煤层巷道两帮煤体应力和极限平衡区的探讨

本文介绍了国内外学者对煤层巷道两帮煤体应力及极限平衡区的研究成果,指出了研究中存在的问题。作者以松散介质应力平衡理论为基础,井结合应力微分平衡方程求出了煤层界面应力以及煤体的应力极限平衡区宽度。文中分析了开采深度、界面摩擦角、粘聚力、煤层厚度、侧向支护阻力、应力集中系数等因素对界面应力和极限平衡区宽度的影响。井下实测数据与计算结果基本吻合。

煤体应力与钻杆扭矩的关系研究

为了研究向煤体中打钻过程中煤体应力与钻杆上扭矩的关系,利用自主研发的钻杆扭矩测试装置,分别测定了煤体应力为6MPa、8MPa、10MPa、12MPa、14MPa条件下的钻杆扭矩。首次提出了利用钻杆扭矩测试煤体应力的方法,并通过现场实测进行了验证。研究结果表明:在钻进情况、煤体强度相同而煤体应力不同的条件下,钻杆扭矩及其变化速率与煤体应力都服从线性递增关系,线性相关系数在0.95以上。根据钻杆扭矩测试结果确定某矿12160工作面的卸压带宽度约为4m、应力峰值点大致位于孔深5m处和原岩应力区在孔深大于6m的区域。本文研究结果为煤体应力测试提供了新思路。

钻杆多指标法测定煤体应力试验研究

为准确预测矿井冲击地压,采用钻杆推力、钻杆转速及动态钻屑量相结合的方法判断冲击地压的危险性。通过对新型钻机钻孔过程中煤岩切削破碎模型、钻杆的力学分析,建立钻头、钻杆的动力学模型和煤岩应力学模型,得出钻杆推力、钻杆转速、动态钻屑量与煤体应力的关系。从理论上分析了利用钻杆推力、钻杆转速、动态钻屑量测定煤体应力的可行性,提出了通过钻杆推力、钻杆转速与动态钻屑量相结合来预测煤矿冲击地压危险性的方法。利用推力-转速数据采集系统,测试了不同煤体应力下钻杆推力、钻杆转速的变化规律。试验结果表明:随着钻进深度的增加,钻杆推力、钻杆转速数据曲线均呈现出先增大然后稳定再减小的规律,但二者相比,转速稳定时间段较长。在相同参数条件下,钻杆推力、钻杆转速与煤体应力呈线性递减关系;动态钻屑量与煤体应力呈线性递增关系。多指标共同预测时,钻杆转速越大钻杆推力越大;反之,钻杆推力越小,二者一致性良好。研究结果可为煤矿冲击地压的预测提供技术参考。

基于克里金插值法的煤体应力场分布规律研究

为解决应力监测系统监测分析煤体应力场时测点数量较少、插值准确度较低等问题,采用克里金插值法对试验工作面应力监测数据进行变异函数模型拟合和交叉验证,研究在测点数量较少的情况下不同变异函数模型的插值效果。结果表明:在煤体应力场中采用球状模型的克里金插值法的准确性高于其他插值方法,其插值残差的优化均值小于0.2 MPa,并得到工作面回风巷和运输巷内煤体应力监测系统的测点间距应分别小于7.95和9.92 m。采用克里金插值法得到的应力云图能够反映试验工作面巷帮煤体应力场分布规律,为巷道超前支护、顶板稳定性控制、围岩稳定性分析、冲击地压预防等提供理论依据。

综采工作面推进速度与前方煤体应力关系研究

依据试验综采工作面开采地质及技术条件,在现场实测的基础上,分析了工作面在慢速和快速推进情况下工作面前方煤体应力分布规律和变化规律。现场生产应根据其分布规律和变化规律,适当加快工作面推进速度,减少工作面在同一位置的滞留时间,有利于保持巷道的稳定性和改善巷道维护状态,对保证安全生产具有一定的意义。

镇城底矿煤层巷道煤体应力及变形规律研究

为分析煤层巷道开挖后两帮煤体应力分布及变形规律,进而确定合理、有效的支护方式,采用弹塑性理论计算以及现场实测相结合的研究方法,以镇城底矿生产实际为背景,理论分析得到该矿煤层巷道两帮煤体的应力分布形式、煤体应力极限平衡区范围;实测分析煤层巷道两帮煤体应力值及巷道围岩收敛变形规律,理论与实测结果较为吻合。巷道开挖后,围岩经充分变形,煤体应力及围岩变形初期变化受采动影响较弱。

深井回采工作面覆岩运动及煤体应力分布规律

为保证深部开采矿井安全高效生产,根据东海煤矿32#右十一回采工作面地质资料,采用RFPA、ANSYS软件对深部回采工作面覆岩关键层运动规律及煤体内的应力变化情况进行数值模拟。结果表明,开采深度越大工作面覆岩关键层的破断距离越小,顶板周期来压步距越短;该工作面的周期来压步距为30 m左右,数值模拟与现场实测结果吻合;随着回采工作面的推进,高应力区向远离工作面的煤体内部移动,且煤柱上的高应力分布带移动量大于煤体上的移动量。该研究为矿井深部开采超前支护及冲击矿压防治提供了参考。

煤体应力监测模拟试验设备研制与应用

为研究煤体应力对钻机钻进参数的影响规律,研制了一种能够模拟钻压、围压、煤体强度、钻头尺寸4种影响因素的随钻测量模拟试验设备。该设备主要由钻进系统、加载系统和数据测量系统组成,可以实时监测钻进过程中的转矩、转速、钻进位移等钻进参数。运用该设备进行了类煤试件在不同钻压和围压下的随钻测量钻进试验,结果表明:钻进过程中,钻孔深度—时间曲线基本呈线性关系,钻速接近常数,转速先快速增长后保持稳定,转矩快速增长后呈上下波动趋势;转矩、钻速随钻压上升而上升,近似呈线性关系,转速随钻压上升而下降,呈负相关关系;相同钻压条件下,转矩随围压上升而上升;相同围压条件下,转矩随钻压上升而上升;钻速、转速随围压上升而下降,呈负相关关系。

钻杆推力转速及扭矩相结合法测定煤体应力试验研究

为了准确判定煤体应力的大小,采用钻杆推力转速及扭矩相结合的方法来反推判断煤体应力。通过对新型钻机钻孔过程中钻头、钻杆的力学分析,建立了钻头、钻杆的动力学模型和动力学方程,得出了钻杆推力、转速、扭矩与煤体应力的关系以及转速与扭矩、推力的关系。在理论上给出了利用钻杆推力、转速、扭矩计算煤体应力的可行性。利用推力-转速-扭矩数据采集传感器装置,测试了不同煤体应力下钻杆推力、转速、扭矩的变化规律。试验结果表明:随着钻进深度的增加,钻杆推力、转速、扭矩均呈现出先增大后稳定再减小的规律,但三者相比,转速、扭矩稳定时间段较长;在相同钻机及钻具条件下,钻杆推力和转速随煤体应力的增大而减小,钻杆扭矩随煤体应力的增大而增大;钻杆转速越大,钻杆推力相应呈线性递增关系,反之,钻杆速度越小,钻杆推力越小;钻杆扭矩随钻杆转速的变化相应呈二次方增加的关系。研究结果为煤矿冲击地压的预测和研究提供了参考。

煤体应力对钻进切削力的影响

为研究煤层钻孔过程中煤体应力与钻头切削力的关系,以水平煤层钻孔为研究对象,采用理论分析的方法,建立钻头转动切削煤体过程中钻刃与煤体的静力学模型,通过对钻头切削破岩受力进行分析,得到煤体应力与切削力的关系式;利用PFC-2D数值软件,建立钻刃与煤体的离散元模型,对钻刃切削煤体过程进行数值模拟研究,得到切削过程中切削力、裂纹的变化规律。研究结果表明:单一因素影响下切削力与煤体应力呈线性关系,切削力受切削深度、钻刃角度和煤体强度的影响;其他条件不变的情况下切削过程中裂纹产生速率随煤体应力增大而减小;切削力峰值与平均值随煤体应力呈线性变化,与理论分析结果一致。

厚煤层大倾角工作面煤体应力实测及煤柱合理宽度分析

厚煤层工作面开采与一般厚度煤层开采不同,其一次采出厚度增高,使得上覆岩层回转运动空间加大,容易诱发较为剧烈的矿山压力显现。基于此,对下沟煤矿201厚煤层工作面煤体应力监测,监测结果表明:工作面支承压力影响范围约在工作面前方101 m,明显影响范围为52.9 m,剧烈影响范围为32.4 m;工作面留设20 m区段煤柱处于应力峰值以内,但从回收资源角度来看,可以进一步缩小煤柱尺寸。根据数值模拟计算结果,结合工作面支承压力分布规律,工作面区段煤柱的合理尺寸为7 m。

钻屑法监测煤体应力及冲击危险的现场实践

钻屑法作为一种测定煤体应力分布的方法在煤矿中被广泛使用,同时该方法也是监测冲击危险最为直接的有效方法之一。在理论介绍钻屑法监测煤体应力及冲击危险原理及其评价指标的基础上,具体针对705工作面回采过上区段停采线遗留煤柱危险区期间的冲击严峻形势,采用钻屑法对该危险区域的应力分布状态进行了探测,并进一步获得了该工作面回采期间的钻屑指标临界值。监测结果表明:(1)该区域存在3个明显的应力特征分区,即采空区侧应力降低区、煤柱应力集中区和原始应力区,其中煤柱应力集中区的分布范围为50 m。(2)采空区侧支承压力峰值位于6 m位置,煤柱影响区和原始应力区支承压力峰值位于8~9 m,总体平均位于6~9 m位置。(3)705工作面冲击危险监测的钻屑指标临界值为钻孔深度第2~5 m处为3.02 kg/m,第6~10 m处为4.44 kg/m。

逆断层区域煤体应力分布规律

逆断层区域地应力和构造应力叠加,煤体应力分布规律非常复杂,对逆断层区域煤层安全开采造成影响。为了掌握逆断层构造对煤体应力分布的影响,以贵州省新春煤矿1503回采工作面F4逆断层区域煤岩体为研究背景,采用FLAC数值模拟方法分析了逆断层区域煤体应力分布规律,建立了逆断层区域煤体应力分析数理模型,推导出煤体垂直应力和水平应力的计算表达式,并应用KYKY-2800B型扫描电子显微镜分别对距离逆断层70、40、10 m的煤样进行微观结构观测。研究结果表明:(1)逆断层区域100 m范围,随与逆断层距离减小,煤体的垂直应力和水平应力表现出先增大后减小的变化规律;(2)与逆断层越近,煤体稳定性越差,与逆断层距离小于12.74 m的范围内煤体将发生破坏,破坏后煤体强度发生劣化,应力降低;(3)距离逆断层70 m的K3煤样表面基本不存在裂隙,煤样较为完整;距离逆断层40 m的K2煤样表面存在“X”型裂隙,煤体未发生破坏仍处于弹性变形阶段,但K2煤样裂隙比K3多,煤样受力较大;距离逆断层10 m的K1煤样结构破碎、大小颗粒混杂,煤体发生破坏并处于塑性软化阶段或塑性流动阶段,煤体强度发生劣化,应力降低;(4)逆断层附近煤体破坏,导致应力降低,从而形成了与逆断层距离减小,煤体应力先增大后减小的分布特征。

不同应力下煤体钻孔试验及钻进能量响应研究

针对钻孔过程中煤体应力对钻进能量的影响问题,利用自制的恒钻压钻进试验装置开展煤岩钻孔试验,测定了钻进参数,研究了钻进能量与煤体应力的关系;利用钻屑参数计算了钻屑表面能,研究了煤体应力与表面能的关系,通过对比钻进能量和钻屑表面能,对钻孔过程中能量的转化进行了分析。研究结果表明:扭矩功在钻进能量中占比95%以上,钻进能量随煤体应力增加而增加,近似呈线性关系;钻屑量和钻屑表面能均随煤体应力增加而增加,钻进能量向钻屑表面能转化过程中存在8%~33%的能量损耗,损耗能量的形式主要是声能和钻头摩擦生热。

基于钻杆转速和钻屑量测定煤体应力实验研究

通过对钻孔过程中煤岩体应力场、钻杆转速及钻杆排屑力、排屑扭矩进行理论分析,提出利用钻杆转速和钻屑量综合预测煤体应力大小的可行性,并利用自主研制的钻孔多参量测试设备进行实验室试验和现场钻孔实验。研究结果表明：在钻进速度、钻杆参数一致的条件下,钻杆转速与煤体应力呈负相关趋势,钻屑量与煤体应力呈正相关趋势,且钻杆转速与钻屑量保持很好的对应关系,证实了依据钻杆转速和钻屑量来综合预测煤体应力大小、集中程度是可行的;依据现场测试数据可得某矿实际工作面卸压区、集中应力区及原始应力区的大致分布位置,且集中应力区钻杆转速最小约为517.2 r/min,对应的钻屑量最大为5.1 kg/m。依据大量钻屑转速测试数据,提出利用一孔双指标对冲击地压进行预测预报,为煤矿动力灾害的防治提供新思路。

煤体应力与钻杆转速关系的试验研究

为通过监测煤体应力来预测冲击地压,分析钻孔过程中钻头与钻杆相互作用的力学特性,建立煤体应力与钻杆转速的力学模型,研究钻孔过程中煤体应力对钻杆转速影响规律,理论上给出了利用钻杆转速判断煤体应力的可行性。利用钻杆转速测试系统,对预先自制的相同强度煤体试件进行钻孔试验,分析不同煤体应力时钻杆转速变化规律。研究结果表明:在相同试验条件下,使用同样钻进设备,按照预定推进速度钻孔,钻杆转速与煤体应力近似呈负相关。为进一步验证理论模型和试验测试可行性,在实际矿井工作面进行现场试验,并通过钻屑量指标证明转速测试结果与理论分析有较好一致性。

钻屑温度测试煤体法向应力的试验研究

针对煤体法向应力测试问题,基于煤体法向应力的变化引起钻屑温度改变的实际,通过实验室实验,研究了钻屑温度与煤体法向应力的对应关系。实验研究结果表明:在一定范围内,煤体法向应力不同而其余实验条件相同的情况下钻屑温度随着煤体法向应力的增大而升高;钻头温度最大值、钻头温度上升速率、钻孔温度、煤屑温度与煤体法向应力基本呈线性关系。实验方法可用于测试煤体法向应力水平变化,为预测煤层冲击地压危险性提供新的思路。

高应力煤体小煤柱护巷围岩稳定性控制技术研究

高应力环境临空小煤柱巷道面临围岩稳定性差,巷道维护难度大等问题,以福达煤矿15#煤层5 m小煤柱应用现场为背景,针对影响小煤柱巷道围岩稳定性的关键因素,包括:地应力水平高、围岩稳定性差、煤柱内部遗留钻场空区等,提出了侧向水力压裂卸压、临空巷道围岩稳定性控制及煤柱内隐蔽钻场高水材料充填技术方案,并开展现场应用,结果表明:(1)水力压裂关键层位起裂压力峰值为26.5 MPa,各孔最大压力均值22.3 MPa,孔内原生裂隙受高压水挤压作用逐渐张开,对顶板完整性的弱化作用显著;(2)基于巷道矿压数据分析结论,顶板锚杆应力峰值为108 kN,帮锚杆应力峰值为86 kN,均远低于锚杆的屈服载荷,未出现断锚现象。巷道两帮及顶板下沉量均在可控范围内,巷道收缩量较小,围岩整体稳定性得到有效控制;(3)隐蔽钻场充填高水材料总体积682.9 m3,高于钻场空区总体积,每个充填钻孔均保证返浆后停止注浆,钻场充满率较高,残留1.5 m煤柱稳定性较好,达到了预期效果。

多孔介质应力对孔隙压力影响的研究

通过大量的现场测试发现 ,含瓦斯煤岩是一个复杂的系统 ,煤体应力的变化是引起其他一系列变化的主导因素。随煤体应力的变化 ,孔隙压力呈指数形式变化 ;介质的渗透性受孔隙压力梯度的控制。

综采工作面煤体支承压力理论与实测分析

通过对石窑店煤矿215205综采工作面超前煤体及区段煤柱应力进行实测和理论分析,掌握了该条件下煤体应力分布特征。结果表明:该工作面超前支承压力峰值位于煤壁前方3～4m,影响范围约10.25～13.5m,工作面所留设20m区段煤柱可以满足支护要求。所得成果对类似地质条件下工作面超前支护范围和煤柱合理留设有指导作用。