结构发生明显改变。煤柱应力分布由“双驼峰状”向“单驼峰状”转变。现场监测结果表明,区段煤柱优化后围岩稳定性较优化前未发生明显改变,稳定性较好。

基于关键块破断特征的区段煤柱设计研究

为了快速确定布尔台煤矿42204工作面区段煤柱的宽度,通过数值模拟手段,分析了不同关键块体对煤柱承载特征的影响,结合极限平衡理论,共同确定了区段煤柱宽度为25 m是最佳设计。实际工程应用结果显示,25 m区段煤柱有效维持了巷道的稳定性,煤柱横向位移量在合理范围,保证巷道稳定性的同时,间接提高了矿井的经济效益,符合矿井生产需求。

浅埋近距离煤层区段煤柱合理错距研究

神东煤田主要赋存浅埋近距离煤层,多数矿井上煤层都已开采结束,进入下煤层开采阶段。上下煤层区段煤柱的布置方式会直接影响覆岩与地表的下沉和裂隙的发育,使原本脆弱的生态环境进一步恶化。为确定合理的煤柱错距,以石圪台煤矿2-2煤和3-1煤开采为工程背景,结合物理和数值模拟开展研究。研究表明:当煤柱错距小于40 m时,上下区段煤柱裂隙场叠加发育,上煤层区段煤柱沉降;当煤柱错距等于40 m时,上下煤层区段煤柱裂隙场分离,上区段煤柱达到充分沉降;当煤柱错距大于40 m时,地表下沉与覆岩裂隙发育变化不大。故石圪台煤矿2-2煤和3-1煤的合理煤柱错距应大于40 m。

深部大采高综采面区段煤柱聚能失稳机理和控制研究

针对深部厚硬顶板综采面区段煤柱失稳引起巷道大变形破坏等问题,以红庆河煤矿大采高区段煤柱为对象,采用理论分析、现场实测和数值模拟方法,对深部区段煤柱聚能失稳机理和煤柱失稳防控技术进行研究。得出如下结论:外部动载荷扰动、静载荷集中下煤柱发生能量的积聚,满足能量判据时煤柱发生弹性向塑性转换和能量转移,煤柱最终部分或全部失稳破坏。宽煤柱两边缘出现应力双峰值点,中心存在弹性核区,窄煤柱中心出现单应力峰值点无弹性区;提出了以煤柱合理宽度为核心,配合实施水力压裂围岩应力调控、大直径卸压钻孔和煤柱帮强力支护的防控技术体系,在红庆河煤矿成功应用。

综放工作面回采期间区段煤柱合理留设宽度研究

基于特厚煤层条件下工作面开采期间区段煤柱合理留设宽度难题,以长治市境内某井工开采矿井61610综放工作面为工程背景,结合现场动态监测、理论计算分析、三维数值模拟研究和工业性应用验证等手段对区段煤柱合理留设宽度进行了分析探讨,结果表明:61610综放工作面超前支承应力在距煤壁147~150 m位置处产生影响,并在距煤壁50 m位置处达到峰值;理论计算确定区段煤柱合理留设宽度取值为10.64~12.4 m;三维数值模拟从垂向应力和塑性区分布的角度分析,指出区段煤柱的合理留设宽度不应该小于10.0 m.现场在61610工作面与其西侧的61612辅运巷之间留设宽度为10.5~11.0 m的区段煤柱,钻孔窥测指明区段煤柱深部区域存在完整的弹性核区间,保证了61612辅运巷沿空掘进和支护顺利进行。