遗留煤柱边界下方撤面巷道合理位置确定研究

为了确定遗留煤柱边界下方撤面巷道合理布置位置,以内蒙古某矿为研究对象,基于遗留煤柱覆岩空间结构,探究应力在底板的传递规律,通过构建“上煤层遗留煤柱传递应力-下煤层巷道掘进应力”应力叠加计算模型,分析外错距离与撤面巷道围岩安全稳定之间的关系。研究结果表明:在遗留煤柱的“支撑”作用下,煤柱煤体及其上覆岩层近似成“T”型空间结构;10 m外错距离满足现场安全生产和巷道围岩控制的要求。研究结果可为相似开采条件下的巷道稳定评估和合理位置确定提供参考。

复采扰动下遗留煤柱-顶板动态应力迁移及破坏特征研究

针对遗留煤柱-顶板动态应力迁移导致遗留煤柱复采过程中煤柱破坏及顶板垮落的问题,以山西晋煤集团圣华煤业3101工作面为工程背景,采用美国有限差分法程序FLAC^(3D),对传统采空区在复采过程中遗留煤柱及顶板的应力分布及变化进行了研究。研究表明:回采越接近煤柱其应力集中程度越高;当回采方向上存在多个遗留煤柱时,在工作面前方煤柱失去承载能力后,应力会向前传递导致工作面更前方煤柱上载荷过大更易出现破坏;煤柱边缘首先开始屈服,使煤柱弹性核区宽度(有效支撑面积)减小,导致煤柱由外入里的逐步破坏;随着回采工作面与残余煤柱距离的减小,应力集中的增加速率逐渐减小,并拟合应力集中系数规律方程;工作面距煤柱10 m时,煤柱应力集中系数达到最大值并提出使用ZF3800/15/23四柱低位放顶煤液压支架进行回采,该支架能够满足回采要求。

近距离冲击地压煤层开采遗留煤柱与断层复合影响下冲击危险性研究

我国主要冲击地压矿井往往同时赋存多层可采煤层,多煤层协同安全开采是事关我国能源安全的重要课题。近距离冲击地压煤层开采时,上部煤层留设的煤柱承载了较高的上覆岩层载荷,给下部煤层开采带来了较大的风险。当遗留煤柱下发育断层时,该遗留煤柱导致的应力集中区与断层围岩附近的应力异常区产生的复合作用对工作面开采产生巨大影响。本文以陕西彬长大佛寺煤矿40201工作面为研究对象,理论分析了上煤层遗留煤柱和断层复合作用对下部冲击地压煤层开采时冲击危险性的影响,采用地震波层析成像技术和微震监测技术,分别探明了遗留煤柱和断层复合作用下工作面围岩静载荷、动载荷分布规律。研究结果表明:煤层中的断层破碎带在上覆遗留煤柱作用下产生的静载荷集中区域会向断层两盘远处转移,使得断层更易发生滑移失稳;在遗留煤柱和断层的复合作用下,工作面“见方”区域来压早于理论预测结果,且来压强度增大;工作面动载显现以遗留煤柱下区域为主,遗留煤柱的存在增大了工作面超前支承压力的影响范围。本文研究可对类似条件下的冲击地压煤层开采提供一些借鉴。

上覆煤层遗留煤柱下临空巷道布置技术研究

为解决遗留煤柱下临空巷道布置及支护技术难题,依据理论分析、数值计算方法,研究了上覆煤层遗留煤柱下临空巷道围岩应力分布和破坏机理,并在81203回风巷和低位抽采巷进行了现场试验。研究表明:当煤柱中心正下方垂直附加应力达到煤柱支承应力的10%时,影响深度可达6倍煤柱宽度以上,据此,判断15#煤回采巷道受3#、8#煤层遗留煤柱叠加应力影响;“遗留煤柱+临空扰动”应力环境可分为低应力区、临空支承应力影响区、遗留煤柱+临空扰动应力联合影响区、遗留煤柱应力影响显著区、遗留煤柱应力影响微弱区;回风巷应尽量避开临空支承应力影响区、遗留煤柱-临空扰动应力联合影响区,同时最大程度回收煤炭资源,选取20 m护巷煤柱;低位抽采巷“纵向布置”充分利用围岩自承能力,“横向布置”尽量减小动压影响;采用高强度、高预紧力、高延伸率预应力支护技术,巷道表面位移控制在合理范围。

遗留煤柱下沿空掘巷巷道合理位置布设研究

为研究上覆遗留煤柱下沿空掘巷巷道布置的合理位置,以色连二矿12411工作面回风巷道布设为背景,采用理论分析、数值模拟与工程实践等相结合的方法,对其进行了系统地分析。研究表明:当上覆遗留煤柱宽度过大时,其中的弹性区会对下伏煤层的应力分布产生较大影响,垂直应力会以“应力泡”的形式向下方传导,与下伏煤层采空区一侧所产生的支承压力进行叠加,使得下伏煤层保护煤柱塑性区变宽,应力峰值增大。基于此,通过极限平衡理论确定了保护煤柱合理宽度为9.84~12.42 m,利用数值模拟软件还原了工作面开采后的应力分布状态,综合理论分析和数值模拟最终确定将巷道布置在距离煤柱边缘12 m处。根据现场实测反馈,在距离12412工作面运输顺槽12 m处布置巷道,回风巷道两帮最大变形量为272 mm,顶底板最大变形量为119 mm,巷道围岩变形稳定,能够满足实际生产需求,为类似煤层群条件下巷道位置选择提供了有益的借鉴与参考。

近距离煤层遗留煤柱下掘进巷道围岩控制技术研究

针对南阳坡煤矿近距离煤层遗留煤柱下24202回风巷在掘进期间围岩控制难的问题,通过FLAC3D数值模拟软件,对其开挖后垂直应力分布、塑性区扩展形态进行了分析,顶板最大破坏深度3.5 m,两帮为1.5 m。根据数值模拟结果及工程实际情况,设计采用高强预应力长短锚杆(索)协同承载支护方案,在观测周期50 d内,24202回风巷两帮最大移近量控制在87 mm,顶底板最大移近量为92 mm,有效防止了巷道冒顶、片帮等灾害,为同类型地质条件下巷道围岩控制提供了思路。

上覆近距离遗留煤柱下巷道综合支护技术研究

为解决近距离条件下上覆遗留煤柱作用下造成下伏巷道掘进变形大、原有支护方案无法有效控制围岩变形的问题,以沙曲二矿5303工作面机轨合一巷为工程背景,采用理论分析、数值模拟及现场矿压监测等方法,分析了上覆采空区遗留煤柱向底板煤岩体传递载荷规律,研究了采动作用下底板破坏特征,提出了上覆遗留煤柱影响区内巷道综合支护技术。结果表明:遗留煤柱区在煤层底板造成明显的应力集中现象,基于塑性滑移线场理论计算获得底板破坏深度为6.38 m,机轨合一巷处于破坏深度边缘;提出了巷道迎头锚网索支护+滞后巷道顶板桁架锚索补强支护以及单体液压支柱+∏型钢梁加强支护的综合支护方案。数值模拟和现场矿压监测表明:巷道顶底板移近量和两帮变形量分别为210 mm和151 mm,顶部锚杆和锚索受力分别为142.4 kN和245 kN,均在可控范围内,该技术为在构造影响区、高应力区等特殊条件下巷道支护提供了借鉴。

基于不同倾角的上覆遗留煤柱下巷道合理布置数值模拟分析

晋能控股煤业集团有限公司晋华宫煤矿11^(#)煤层开采后存在遗留煤柱,对下层12~#层的应力环境将会产生影响,其中河北12^(#)煤层307盘区煤层倾角从5°至15°变化不等。基于巷道蝶形破坏原理,采用数值模拟的方法对晋华宫矿不同煤层倾角条件下巷道的合理布置位置展开研究,结果表明:当煤层倾角为0°时,巷道内错20 m以上布置时较为合理;当煤层倾角为5°时,巷道内错27.5 m以上布置时较为合理;当煤层倾角为15°时,巷道内错35 m以上布置时较为合理。显然,当煤层存在倾角时,在巷道合理布置位置的基础上将内错距增加0.5~1.0 m/°可以使巷道处于良好的应力环境内。为晋华宫矿煤柱下巷道布置提供参考依据。

开采上保护层遗留煤柱对保护效果的影响分析

通过探讨开采上保护层遗留煤柱对保护效果的影响,采取钻孔取样、实测、实验分析等方法,对以下几个方面进行了研究:开采对上保护层的影响;上保护层优化结构对地下水的影响;遗留煤柱对上保护层开采和地下水保护的影响。研究结果表明:遗留煤柱的存在显著降低了上保护层的保护效果,增加了地下水受到煤层开采影响的风险,同时,优化上保护层结构可以有效降低地下水受到煤层开采影响的风险。基于以上研究结果,提出了相应的保护措施和建议,为煤炭开采中的保护层设计和遗留煤柱处理提供有益的参考。

上覆遗留煤柱下工作面采动应力数值模拟及分析

为解决矿井内上覆遗留煤柱下工作面开采期间存在冲击危险的难题,对工作面受上覆遗留煤柱应力与工作面采掘扰动产生的采动应力相叠加的冲击危险影响程度进行了分析;采用数值模拟方法建立数值模型,分别对工作面开采前上覆遗留煤柱影响区域的应力分布特征、工作面开采时临近及过上覆遗留煤柱推进不同距离下应力分布及演化规律进行了分析。研究结果表明:上覆遗留煤柱影响区域为走向上距离上覆遗留煤柱10m范围内、倾向上距离上覆遗留煤柱15m范围内的工作面区域,在上覆遗留煤柱影响区域内工作面应采取有效的冲击地压监测及防治措施。

神东矿区遗留煤柱间隔岩层顶板破坏特征分析

以神东矿区石圪台煤矿2^(-2)煤层为工程背景,对近距离煤层条件下工作面过上覆遗留煤柱顶板破断规律及控制技术进行研究。采用理论分析、数值模拟、现场实践等方法,分析了遗留煤柱下间隔层裂隙发育特征,阐明了工作面过上覆遗留煤柱3个阶段及其特点,揭示了工作面过上覆遗留煤柱强矿压产生的主要原因,提出了定向长钻孔水力压裂超前区域弱化治理思路并应用于现场实践。研究结果表明,由于上部“倒梯形”载荷结构作用,遗留煤柱在煤层底板会产生应力集中,导致间隔岩层易沿煤柱边界产生纵向下行裂隙,该裂隙对间隔关键层破断特征有一定影响;在下煤层开采过程中,可将工作面过煤柱划分为“进煤柱阶段”“煤柱中阶段”和“出煤柱阶段”,而“出煤柱阶段”是发生强矿压显现的主要阶段,提出了在该阶段进行水力压裂控制措施,在治理区域工作面来压步距降低9.8%,来压强度降低13.6%,动载系数降低10.6%。实践表明,水力压裂控制措施治理效果良好,研究结果可为该矿区后续工作面开采动力灾害治理提供借鉴。

上覆遗留煤柱影响区巷道掘进期间冲击地压防治对策

因矿井所采煤层为特厚煤层,实施分层开采过程中,上区段遗留煤柱宽度达20 m,距下分层巷道平距为22 m,致使下分层巷道掘进过程中应力集中程度高,频繁发生大能量震动、底鼓的现象,针对此,采取了以下手段:(1)构建弹性力学模型,对遗留煤柱内应力峰值位置进行计算,得出其位置为距边缘14.85 m处;对遗留煤柱对底板影响进行分析计算,得出上覆遗留煤柱对底板岩层的影响深度为9.82 m,影响宽度为60.17 m。(2)利用FLAC3D对上覆遗留煤柱对下分层巷道影响进行分析,得出其在垂直及水平方向影响范围及变化规律。(3)利用分析计算数据,制定了深、浅孔结合的上覆遗留煤柱侧煤体爆破卸压、巷帮超大孔径卸压、巷底爆破卸压的综合防治措施参数。经现场应用,相较措施应用前,震动频次、能量及最大能量均得到了显著控制,有效降低了巷道掘进期间冲击危险。

工作面过上覆遗留煤柱致灾机理及超前区域防治技术研究

浅埋近距离煤层下伏工作面开采通过上覆遗留煤柱时,易发生强矿压动力灾害,造成人员设备损伤,严重威胁矿井安全生产。采用特征归纳、数值模拟计算、力学模型分析等研究方法,明确浅埋近距离煤层上覆遗留煤柱灾害发生规律,揭示强矿压致灾机理。研究表明:上覆遗留煤柱强矿压致灾机理为工作面出煤柱时,煤柱及上覆承载体受扰动突然失稳,能量瞬间传递至采场,以动能形式释放,造成强矿压动力灾害。基于“垮落充填体支撑+关键岩层弱化+应力传递路径转移”防治理念,提出通过改造煤柱及承载体运移空间、弱化关键岩层、均布集中应力及转移应力传递路径的分段水力压裂超前区域弱化防治技术,并在典型工作面开展工程试验。工程试验结果表明:水力压裂实施过程中,泵注压力峰值达23.4 MPa,压力变化总体呈“锯齿状”波动且伴有压力突降,突降达60余次,岩体内部人造主裂缝与微裂缝持续交替发育,有效破坏了岩体的完整性;治理后,来压峰值及来压平均值分别降低15.41%,8.29%,动载系数峰值及平均动载系数分别降低17.39%,11.88%,立柱最大下沉量降幅达50.00%且小于0.4 m,工作面巷道顶板最大下沉量降幅33.33%。工作面安全通过上覆遗留煤柱影响区域,分段水力压裂超前区域弱化技术可实现浅埋近距离煤层上覆遗留煤柱强矿压灾害的有效防治。

采空区遗留煤柱下伏煤巷变形破坏机理及控制技术

以高家梁煤矿30102辅运巷采掘地质条件为背景,运用理论分析、数值模拟和现场应用相结合的方法,研究了采空区遗留煤柱下伏煤巷,揭示了其变形破坏机理,并提出相应的控制技术。主要结论:受外部应力环境(上煤层采空区遗留煤柱非均匀传递)以及支护构件选择不合理等影响因素,30102辅运巷两帮非对称变形破坏,而顶板整体下沉明显;建立了近距离煤层下伏煤巷破坏结构模型,分析发现采空区遗留煤柱下伏煤巷非均布受载是导致顶板整体下沉及两帮非对称变形破坏的主要因素,且非均布受载越强,巷道围岩越易发生非对称变形破坏;数值模拟及现场巷道表面位移监测发现,采用非对称支护后巷道表面移近量明显比原支护条件下的表面移近量小,有效地控制住了巷道围岩的非对称变形。

遗留煤柱下回撤通道高低位顶板联合失稳机理及控制技术

针对末采期工作面采出上覆遗留煤柱,近距离回撤通道高低位厚硬顶板易发生联合失稳而导致巷道强变形、设备难以安全回撤等的难题;建立了遗留煤柱高、低位坚硬顶板结构“联合失稳”力学模型;分析了遗留煤柱下开采时支架载荷变化情况,阐述了末采期遗留煤柱下高低位顶板发生联合失稳的风险来源;基于遗留煤柱顶板支承压力峰值分布区域与水力压裂裂缝扩展规律,结合低位基本顶断裂位置对回撤通道矿压显现影响,综合提出了“高位定向孔区域水力压裂+低位直孔局部水力压裂”的围岩结构优化控制技术,并在霍洛湾矿31107工作面进行试验。现场应用表明,提出的围岩优化控制技术可有效控制末采期高应力集中强动载,实现了回撤通道围岩稳定、设备安全回撤的目标。

保护层开采上覆遗留煤柱影响区冲击危险性分析

为深入探讨保护层开采上覆遗留煤柱对工作面回采期间冲击危险性的影响,以大佛寺煤矿40201工作面为工程背景,采用理论分析和现场探测的方法,研究了保护层开采上覆遗留煤柱影响区耦合断层构造及工作面见方等因素的冲击危险性。研究结果表明:保护层开采为良好的区域防治冲击地压的方式,40201工作面在初期回采过程中所监测到的微震事件总能量不超过104 J,总频次不超过100次,处于较低水平,保护层开采工作面受远场动载扰动影响小;保护层开采上覆遗留煤柱影响区的冲击危险性相对较高,上覆遗留煤柱内的应力集中继续向下方工作面传递,与回采面内断层构造及见方时期带来的构造应力及顶板活动异常等因素耦合,40201回风巷侧较运输巷侧具有更高的冲击危险性;大佛寺矿40201工作面在保护层开采上覆遗留煤柱影响区回采时未发生灾害性冲击显现,验证了保护层开采作为区域防冲手段的优越性。

遗留煤柱下方迎工作面回采巷道围岩控制技术研究

为研究遗留煤柱下迎采巷道掘进时机、加强支护范围以及迎采对掘巷道围岩变形大、支护困难的问题,以金达煤业10403工作面回风顺槽为例,通过现场调研、数值模拟等方法,分析了遗留煤柱下迎采对掘巷道围岩应力分布特征,提出了煤柱下巷道采用高强度、高预紧力、大延伸率锚杆结合锚索+单体液压支柱控制巷道顶板岩层和煤柱变形的支护方案。研究表明,9~#煤层遗留煤柱对10~#煤层顶板应力有明显影响,最大应力集中系数为2.17,遗留煤柱下加强支护范围为25 m;掘进巷道在与10402回采工作面相遇前40 m及相遇后150 m范围围岩变形明显,处于10402回采工作面及遗留煤柱影响范围;煤柱下迎采段巷道顶底板位移量为390 mm,两帮移进量为480 mm,满足巷道使用要求。

浅埋近距离煤层工作面过遗留煤柱压架机理及防治措施研究

以榆家梁矿井42307工作面发生的压架事故为工程背景,采用UDEC离散元数值模拟方法,探究了工作面“过煤柱前过煤柱时发生压架事故”全过程的煤岩层破坏与应力演化特征,揭示了工作面推进采出煤柱过程中煤岩体裂隙演化过程及失稳压架机理,并提出了工作面采出遗留煤柱防治顶板动压灾害的“定向长孔高压水力压裂+地面深孔爆破”技术措施。现场实施效果表明,顶板动压灾害防治技术措施使得工作面出煤柱前支架压力峰值减少34.5%,支柱最大下沉量减少83.3%,工作面巷道顶板下沉量减少75.0%,工作面出煤柱无明显来压,有效避免了工作面采出遗留煤柱时剧烈动压灾害事故的发生。

上覆近距离遗留煤柱影响下采掘工作面应力场分析

为研究近距离上层遗留煤柱对下伏煤层工作面开采的影响,现以73_(下)29工作面为研究对象,根据近距离煤层的实际开采条件,采用理论分析和数值模拟方法研究上层遗留煤柱对下伏煤层工作面采场应力的影响。研究表明:近距离煤层在开采过程中,上层遗留煤柱下方会产生较大的应力集中现象,通过对遗留煤柱影响区域进行数值模拟可知,上层遗留煤柱对回采工作面的巷道围岩应力分布有较大影响。因此,在开采下层工作面时要选择合理的巷道布置参数,加强煤柱影响区的支护强度和矿压监测力度,同时加强人员的安全管理,以保证近距离煤层下伏煤层开采时的有效管理和安全回采。

极复杂条件下过遗留煤柱强卸压技术管控研究

针对新疆急倾斜煤层大段高工作面过遗留煤柱安全开采问题,采用地质普查梳理遗留煤柱及采空区区域,并进行危险区域划分,通过采动影响及不同危险区域采用强卸压技术方案保证顺利通过危险区域。结果表明,根据遗留采空区及煤柱,分为东三石门保护煤柱、原安宁渠煤矿采空区遗留煤柱、原安宁渠采空区边界保护煤柱区域。在大段高采动下,采用“顶煤+危险区域顶板”致裂技术保障工作面顺利通过,由地表运动可知,强卸作用下的采后各区域的地表均产生不同的裂隙,生产过程中未发生动载矿压现象。