深埋倾斜特厚煤层窄煤柱护巷机理与围岩控制

我国中东部地区采深大、巷道变形和冲击风险大,窄煤柱沿空掘巷技术可改善巷道围岩环境。为掌握窄煤柱护巷机理并形成针对性围岩控制技术体系,以800 m埋深倾斜特厚煤层3 m窄煤柱沿空掘巷为背景,开展了理论分析、现场实测及数值模拟研究,结果表明:①该巷围岩破碎程度及变形煤柱侧比实体煤侧严重,煤柱破碎程度及变形采空区侧比巷道侧大,尽管埋深大,但已稳定采空区承担较大覆岩载荷,高应力已充分向深部岩体分流;②巷道变形非对称,实体煤侧顶板下沉量比煤柱侧大,巷帮以浅部变形为主,煤柱帮上部和实体煤帮中部变形较大;③采空区是掘巷卸荷后主要的形变通道,利于形变能向采空区缓释、降低冲击风险;④卸压区形状由掘巷前三角形扩展为掘巷后平行四边形,掘巷后应力集中区转移至实体煤帮右上方实体煤岩体中;⑤窄煤柱一次和二次剪切破坏的交界面及掘巷右上方实体高应力区为围岩关键控制区,据此提出基于煤柱多重塑性破坏区发育规律的煤柱加固和高应力区精准卸压联合的围岩控制技术体系。研究可为邻近工作面以及其他类似深埋倾斜特厚煤层开采提供理论支撑和科学依据。

胀锁型锚索双向加固窄煤柱试验研究与工程应用

针对沿空掘巷窄煤柱非对称变形问题,提出了对穿锚索双向加固窄煤柱技术,设计了伸长型和胀锁型两种对穿锚索结构及工艺,开展了对穿锚索拉拔试验,试验表明两种锚索结构均满足抗拉要求,从锚索破坏形态、施工便捷性和材料经济性等方面对比分析,确定胀锁型对穿锚索为窄煤柱双向加固的首选。进一步通过相似模型试验与数值模拟研究了不同加固方式下煤柱承载变形规律和对穿锚索受力特征。结果表明:双排紧密型对穿锚索加固试件较未加固试件峰值荷载提高了96.04%,且随着锚索排数及数量的增加,窄煤柱双向加固稳定性越来越高,胀锁型对穿锚索提高了煤柱破坏前的能量储存量和临界破坏点。最后,在济宁三号煤矿123_(下)04工作面运输巷开展胀锁式对穿锚索加固窄煤柱工程试验,监测显示对穿锚索锚固力超过220 kN,锚索加固区煤柱帮鼓量降低70%,窄煤柱整体稳定性好,窄煤柱双向加固技术可行,为沿空掘巷工程提供了新技术途径。

中深部孤岛工作面窄煤柱沿空掘巷支护技术研究

孤岛工作面沿空掘巷存在围岩变形严重、控制难度大、成本高的问题。以某矿5103回风顺槽为研究对象,运用多种设计方法,综合确定护巷煤柱最佳宽度为6 m;提出顶板围岩浅部基础层、中部承载层和深部强化层多圈层高效支护技术,以长锚杆+柔性锚杆+长锚索为主形成多圈层承载结构。通过在5103回风顺槽进行工业试验表明,巷道围岩变形得到有效控制,取得良好的安全、经济效益,可为相似条件下孤岛工作面的开采提供借鉴。

特厚煤层垂直分层区段窄煤柱围岩稳定性及控制技术

针对特厚煤层垂直分层区段窄煤柱大变形失稳控制难题,采用理论分析、数值模拟及现场试验相结合的方法,对内蒙古老公营子煤矿特厚煤层窄煤柱围岩稳定性及控制技术展开研究。笔者在对窄煤柱内三向应力计算的基础上,基于摩尔−库伦破坏强度得到窄煤柱平面应变的屈服准则,定性分析了窄煤柱破坏特征及损伤程度演化规律,进一步分析了区段窄煤柱失稳机理及其尺寸效应影响规律,最后给出区段窄煤柱围岩控制关键技术,并通过数值模拟及现场试验进行验证。研究成果表明:①窄煤柱中部破坏程度大于两帮,中部自顶端向下煤体破坏程度由严重向轻微发展。随着宽高比增大窄煤柱内破坏程度及严重破坏区域占比逐渐减小,当宽高比大于1∶1,窄煤柱中下部开始出现大范围的轻微破坏区,当宽高比大于5∶3,轻微破坏区占比超过50%。当黏聚力C≥3 MPa,或内摩擦角φ≥20°时,窄煤柱两帮破坏程度转变为轻微。②工作面回采巷道一侧为窄煤柱低强度承载区,在上部高应力作用下,大范围的低应力承载区煤体向巷道位移,造成两帮持续性大变形,进而影响顶板的稳定性。煤柱高度是中、底分层区段窄煤柱稳定的主控因素,窄煤柱宽高比增大,对高强度承载区承载强度影响程度较小,而低强度承载区承载强度增加较明显,合理的窄煤柱宽高比可平衡煤柱内高、低强度承载区比例,并提高承载强度。③分层窄煤柱留设需考虑工作面两侧采空时围岩稳定性,保证煤柱内部高强度承载区范围大于煤柱宽度及高度的一半,并通过联合加强支护措施使煤柱内形成由浅入深的多重联合控制区,共同维护煤柱的自稳能力。

窄煤柱沿空掘巷非对称支护力学特征与支护参数研究

为了研究窄煤柱沿空掘巷非对称支护下围岩变形与应力分布特征,采用理论分析方法,研究窄煤柱沿空巷道对称支护与非对称支护力学机理;基于马道头煤矿现场工程实践,采用数值模拟与工程效验方法,研究非对称支护下巷道围岩力学特征与稳定性。理论分析结果表明,非对称支护可有效降低巷道顶板弯矩,减小巷道顶底板与两帮变形量。模拟结果表明,煤柱内部压应力增高区与弹性核区保障了煤柱承载性能。现场实测结果表明,采用“锚索+槽型钢”非对称支护,巷道顶板、窄煤柱侧巷帮与实体煤侧巷帮最大变形量分别为100、79、62 mm,巷道松动圈与裂隙发育处于中等水平。

围岩加强支护留窄煤柱护巷的可行性研究

为了减少煤矿井下资源浪费现象的发生,研究了留设不同宽度保护煤柱时,围岩塑性区及垂直应力在施工“支护-卸压-砌墙”协同控制技术前后的数值模拟对比分析。数值模拟结果表明:未采取围岩加强支护措施时,随着停采线与回风大巷之间距离的减小,煤柱垂直应力峰值呈先增大后减小的趋势,且回风大巷围岩破坏变形严重;施工“支护-卸压-砌墙”协同控制技术后,随着保护煤柱的回采,煤柱与回风大巷围岩的塑性形变区域面积占比都显著减小,且回风大巷的垂直应力峰值平均减小了25.32%,应力集中系数平均减小了27.03%;在保证煤柱及大巷围岩稳定的前提下,可适当的缩减保护煤柱的宽度,以减少煤炭资源的浪费,并可为煤矿带来较大的经济效益。

多关键层窄煤柱冲击地压发生机理与三级协同防治技术

以门克庆煤矿11-3106工作面为背景,建立了11-3106工作面上覆厚硬覆岩结构破断模型,研究了深部厚硬顶板高强度开采条件下多关键层窄煤柱临空巷道冲击地压发生机理,提出了“钻-爆-压”三级协同卸压防治技术并现场应用,采用震波CT技术、微震监测、支架压力监测和地表沉降观测等多种手段进行了卸压效果验证。研究结果表明:11-3106工作面上覆存在高、低位关键层,当两关键层破断时,均可能造成覆岩大范围运动,临空巷道围岩受动载扰动影响大;窄煤柱承载能力低,使得覆岩载荷向巷道实体煤侧传递,实体煤侧应力增高,是冲击启动的主要区域;在侧向固定支承压力和本工作面移动支承压力叠加作用下,实体煤侧应力集中程度不断升高,受坚硬顶板周期性破断影响,“动静”加载容易诱发临空巷道冲击显现;坚硬顶板既是11-3106工作面系统内高静载力源,又是系统外强动载荷来源。对于11-3106工作面的冲击地压防治,应同时从3个方面入手:(1)弱化煤体,形成冲击发生的缓冲隔离带;(2)预裂低位顶板,减弱煤岩体致密程度,破坏系统内外的蓄能条件;(3)预裂高位顶板,人为诱发中高位关键层破断。开发了“钻-爆-压”三级协同卸压防治技术,现场实施后,降低了高、低位厚硬顶板破断带来的冲击动载,减弱了煤体内高应力区的应力集中程度,高能量微震事件大幅减少,降低了工作面回采期间的围岩活动性,工作面顶板来压强度降低,地面沉降值增加200%,表明“钻-爆-压”三级协同卸压具有良好的“释能减冲”效果,可为类似厚硬顶板条件下窄煤柱工作面的冲击地压防治提供借鉴。

窄煤柱复合采空区压注CO_(2)惰化参数优化研究

针对窄煤柱复合采空区内气体流动规律复杂、注惰气技术灌注参数选择难度较大、惰气易涌入工作空间等问题,以姚桥煤矿7271工作面采空区及相邻7269采空区为研究对象,采用理论分析和数值模拟相结合的方法,建立窄煤柱复合采空区气体输运数学模型,研究了压注CO_(2)前后复合采空区的气体流动特征,确定了复合采空区最优惰化参数。研究结果表明:注CO_(2)后,氧化带总体向7271工作面移动,CO_(2)向采空区深部及回风巷方向移动;随着注气量增大,煤柱内部氧化带最大宽度由3.77 m减小至1.76 m,煤柱隔绝O_(2)的效果增强;相邻的7269采空区CO_(2)呈走向范围大、倾向范围小的扩散态势,随着注气量的增大,CO_(2)抑制O_(2)扩散的效果更加明显;建立数学模型评判,确定CO_(2)最佳注入量为750 m^(3)/h。

高应力沿空掘巷窄煤柱宽度确定及控制技术

在高应力松散煤层回采巷道布置过程中,沿空掘巷技术的关键是窄煤柱留设宽度的确定及支护方式的选择。基于谢桥煤矿21316工作面实际地质条件,通过理论计算确定窄煤柱与巷道宽度之和在13.88m范围内才能避开支承压力峰值点,利用数值模拟手段对不同宽度的窄煤柱进行分析,综合巷道围岩应力分布及巷道变形情况,分析确定小煤柱宽度为5m,进一步提出“应力优化-长锚固强化-注浆改性”三位一体控制对策,根据现场条件制定支护方案并进行了成功实践,为类似条件巷道支护提供了借鉴。

倾斜厚煤层综放工作面沿空掘巷窄煤柱宽度研究

针对沙吉海煤矿14E02倾斜厚煤层综放面沿空掘巷窄煤柱留设尺寸问题,采用理论分析、数值模拟及矿压实测的方法,确定了窄煤柱合理宽度,研究结果表明:基于内外应力场理论计算得出沿空掘巷窄煤柱宽度不宜大于6.42 m(上限),基于弹塑性极限平衡理论计算出窄煤柱宽度不宜小于3.96 m(下限);沿空掘巷数值模拟结果表明:4~5 m煤柱在掘进期间能够稳定,但在回采期丧失承载能力且极易引发巷道与煤柱联动性破坏,巷道维护极其困难;当煤柱宽度≥6 m时,窄煤柱在掘巷及回采期间均能形成稳定的弹性核,更利于巷道维护,窄煤柱合理宽度取6 m为宜,这与内外应力场理论计算得出的窄煤柱宽度上限值(6.42 m)基本一致,采用内外应力场理论确定沙吉海煤矿此类倾斜厚煤层综放面窄煤柱宽度较为合理;针对倾斜厚煤层综放面窄煤柱沿空掘巷破坏特点,提出了相应的围岩控制对策及支护方案。

中厚煤层窄煤柱沿空掘巷围岩控制技术研究

为了控制沿空巷道围岩变形,保证巷道稳定安全,以木瓜矿10-208综放工作面运输顺槽为工程背景,进行特厚煤层小煤柱沿空掘巷试验性研究,采用理论分析煤柱侧覆岩活动特征及采空区侧向支承压力演化规律,结合数值模拟手段对比分析不同煤柱尺寸下巷道围岩变形与应力特性。模拟结果表明,煤柱宽度为6m时窄煤柱沿空掘巷巷道围岩稳定性较好。结合模拟结果,设计采用高强锚索支护顶板和煤柱帮的强力支护方案,有效控制巷道围岩变形,保证工作面安全回采。

切顶条件下窄煤柱护巷围岩稳定性研究

针对上区段采空区边缘进行切顶卸压,采用数值模拟方法通过对比不同切顶高度下煤柱及巷道围岩卸压规律,分析巷道围岩与上区段采空区切断联系后覆岩中应力转移规律。结果表明:切顶卸压可实现巷道围岩应力的主动调控,切顶条件下与未切顶条件下,其应力分布及位移表现出完全相反的变化趋势,切顶不仅降低了巷道围岩的应力峰值,同时降低了其整体位移量。增大切顶高度后,应力峰值降低程度并不大。

沿空巷道窄煤柱变形失稳机理与切顶护巷协同技术研究

为解决沿空巷道窄煤柱围岩控制难题,综合应用了理论分析、数值模拟、工程应用等方法,揭示了沿空巷道窄煤柱变形失稳机理,当煤柱尺寸较小时,煤柱内部煤体近乎进入残余破坏阶段,采动应力大部分转移至开采帮侧煤体内部,当护巷煤柱尺寸较大时,护巷煤柱表现出良好的承载性能,导致转移至开采帮侧煤壁内的采动应力有所减小,基于此,确定110505轨道顺槽采用切顶护巷协同支护技术,现场应用后,试验顺槽围岩整体可控,实现了沿空巷道110505轨道顺槽的稳定控制。

锚网索联合支护技术在深部窄煤柱大断面沿空掘巷中的应用

针对门克庆煤矿3-1煤层3106工作面回风巷窄煤柱沿空巷道的围岩特征和维护的技术难点,基于高预应力强力支护理论和控制原则,提出了“高强度柔性顶锚杆控顶+非对称式帮部锚网索联合支护护帮”的围岩控制关键技术,并在井下进行工业性试验。矿压观测结果表明,支护方案有效地控制了窄煤柱沿空巷道围岩变形,巷道表面位移及顶板离层较小,在安全生产允许范围内,能够保障巷道正常使用。

窄煤柱工作面巷旁充填沿空留巷控制技术及应用

主要研究了窄煤柱工作面巷旁充填沿空留巷控制技术及应用。为了探讨煤柱的合理宽度,提出了最小煤柱宽度和最大煤柱宽度的计算方法,分析了充填沿空留巷支护方案的设计,以及如何应对窄煤柱工作面的安全问题。对于窄煤柱工作面,煤柱宽度不宜过大或过小,需要在安全和经济的基础上确定合理的范围,有效避免因煤柱宽度不合理而导致的安全事故,从而为窄煤柱工作面的安全生产提供一定的理论和实践参考。

窄煤柱沿空掘巷技术在高瓦斯厚煤层综放采煤面中的应用研究

双U型通风方式广泛应用于高瓦斯厚煤层采煤面,解决了瓦斯超标难题,改善了工作环境。但双U型通风方式巷道留设煤柱宽度一般在25~60 m,会加大瓦斯排放巷与联络巷维护难度,同时煤炭资源浪费严重。为解决这一问题,万家庄煤业在上一工作面的采空区应力释放区域内布置瓦排巷,减小煤柱的宽度。此后,通过分析矿压监测数据可知,窄煤柱沿空掘巷布置瓦斯排放巷围岩稳定可靠,能够提高煤炭回采率和减少巷道的维护难度,具有良好的推广价值。

沿空掘巷窄煤柱留设及围岩控制技术实践

为了缓解矿井采掘接替的紧张局面,改善巷道维护状况,最大限度提高资源回收率,针对花草滩煤矿实际生产条件,结合极限平衡理论及窄煤柱留设原则,通过理论计算及FLAC^(3D)软件数值模拟,确定合理的窄煤柱宽度为6 m。通过现场调研相似地质条件矿井的回采巷道围岩变形特征、围岩力学分析、围岩损伤和破裂分析、围岩破坏机理,并根据花草滩煤矿1109工作面地质资料及围岩状况,模拟分析部分支护参数对1109回采巷道围岩支护应力场的分布特征的影响,经现场试验的数据整理和验证,综合对比后确定了合理的支护参数,制定了窄煤柱掘进期间顺槽的合理支护方案。

窄煤柱沿空掘巷技术应用研究

为了确定王洼煤矿110502工作面分层开采下分层回采巷道布置方式,运用现场调研、理论分析及现场试验相结合的研究手段,研究了上分层区段煤柱及采空区对下分层的影响,确定了下分层回采巷道窄煤柱沿空掘巷技术方案,设计了下分层窄煤柱宽度及巷道支护参数,并将研究成果应用于110502(2)回风顺槽的掘进作业中。研究结果表明:试验巷道围岩得到了较好的控制效果,为王洼煤矿后续窄煤柱沿空掘巷提供了理论及应用基础。

盛平煤矿动压节理化窄煤柱锚注支护技术实践

针对盛平煤矿一段孤岛工作面巷道断面严重收缩变形的问题,分析沿空掘巷上覆岩体破断结构特征,揭示锚杆支护悬吊理论、组合梁理论等对试验沿空掘巷围岩的控制机理,得出沿空掘巷锚杆支护的技术参数,确定孤岛工作面窄煤柱沿空掘巷围岩稳定控制的薄弱区域,并对其薄弱区域提出注浆加固方案。通过采用理论分析、力学分析、数值模拟与现场实测的方法,对其设计方案进行试验效果分析验证。现场实测表明:两帮及顶板位移从12 mm、20 mm,分别增长到127 mm、158 mm,并且逐渐趋于稳定,顶部锚杆测力计最大数值为28.4 MPa,帮部锚杆测力计最大值为13.5 MPa,锚注支护效果显著,可以有效控制盛平煤矿孤岛工作面窄煤柱沿空掘巷围岩的变形。

窄煤柱沿空巷道切顶卸压护巷技术应用

为了降低Ⅱ888工作面回采期间沿空巷道矿压显现剧烈程度,提出在Ⅱ888风巷内进行预裂爆破切顶卸压试验。通过理论分析,合理确定了爆破钻孔的参数,并在现场进行了工业试验。试验效果显示,巷道的围岩变形明显改善,巷道修复量降低,高效生产技术水平提升。