窄煤柱沿空掘巷技术关键参数的研究与应用

由于在巷道的高整体稳定性和高采出率方面的独特优点,窄煤柱沿空掘巷技术已成为中国沿空掘巷技术的发展方向。而沿空掘巷技术能否成功实施,关键在于煤柱宽度是否合理和围岩支护方案是否有效。因此,为研究煤柱宽度与沿空巷道围岩应力及变形特征之间的关系,以内蒙古A煤矿12000工作面胶带顺槽为研究对象,通过理论分析计算、工程实践等方法,确定了12000工作面胶带顺槽的合理煤柱宽度为5m。并对沿空掘巷的支护方案进行设计,通过对巷道围岩变形量进行测量,发现巷道围岩变形均在可控范围内,取得了良好的效果。研究成果为类似矿井沿空掘巷提供了参考。

关键层运动监测及岩移5阶段规律——以红庆河煤矿为例

煤炭开采引起的岩移规律一直是采矿领域难解的“黑箱”问题,研究揭示其内部作用机制与演变过程是科学解决采矿工程系列问题的理论基础。基于岩层控制的关键层理论,采用地面钻孔原位监测方法,开展了红庆河煤矿深井特大采高开采条件下覆岩内部移动规律的实测与反演研究。结果表明,覆岩由下向上逐步运移发展的过程呈现5阶段典型分区特征,分别为覆岩超前受压变形阶段、逐层向上断裂运移阶段、覆岩整体快速沉降阶段、上位岩层向下压实阶段以及覆岩整体稳沉阶段。依据5阶段岩移特征,拟合形成了覆岩超前运移的“类指数”岩移边界线,对应井上下超前影响范围分别为地表的340 m以及煤层的99 m;推演得到了关键层逐层向上断裂发展的83°断裂延伸角,对应320 m埋深以下关键层发生超前断裂、以上为滞后断裂。同时,对覆岩“横三区”的具体分布进行了划分;沿走向推进剖面,“类指数”岩移边界线与关键层断裂线之间的区域为超前变形区(煤壁支撑区),对应于岩移阶段1;关键层断裂线之后、直至井上下分别滞后工作面煤壁410和190 m的区域为离层区,对应于岩移阶段2~4;再后方的采空区为重新压实区,对应于岩移阶段5。覆岩关键层运动表现出对地表沉陷的显著控制作用,随着其逐层向上断裂运移,地表沉陷活跃度不断攀升,在主关键层结束其正向回转并开始反向回转时,地表沉陷开始进入峰值状态,且这种峰值的持续对应于覆岩整体的快速沉降;当上位岩层逐步压实下位岩层时,地表沉陷活跃度开始降低;直至主关键层运移稳定,地表沉陷活跃期结束、开始进入衰退期;表明地表沉陷盆地的最终形态直接受控于主关键层的运移状态。

东胜煤田导水裂隙发育及其分区特征研究

东胜煤田是我国西北部能源供给的重要基地,煤炭资源丰富但赋煤条件多变,导致不同矿区采动导水裂隙的发育存在显著差异;研究揭示东胜煤田采动导水裂隙发育的分区特征对于科学指导区域煤炭绿色高效开发具有重要意义。基于东胜煤田17对主力矿井30个工作面的导水裂隙发育特征统计与实测,获得了赋煤条件变化对导水裂隙带高度(简称“导高”)的影响规律;通过对东胜煤田赋煤条件的典型分区,提出了不同分区覆岩“导高”的预计方法。结果表明,相比深部开采,浅部煤层采动引起的覆岩“导高”波动程度更为显著,尤其在埋深200~300 m,裂采比上下波动范围可达2.55倍。覆岩导水裂隙的发育受控于关键层的破断运动,顶板7~10倍采高范围之外最近一层关键层底界即为导水裂隙发育的顶界;据此合理解释了浅/深埋煤层“导高”波动性差异的原因。浅埋煤层覆岩关键层数量相对偏少,极易出现主关键层进入7~10倍采高范围的情况,造成导水裂隙直接发育至基岩顶界,引起“导高”值的异常大幅度波动。而对于深部煤层,覆岩7~10倍采高范围之外关键层数量相对偏多、间距偏小,当因地质条件改变而引起关键层位置变化时,“导高”的波动范围仅限于7~10倍采高范围附近关键层与其上部相邻关键层之间的间距,难以出现“导高”的大幅度波动现象。据此提出,在埋深低于500 m条件不能直接使用采高倍数法进行“导高”预计,应根据关键层位置及其对破断裂缝导水性影响规律进行判断;而当埋深超500 m时,可按17~24倍采高的统计值进行简单估算。

深部大采高工作面覆岩“三带”发育高度实测

新街矿区红庆河煤矿开采深度在600m以上,顶板岩层较软,其单轴抗压强度仅30～40MPa,煤层厚度大,采高达到6m。为了掌握红庆河煤矿深部3-1煤层偏软顶板条件下大采高工作面覆岩破坏发育高度,采用改进型封隔器进行了井下仰孔测漏试验。测试结果表明,采高6m时,冒落带高度达到43.5m,冒采比7.25;导水裂隙带高度106.1m,裂采比17.7。该研究可为红庆河煤矿深部大采高开采水害防治及顶板控制等方面提供实测依据。

深部巨厚顶板6 m大采高综采工作面矿压显现规律实测研究

新街矿区深部厚煤层顶板存在巨厚岩层,造成大采高综采工作面矿压显现强烈,采场顶板安全隐患大。为全面掌握巨厚顶板条件下6 m大采高综采工作面矿压显现规律,采取现场安装支架压力记录仪、钻孔应力计、锚杆锚索测力计、顶板离层仪的方法,对工作面来压、采动应力、支护体受力、巷道围岩变形等参量进行了现场实测。研究结果表明:工作面推进速度与周期来压步距呈正相关关系;超前支承压力影响范围大,应力峰值达20 m;区段煤柱存在11 m弹性核区;锚杆锚索受力及顶板离层在采空区后方600 m达到稳定状态。通过深部6 m大采高综采工作面矿压显现规律实测分析,建立了深部大采高采场覆岩活动立体模型。

深部软弱围岩大断面切眼支护技术研究

针对红庆河煤矿大采高综采工作面开切眼断面大、埋藏深、巷道围岩软弱、支护困难的情况,提出了仅采用锚网索进行支护的技术。通过数值模拟、现场试验和巷道围岩岩性分析,确定两次开切眼支护参数,锚杆预紧力不低于杆体屈服载荷的40%,采用8m锚索进行补强支护,通过高预紧力强力支护,控制切眼围岩早期的离层和变形。监测结果表明:锚网索支护可以有效地控制深部高应力、软弱围岩、大断面切眼的变形,支护效果好。

高应力超大断面硐室围岩控制对策研究

针对深部高应力超大断面硐室围岩易失稳的问题,以红庆河煤矿设备换装硐室为工程背景,采用FLAC^3D数值模拟软件分析了在低扰动掘进条件下超大断面硐室的围岩应力分布特征及变形规律,结果表明:高应力条件下,超大断面硐室塑性区范围明显变大,硐室帮部及底板相对于顶板更容易发生失稳,并提出强力一次全断面支护对策,底板锚索采用水泥灌浆实现全长预应力锚固。现场实践表明,硐室围岩稳定,变形量控制在30mm以内。

不同粒度弱胶结砂岩单轴加载下声发射特性试验研究

对不同粒度的弱胶结砂岩在单轴加载条件下破坏过程中的声发射特征进行研究。根据试验过程中所采集的力学参数和声发射信号参数,得到了加载全过程中的应力、AE振铃计数、AE幅值以及AE绝对能量随时间的变化规律。研究表明:弱胶结砂岩随着颗粒粒度的减小,峰值强度增加。在单轴加载过程中,弱胶结砂岩AE振铃计数和AE绝对能量以数量级增加。不同粒度的弱胶结砂岩在初期压密阶段,AE振幅均较低;随着应力的增加,AE振幅不断增加。AE幅值在小于40dB的区间内,占比最高;在40~50dB区间内,占比次之,而这2个区间的AE幅值占比之和达到90%左右。说明不同粒度的弱胶结砂岩在单轴压缩破坏过程中,以小尺度裂纹扩展为主;最后裂纹贯通,完全破坏。