深部动压巷道非对称变形力学机制及控制对策

为解决深部动压巷道支护的技术难题,以鹤煤九矿东总回风巷为研究背景,针对东总回风巷非对称变形量大且难支护的问题,采用现场调研、工程地质分析、物理相似模拟和现场试验相结合的方法,对巷道变形破坏机理和控制对策进行了研究。研究结果表明:巷道变形破坏受围岩岩性、构造应力、采动应力、重力、地质构造等多种因素影响,其变形力学机制确定为IABIIABDIIIABC型;采动应力造成巷道围岩应力场的大小和方向发生了改变,是巷道产生非对称变形的主要因素。通过选取针对性的控制对策将复合型变形力学机制转化为单一型,提出了"锚网索喷+底角锚杆+全断面注浆+反底拱"非对称耦合控制对策,并在现场进行了应用。相似模拟和现场监测结果显示:该控制对策有效控制了围岩非对称变形,现场应用效果良好。

城郊矿切顶聚能爆破参数优化研究

为了确保底板治水工作的连续性,并有效降低巷道掘进率、提高资源回收率,城郊煤矿21304工作面采用了切顶卸压沿空留巷无煤柱开采技术。以城郊煤矿21304工作面为研究背景,通过工程经验和现场实验的方法,对双向聚能拉伸爆破参数进行了研究。现场试验结果表明:4+3+2+0装药方式下,孔内裂缝明显、充分,裂缝率达到了86%,且工作面回采后顶板沿裂缝面及时垮落,现场应用效果良好。

构造破碎带巷道破坏机理分析及控制技术

为了解决构造区破碎围岩巷道的支护问题,以兴业煤矿主斜井为研究背景,采用工程地质分析、数值模拟、理论计算和现场监测相结合的方法,对巷道变形破坏特征、变形破坏机理和支护对策进行了研究。研究结果表明:巷道变形破坏受围岩性质、地质构造、水、采空区、支护形式等多种因素的影响,其变形力学机制确定为ⅠAB CⅡA DⅢA B C复合型变形力学机制。通过变形力学机制转化,提出了"锚网索喷+底角锚杆+全断面注浆"耦合支护方案。数值模拟及现场工业试验结果显示,在此支护方案下,实现了支护体与围岩的耦合,经120天的监测结果显示,相比原支护方案,顶底板、两帮移近量分别由原来的380、345.7 mm降至46.7、36.9 mm。

亨健矿袋式充填开采覆岩控制技术

为了解决亨健煤矿村庄下压煤的开采问题,采用超高水材料对工作面采空区及主巷进行了充填,工作面副巷通过高水材料巷旁充填进行沿空留巷,并通过对采空区补充充填提高了充填率。工程实践结果表明:袋式充填开采技术不仅有效地控制了上覆岩层的破坏及移动,工作面矿压显现也得到了极大的减缓,同时工作面副巷也得到了很好的留巷效果。

深部切顶留巷预裂切缝技术及其对采场矿压显现规律的影响研究

基于切顶卸压沿空留巷技术原理,通过理论计算和现场试验的方法得出了城郊矿21304工作面深部切顶成巷预裂切缝参数,并通过现场数据分析了预裂切缝对工作面矿压显现规律的影响。研究表明:切缝对工作面矿压的影响范围为30 m,切缝影响区内支架支护阻力有所减小。切缝引起的充足矸石的支撑作用是造成工作面顶板压力减小的直接原因。

深部中厚煤层切顶留巷围岩变形规律与控制研究

为保证切顶卸压沿空留巷技术在深部中厚煤层中成功应用,综合运用理论分析、现场实测及数值模拟等方法对沿空巷道围岩结构变形规律及控制技术进行探索。研究结果表明:实施切顶卸压后,巷道受超前集中应力影响的范围和强度均有所降低;巷道围岩呈现稳定时间长及持续变形2大特点;滞后工作面距离大于440 m的巷道围岩基本稳定。在顶板初始运动阶段采用"恒阻锚索+单体棚"进行超前支护,顶板剧烈运动阶段采取"液压抬棚支架+单体棚"进行加强支护,顶板缓慢运动阶段回撤抬棚支架与单体,顶板相对稳定阶段加强断层带及硐室交岔口支护,碎石帮采用可伸缩性挡矸U型钢挡矸支护,可有效控制留巷围岩变形,成巷效果好。

考虑随机横向节理的反倾层状边坡倾倒破坏分析

实际边坡工程中,横向节理极其发育,且节理位置分布随机,节理长度也各不相同,随机横向节理对反倾向层状边坡倾倒破坏的影响规律尚不清楚。为此,通过计算机随机生成了横向节理的位置系数和长度系数来表征横向节理的随机特性,建立随机横向节理反倾向层状边坡模型。应用该模型探讨边坡发生倾倒破坏的启动条件和破坏机理,并基于极限平衡理论确定岩层的破坏模式和破坏位置。以皖南山区的典型反倾向层状板岩边坡为研究对象,分析横向节理位置和横向节理长度对边坡倾倒破坏的影响规律。结果表明:无论横向节理如何分布,岩层(从坡脚至坡顶)发生破坏所需的层间力总是先增大后减小;当横向节理位置或者横向节理长度发生改变时,潜在破坏岩层的层间力也随之发生改变,且其数值随横向节理长度的增加而明显减小;当横向节理位置和横向节理长度都随机改变时,层间作用力曲线形状变化较大,个别岩层发生破坏时所需的层间力差值较大。研究结论对反倾层状边坡倾倒破坏机理的认识与地质灾害防治有参考价值。

大倾角下分层综采工作面矿压规律及安全回采技术研究

通过现场实测,对中平能化集团十矿戊9-11-20102大倾角下分层综采工作面矿山压力显现规律进行研究,结果表明:工作面周期来压呈现出分段来压现象,具有局部来压和来压逐渐迁移的特点,周期来压步距为12～23m。针对工作面下分层破碎顶板管理和设备防倒、防滑措施进行研究,并在中平能化集团十矿戊9-11-20102工作面进行现场应用,取得了较好的技术经济效果。

采动引发地表下沉盆地边缘隆起效应研究

为了探究地表沉陷盆地边缘隆起现象及其影响因素,采用现场实测和数值模拟等方法,对不同基岩厚度、不同岩性地层进行模拟分析,研究不同采动情况及不同地质条件下地层变形特征。以煤层开采后的覆岩运移结构为基础,建立弹性基础梁力学模型,分析了地表隆起机理及其判据条件。研究结果表明,采动影响和地质条件是影响地表边缘隆起的重要因素。地表整体下沉量和下沉速度随沙基比增大而增大,随顶板岩性普氏系数增强而减小。当基岩厚度过大或覆岩岩性较软时,难以出现地表隆起现象,只有当基岩厚度和岩层普氏系数达到特定条件时,地表下沉盆地边缘方可出现隆起现象,且隆起量与基岩厚度成反比,与岩层普氏系数成正比。

深部沿空切顶成巷围岩稳定性控制对策

基于沿空切顶成巷技术原理,以城郊煤矿深部工作面无煤柱开采为背景,综合运用力学分析模拟计算和现场试验等方法,对深部切顶成巷围岩控制关键对策进行深入研究。结果显示:切顶留巷顶板在侧向形成短臂梁结构,降低了巷旁支护体所受压力,切缝范围内岩层垮落后碎胀充填采空区,使留巷顶板下沉量降低了约50%。采空区侧顶板为切顶巷道围岩变形的关键部位,需进行加强支护;深部切顶巷道实体煤帮塑性区范围大,通过煤帮锚索支护技术可将浅部锚杆承载层锚固在弹性区稳定煤体中;深部切顶成巷来压速度快、强度大,巷内单体支柱易造成冲击破断,采用高阻力液压支架巷内临时支护时可较好地抵抗深部强动压;巷旁刚性挡矸装置因无法适应深部围岩大变形而受压弯曲破坏,深部切顶巷道巷旁挡矸结构需实现一定的竖向让位卸压方可与顶底板协调变形。在研究的基础上提出恒阻锚索关键部位支护+可缩性U型钢柔性让位挡矸+巷内液压支架临时支护+实体煤帮锚索补强的深部切顶成巷联合支护技术,并进行现场工业性试验。现场监测结果表明:留巷围岩在滞后工作面约290 m时基本稳定,且稳定后各项指标满足下一工作面使用要求。

深部切顶沿空成巷关键参数研究及工程应用

传统充填沿空留巷工艺繁琐﹑留巷速度慢,与现代化高强度开采要求不相适应,由此提出了切顶沿空成巷无煤柱开采新技术,其中关键参数设计是该技术的核心问题之一,对留巷的稳定性具有较大影响。以城郊煤矿21304工作面为研究背景,采用理论分析、数值模拟和现场试验等方法,对切顶沿空成巷关键参数进行了系统研究。基于岩石碎胀自承特性和围岩结构"S-R"稳定原理,推导出切顶高度﹑切顶角度的理论计算公式;建立了聚能爆破力学模型,并结合数值模拟和现场试验,确定了聚能爆破装药量及钻孔间距。研究结果表明:合理的切顶参数能够切断巷道顶板与采空区岩层间的力学关系,使采空区顶板沿切缝顺利垮落,碎胀的矸石可有效支撑上覆顶板,限制其回转下沉,减弱覆岩运动对留巷的扰动作用,沿空巷道围岩变形量明显减小。根据理论计算﹑数值分析和现场试验研究成果,确定了城郊煤矿21304工作面切顶沿空成巷关键参数,并在现场进行了应用,回采后沿空巷道侧向顶板能够迅速切落形成巷帮,留巷稳定后各项指标均能满足现场使用要求。

复合顶板综放开采支架选型及顶板管理经验

以山西兰花集团大阳煤矿三采区首个综放工作面为依据,通过类比法、经验法、理论计算法对3303工作面进行支架选型,分析综放工作面顶板管理的相应措施,顺利通过初次来压及X102、X101、X83、陷落柱群,为大阳煤矿其他采区及邻近矿井提供了借鉴经验。

恒阻大变形锚索力学特性及其在深部切顶留巷中的应用

为解决深部围岩变形量大、常规支护材料易破断失效的问题,对恒阻大变形锚索结构、工作原理及力学特性进行了研究。室内试验结果显示:恒阻锚索在静力拉伸和动力冲击过程中均能保持350kN的恒定工作阻力,显示了恒阻锚索良好的抵抗冲击、恒阻吸能特性。将恒阻锚索应用到深部切顶留巷工程中,留巷期间恒阻锚索大部分都产生一定的缩进量,较好地吸收了深部围岩变形能量,留巷围岩在滞后工作面约300m时达到稳定状态,各项指标均能满足现场使用要求,恒阻锚索较好地控制了深部留巷围岩变形,从而验证了恒阻锚索支护的可靠性。

某矿原切眼段切顶留巷围岩变形机理及防控技术

某煤矿21304工作面采用切顶沿空留巷技术,至安全回采留巷584 m时,为降低工作面排水成本,陆续对底板排水孔进行注浆封闭,从而导致原切眼段留巷迅速产生了较大变形。以上述问题为背景,对原切眼段切顶留巷围岩变形机理及防控技术进行了研究。结果表明:原切眼段留巷围岩变形受注浆封孔导致底板水压增大﹑积水导致底板吸水膨胀﹑支承压力降低区应力环境和巷道围岩完整性差等因素影响,其中底板排水孔注浆封闭导致底板水压升高是该段巷道变形的主要原因,巷道顶底板移近量以底鼓量为主,在此期间产生的底鼓量是顶板下沉量的2倍之多。提出了"重新疏通排水孔﹑加大支护强度﹑提高区域排水能力和矿压及排水量监测"等防控措施,有效控制了围岩变形,巷道卧底返修后能满足下一工作面使用要求。

真三轴卸载煤爆实验破坏特征演化分析

对煤岩体进行真三轴卸载煤爆实验,获得了其临界破坏应力、破坏碎屑分形维数及声发射参数特征,引入处理声发射波形的短时傅里叶变换方法获得时频演化特征,利用离散元颗粒流数值方法对该过程进行模拟揭示其细观损伤机制。研究结果表明:煤爆临界破坏应力状态为28.6 MPa/17.8 MPa/8 MPa,煤爆时刻声发射能量快速释放,能率达到峰值;量测粒径尺寸大于10 mm的喷出碎屑尺寸,按照粒度-数量方法算得的分形维数值为2.04;声发射时频特性在煤岩体煤爆实验过程中经历了由单峰低幅低频向双峰高频演化再过渡到单峰高幅高频,最后变为多峰高幅低频的过程,预示着破裂源由单一小尺度不断向复杂大尺度演化的损伤机制;通过颗粒流软件对煤爆过程进行模拟,发现煤岩模型试件内部主要存在张拉损伤,而随着模型加卸载不断进行,剪切破裂逐级增多,与声发射时频特性相吻合。

切顶卸压沿空留巷围岩结构控制及其工程应用

针对传统沿空留巷施工工艺繁琐、留巷成本高的问题,提出了切顶卸压沿空留巷新技术.在沿空留巷覆岩运动规律的基础上,研究了采空侧顶板预裂卸压机制,建立了不同顶板位态下"围岩结构-巷旁支护体"力学模型,分别推导得出了巷旁支护阻力的计算方法.结果表明:通过顶板预裂爆破,采空侧低位基本顶间接转化为直接顶冒落,切落后碎胀的矸石对上位岩层起到了较好的支撑作用,限制了其旋转变形,并降低了顶板断裂冲击载荷;将顶板断裂线转移至采空区侧,顶板在侧向形成了切顶短臂梁结构,减小了侧向悬臂长度,降低了巷旁支护体承受的附加载荷.在此基础上,提出了聚能预裂爆破、恒阻大变形锚索及巷旁密集单体支柱等围岩控制技术,并在哈拉沟煤矿12201工作面得到了成功应用.

深部中厚煤层切顶留巷关键技术参数研究

为保证切顶卸压沿空留巷技术在深部中厚煤层的应用取得成功,结合理论分析、数值模拟及现场实测等方法对深部高应力复合破碎顶板切顶留巷关键参数展开研究.结果表明:当埋深超过第一临界深度后,巷道围岩将呈现出非线性大变形的力学现象,表现在巷道围岩变形量大且稳定时间长,冒落矸石呈现流变特征,同时,预裂爆破会对原有支护造成扰动破坏.在此基础上确定了切缝钻孔间距为600mm,深8m,角度为15°,切缝孔装药结构为4+3+2+0;恒阻锚索靠近切缝线分两列布置,长10m;超前支护距离40m,滞后临时支护距离240m.此外通过对原有挡矸结构进行优化,设计了一种新型可缩U型钢挡矸结构.最终研究成果在城郊煤矿21304工作面成功实施,围岩变形可控,成巷效果好.

煤矿超高水袋式充填及沿空留巷技术

介绍了某矿首个(超)高水充填综采工作面及该工作面副巷沿空留巷的工艺和矿压显现规律。通过在工作面采空区及主巷进行超高水充填,工作面副巷用高水材料沿空留巷,不仅有效的控制住上覆岩层的破坏及移动,工作面矿压显现也极大的得到了减缓,同时工作面副巷也得到了很好的控制。

城郊矿深部工作面切顶留巷工程试验研究

针对深部沿空留巷围岩变形剧烈、难支护的问题,基于切顶留巷技术原理,采用理论分析、数值模拟和工程试验相结合的方法,对深部切顶留巷可行性进行系统研究。通过聚能爆破切顶,可使基本顶关键块触矸点前移、触矸面积增大,提高采空区矸石支撑系统的刚度,从而缓解实体煤帮和巷旁支护体所受压力。根据深部切顶留巷围岩变形及应力分布特征,将沿空巷道划分为超前影响区、留巷变形区和留巷稳定区3个维控区域,基于区域特点,对各个区域进行详细的方案及关键参数设计。研究成果在城郊煤矿21304工作面进行现场试验,深部围岩变形得到有效控制,留巷各项指标良好,从而验证了深部切顶留巷的可行性及所设计方案的正确性。

深井沿空切顶巷道围岩协同控制及应力演化规律

为解决深部沿空留巷动压显著﹑难支护的问题,基于切顶沿空留巷技术原理,对深部沿空切顶巷道卸压效果﹑围岩应力演化规律及控制技术进行深入研究。超前顶板切缝切断了采空区顶板向留巷顶板传递应力的路径,避免了采掘应力叠加,消除了工作面端头与回采巷道交叉口的"应力尖角";切缝可使一定范围内工作面支架平均压力和周期压力减小,随着远离切缝,影响逐渐消失;直接顶悬臂梁长度的减小和基本顶有效荷载的降低是导致支架平均压力和周期压力下降的主要原因。根据深部地质力学环境及岩体变形特征,构建"恒阻主动让压控制顶板、柔性可缩让位抗侧压、高阻临时支护抗动压,加大支护长度护煤帮"的深井沿空切顶巷道围岩协同控制体系,并在城郊煤矿21304工作面进行现场试验。结果显示:构建的协同控制体系能有效控制深部岩体变形,取得较好的应用效果。