煤层群下行开采底板应力演化规律与合理巷道错距研究

为解决近距离煤层开采遗留煤柱下伏回采巷道合理布置工程问题,采用理论分析、数值模拟和现场实测相结合的方法,基于半无限平面体理论建立遗留煤柱底板岩层应力分布力学模型,系统研究了遗留煤柱下伏底板岩层应力分布特征及减压区相对位置关系,提出遗留煤柱非均布载荷影响的底板水平/垂向距离判别方法,揭示了遗留煤柱水平/垂向间距对下伏煤层回采巷道应力变化率的影响程度。结果表明:垂直应力集中是导致下伏巷道失稳的主控因素,以垂直应力变化量0.2γH作为评判应力影响程度的临界指标,探究了不同因素影响下的应力扰动程度,随着遗留煤柱尺寸、煤层间距、埋深与岩层垮落角逐渐减小,底板岩层应力影响深度呈递减趋势;随着水平错距增大,巷道围岩垂直应力值、应力变化率差值不断减小,界定两者数值低于0.2γH与0.01时,围岩达到可控稳定状态;现场试验21320回风巷采用外错式25 m进行实测验证,优化布置后巷道顶板相对位移量控制在45 mm以内,服务期间巷道围岩工况稳定,验证了所得安全错距的合理性。

非对称载荷作用下倾斜区段煤柱稳定性分析及控制技术

为解决工作面回采及巷道掘进影响下倾斜区段煤柱稳定性劣化的复杂问题,运用弹性力学半逆解法及摩尔-库伦准则建立力学模型,结合三维有限元数值模拟,深入分析了倾斜区段煤柱一侧受载结构形态特征,明确了倾斜煤柱失稳致灾力源及载荷的分布特性,探究了采掘扰动下倾斜区段煤柱塑性变形-失稳-破坏的动态演化过程,揭示了非对称载荷作用下倾斜区段煤柱临界失稳致灾机理,以此为基础优化了倾斜煤柱及周围巷道稳定性控制技术。结果表明:区段煤柱因煤层倾角导致的倾斜形态是煤柱所承受载荷呈非对称状的关键诱因,这一特性致使倾斜煤柱最底端区域覆载最大,且当此区域失稳破坏时,呈现由煤柱下端底角塑性区向煤柱上端底角塑性区扩展的运移过程,并因此得出倾斜区段煤柱临界尺寸随煤层倾角增大而增加的演化规律。由此,针对大南湖一矿倾斜区段煤柱及周围巷道变形失稳的问题,采用支护优化及注浆加固等措施,降低了倾斜区段煤柱侧巷道的变形速率,为类似矿井的煤柱稳定性控制提供了借鉴。

变区段煤柱工作面诱冲机理及防治技术研究

针对某矿变区段煤柱工作面开采冲击危险性较高的问题,运用数值模拟方法对工作面采掘过程中煤柱区域垂直应力分布规律进行研究,分析了不同宽度区段煤柱应力积聚特征,揭示了变区段煤柱工作面诱冲机理,并制定了“近场-远场”协同卸压方案。研究结果表明,较宽的区段煤柱(30 m和55 m)受采空区侧向支承压力和超前支承压力影响,煤柱应力集中程度较高;受“近场高静载+远场动载”叠加影响,变区段煤柱工作面回采期间易诱发冲击地压;采取近场高承压煤体强卸压+远场高位坚硬顶板超前预裂断顶卸压协同控制方案后,微震能量事件始终维持在104J以下,表明控制方案能够有效降低工作面采掘期间的冲击危险性。

山体下急倾斜煤层合理区段煤柱留设研究

针对山体地貌下急倾斜煤层区段煤柱失稳易导致煤柱群联动失稳,造成顶板大面积裂隙贯穿至地表发生山体滑坡等地质灾害问题,以西南逢春煤矿N2821工作面为工程背景,建立了山体下急倾斜煤层区段煤柱受力模型,分析了山体下急倾斜煤柱失稳必要条件与合理尺寸计算;综合利用Local Space-Viewer、ArcMap、Rhino3D软件对西南逢春煤矿地形等高线获取、处理、三维地貌网格生产,导入FLAC3D软件中建立三维山体地貌特征数值模型,研究山体下急倾斜煤层区段煤柱承载应力演化规律。理论分析得出:当煤层倾角大于煤柱上下表面摩擦系数之和的反正切值时,煤柱存在滑落失稳;N2821工作面合理煤柱尺寸为12 m。模拟结果得出:随工作面推进,采空区中部煤柱受应力叠加影响最大,煤柱围岩所受剪应力逐渐增大且向煤柱集中;煤柱虽受采动影响,发生塑性破坏导致承载应力降低,但仍有较好支承能力。现场监测数据分析与模拟结论相吻合,煤柱留设尺寸合理,研究成果对类似条件煤柱留设有一定的参考与借鉴意义。

近距离煤层内错开采上下双层位煤柱稳定性研究

近距离煤层上下煤柱叠加,双煤柱稳定性关系到煤柱留设的成功,通过理论计算分别推导出内错时上窄下宽双层位煤柱的载荷与煤柱合理宽度计算公式。分析上窄下宽双层位煤柱稳定性影响因素为上下煤柱宽度比、上下煤层开采厚度比、上下煤层采空区宽度比,得出:随着下、上煤柱宽度比的增加,上窄下宽煤柱下煤柱荷载呈现递减,下、上煤柱宽度比一定时,下煤柱荷载随着采空区宽度增加而增大;随着采空区宽度的增加,上窄下宽煤柱下煤柱荷载呈现递增,采空区宽度一定时,下煤柱荷载随着下、上煤柱厚度比增加而增加;随着下、上煤柱厚度比增加,上窄下宽煤柱下煤柱荷载呈现递增,下、上煤柱厚度比一定时,下煤柱荷载随着下、上煤柱宽度比增加而降低。

深井断层切割煤柱冲击地压防治实践

针对大采深影响下断层切割煤柱区域冲击地压防治难题,采用理论分析、现场实测方式对断层切割煤柱区域冲击危险性进行了分析与研究,得到如下结论:断层切割煤柱区域在静载条件下趋近于失稳状态,推采过程中动静载应力叠加,煤柱冲击危险性升高;通过断层切割煤柱失稳模型和现场微震、应力及其它数据监测分析发现,工作面初采阶段及单、双工作面见方阶段,微震能量积聚显著,应力集中区域明显,在此过程中断层切割煤柱存在整体失稳现象,通过大直径钻孔卸压、爆破预裂顶板及加强支护等冲击地压防护措施加强对此区域的冲击地压监测与防治,实现断层切割煤柱区域的安全回采。

基于动载扰动的小煤柱沿空巷围岩控制分析

在煤炭资源开采过程中,小煤柱沿空巷的围岩稳定性控制是确保矿工安全和提高矿山生产效率的关键。特别是在深部高应力环境下,动载扰动给沿空巷道的围岩稳定性带来了严峻挑战。因此,本研究围绕工程概况,综合考虑了动静载作用的相互影响,通过一系列工业性试验,探究了动静载耦合作用下围岩的动力响应与破坏规律,并据此提出了针对性的围岩稳定性控制措施。7432工作面的实际地质条件与应力分布情况为本研究提供了丰富的实验数据和实践基础,确保了研究的针对性和实用性。

沿空掘巷小煤柱渗透率演化规律试验研究

沿空掘巷条件下小区段煤柱受多重采动影响,受采动影响的煤岩体渗透率会因为采动裂隙、原生裂隙的发育与压实而发生改变,确定不同采动阶段小区段煤柱渗透率演化规律是同层位邻近采空区气−水灾害防控的理论基础。以大同矿区石炭系特厚煤层沿空掘巷小区段煤柱开采为工程背景,通过地应力测试、数值模拟的方法,综合确定不同采动阶段小区段煤层所处应力场的分布特征,为试验研究应力路径的确定提供依据,应用DJG-Ⅱ型三轴加载煤岩渗流测试装备进行不同采动阶段煤柱渗透率演化试验研究。研究结果表明:建立了沿空掘巷小区段煤柱不同采动阶段渗透率与应力的定量影响关系,总体表现为渗透率随着轴向应力的增大而减小,卸载阶段渗透率随着轴压的减小而增大;揭示不同采动阶段小区段煤柱应力−应变−渗透率的演化规律,在第一、第二阶段加卸载时,煤样变形还处于弹性变形阶段,渗透率变化幅度与速率都较为平缓。在第三次采动影响阶段,试件出现不可逆的塑性破坏使得渗透率急剧增加,增幅速率也明显大于前2个采动阶段,小煤柱渗透率较初始渗透率增大最多为324.389倍,该阶段小煤柱发生破坏失去了气−水阻隔性能,明确了特厚煤层沿空掘巷工程中前2个采动阶段宽6 m小煤柱没有破坏的特征。研究成果可为坚硬顶板特厚煤层沿空掘巷开采条件下,小区段煤柱在不同采动阶段渗透率演化特征研究、邻近采空区气−水灾害防控等提供参考或理论支撑。

动载扰动下深井护巷煤柱失稳破坏机理

深部矿井护巷煤柱常处于“三高一扰动”的复杂环境,护巷煤柱稳定性对煤矿通风、运输与行人起着关键作用。针对动载扰动下深井护巷煤柱已发生突变失稳的问题,以新河煤矿-980 m水平3煤层6302工作面南部集中大巷保护煤柱为工程背景,基于FLAC^(3D)模拟软件研究了动载扰动下深部护巷煤柱破坏失稳演化过程,分析了动载强度、煤柱尺度对煤柱动力破坏演化的影响规律,进而建立了护巷煤柱动力失稳尖点突变失稳模型和判别式,揭示了动载作用下深井护巷煤柱破坏特征及突变失稳机理。研究表明:①增大护巷煤柱尺寸能够提高稳定性,减小其失稳破坏的几率;②外部动载冲击强度越大,护巷煤柱易发生整体失稳破坏;③基于护巷煤柱承载力学模型,利用尖点突变模型和弹性薄板理论推演了与外部动载强度、煤柱尺寸等因素有关的煤柱稳定性判别式,提出了动载扰动下深井护巷煤柱失稳破坏判别方法,并进行了工程验证。研究成果丰富了煤柱失稳类冲击地压的预防和控制理论体系,为现场工作面回采护巷煤柱的留设及维护提供可靠的理论指导。

“双硬”煤层综放面沿空掘巷煤柱多尺度强度与控制研究

通过实验测试,分析了不同高径比煤样试件所受载荷,得出了不同高径比煤样试件对应的抗压强度峰值拟合公式;基于榆树岭煤矿110505工作面巷道掘进具体采矿地质条件,建立了FLAC3D数值分析模型,研究了不同高宽比下煤柱内部应力、塑性区以及巷道围岩的变形规律。研究结果表明:随着煤柱高宽比增大,煤柱破坏阶段的峰值强度逐渐减小,当煤柱高宽比分别为0.26、0.31、0.43、0.85、1.70时,煤柱破坏峰值强度分别为63.26、56.50、47.32、37.70、30.03 MPa;通过对强度校核公式拟合后,确定了不同宽高比煤柱极限载荷,综合考虑矿井的经济效益,确定110505工作面与110503工作面间区段煤柱宽度为4 m。现场实测榆树岭煤矿110505巷道煤柱内部应力整体较小,应力集中系数较小,工作面掘进期间巷道整体变形较小,说明了煤柱留设宽度的合理性。

动-静载作用下端帮开采支撑煤柱参数设计方法

应用端帮采煤机开采工艺回收端帮压覆滞留煤资源时,支撑煤柱合理宽度的确定是影响其安全、高效推广应用的一个关键性要素,尤其是考虑爆破振动效应对支撑煤柱稳定性的影响。以平朔安太堡露天矿南端帮为工程背景,采用现场测振试验、理论分析、数值计算研究边坡三角载荷和爆破振动作用下端帮开采支撑煤柱稳定性及其参数设计方法。基于极限平衡理论和尖点突变理论,运用Mohr-Coulomb屈服准则,分析了煤柱弹塑性区分布规律;建立了受采高、采宽、上覆岩层载荷应力、煤柱黏聚力与内摩擦角等因素影响下的煤柱极限强度函数表达式;建立了不同安全储备系数条件下煤柱最大允许塑性屈服区宽度及煤柱留设宽度计算式。建立了支撑煤柱三维简谐振动响应模型,研究了单响药量、高程差、爆心水平距等爆破参数对煤柱瞬时最大动应力响应影响规律,揭示了爆破动载效应对支撑煤柱塑性区宽度和稳定性的影响机制,提出了爆破动载作用下支撑煤柱参数设计方法。研究结果表明:爆破振动对支撑煤柱稳定性影响较大,爆破动载作用下煤柱瞬时最大动应力响应与单响药量呈正相关关系、与高程差和水平距离呈负相关关系。随煤柱瞬时最大动应力响应增加,煤柱塑性区宽度呈正比例增大,煤柱安全系数以近似线性规律衰减。确定动−静载下煤柱留设宽度为5 m,经工程实践,验证了其合理性。

煤柱下综采工作面矿压特征及水力压裂切顶控制

【目的】为分析煤柱下方综采工作面受集中应力影响的强矿压显现特征,以霍洛湾矿31106工作面过上覆集中煤柱为工程背景进行研究。【方法】通过工作面实测支架阻力精细化分析过煤柱期间的矿压特征和支架适应性,开展相似材料模拟实验,揭示工作面过煤柱的强动压机理,并提出过煤柱的水力压裂切顶控制技术。【结果】结果表明:工作面出煤柱期间,支架阻力整体由大到小依次为中部、下部、上部,工作面周期来压步距为10.85 m,平均持续长度为4.27 m,占周期来压时长的40%,平均动载系数达到1.4.出煤柱期间支架载荷超过正常工作阻力(35 MPa)的比例分别为:32.14%、63.83%和87.94%,支架受顶板断裂的动载作用并承受长时间的高静载作用。相似材料模拟表明,出煤柱时上覆岩层形成的“T型结构”失稳发生整体的回转下沉,引起下部工作面老顶同步破断,造成工作面大范围支架阻力的增加,液压支架安全阀开启率达到31.2%,存在压架风险。【结论】据此提出了工作面过煤柱的水力压裂切顶技术,现场试验表明水力切顶后工作面在出煤柱后10 m范围内并没有出现强矿压显现,降低了支架承受的动载荷和高静载,未发生强动载压架现象。

特厚孤岛煤柱大巷隔离煤柱尺寸研究及优化设计

孤岛煤柱受周边采空区上覆高位顶板压力转移影响,存在较高水平的静载荷集中情况,受采掘扰动后冲击危险性显著提高。针对山东某冲击地压矿井特厚孤岛煤柱大巷冲击风险高的问题,应用工程类比法分析,得出当前隔离煤柱尺寸不足以隔绝采掘扰动影响的结论,运用FLAC 3D数值计算软件,对不同尺寸大巷隔离煤柱周边应力状态进行了分析,结果表明最佳大巷隔离煤柱尺寸应为200 m以上。设计采用爆破卸压措施降低动静载荷叠加导致的冲击风险,同时设计补强支护措施提高大巷承载能力,现场工业性试验表明治理效果良好,保障了工作面末采期间特厚孤岛煤柱大巷的防冲安全。

柱旁单侧充填煤充结构体的破坏响应特征与失稳机制

为研究柱旁单侧充填后“充填体-煤柱”协同承载结构体(BP煤充结构体)的破坏响应特征,首先,借助三维光学散斑监测仪和声发射系统,开展6组不同类型BP煤充结构体试样的单轴压缩试验,实时监测表面变形信息和试样破裂信号;其次,构建基于声发射特征的BP煤充结构体单轴压缩损伤模型;最后,揭示BP煤充结构体单轴压缩的失稳机制。研究结果表明:随着煤体元件体积占比的增加,BP煤充结构体的承载能力逐渐减小,弹性模量先减小后增大,而峰值应变先增大后减小。BP煤充结构体试样在单轴加载过程中,应变集中带首先出现在煤-充界面,其次出现在体积占比较大的元件中,最后出现在体积占比较小的元件中;最大声发射能量均出现在体积占比较大的元件中。BP煤充结构体试样的损伤会经历一个渐进损伤过程,主要包括初始损伤阶段、损伤发展阶段和损伤衰减阶段;煤体元件体积占比越大,BP煤充结构体损伤值增长越迅速,也更易造成结构体突然失稳;相反,充填体元件体积占比的增大会延缓BP煤充结构体试样的损伤速度。BP煤充结构体试样的失稳最早由煤-充界面的剪切破坏或拉伸破坏所引发,之后煤体元件或充填体元件发生联动破坏,导致BP煤充结构体试样丧失整体承载能力,并引发最终失稳。

增量荷载作用下沿空工作面冲击地压防治研究

深部沿空工作面容易发生冲击地压,造成矿井停产,治理难度大,煤柱留设的实际效果已成为影响矿井安全高效生产的重要问题。以鄂尔多斯地区深部开采为背景,在分析巨厚基岩地层结构、工作面大煤柱和沿空巷破坏等冲击地压发生特征的基础上,研究沿空侧向覆岩结构及荷载特征下冲击地压发生规律。根据实际条件,计算分析了侧向支承压力分布特征,数值模拟研究了工作面侧向支承压力分布及急增载破坏特征,得到小煤柱留设是减弱巨厚基岩地层下沿空工作面冲击危险的最优方案,并进行了实践,实现了石拉乌素煤矿小煤柱工作面的安全开采,结果可为类似条件工作面沿空开采提供借鉴。

深部综放工作面冲击危险性分析及防冲技术研究

为了保障文家坡矿冲击地压工作面回采期间的安全性,以4106工作面为工程背景,采用理论分析、现场监测的方法对工作面回采期间的冲击危险性进行了分析。结果表明:工作面大埋深提供高静载环境,开采4煤层具有弱冲击倾向性,45 m宽煤柱提供载荷承载位置,工作面后方及侧向采空区顶板悬而不垮提供超高基础静载荷,突然破断提供增量动载荷,动静载荷叠加,易诱发冲击地压。依据诱发冲击地压的动静载荷来源,提出分源防治技术:针对厚硬顶板采取深孔爆破预裂技术,整体实现顶板分层分块,降低因顶板悬露引起的动静载升高风险;针对帮部及底板采用大直径钻孔技术,降低承载区域静载水平,增加阻抗,提高冲击地压发生门槛。采用分源防治技术后,微震、地音活动大幅降低,煤层应力水平明显下降,保障了工作面安全回采。

房柱式采空区顶板垮落冲击对下层煤开采的影响评估研究

为了研究上层煤房柱式采空区顶板失稳垮落后对下煤层开采的影响,以某矿3-1煤层房柱式采空区下5-2煤层长壁综合机械化开采条件为研究背景,采用理论分析、数值模拟、实测数据对比等手段,分别对房柱式采空区顶板垮落冲击荷载及其在底板内的影响深度、下层煤开采覆岩破坏高度进行分析,并以上层煤顶板垮落冲击荷载影响范围是否波及下层煤开采覆岩破坏范围为判据评价上层煤对下层煤开采的影响程度。研究方法及判据可为类似条件房柱式采空区下煤层下行开采影响评估提供有益借鉴。

基于锚杆轴向受力特征的区段煤柱稳定性研究

以新元煤矿9110综采工作面的地质资料为背景,运用理论分析、现场监测等手段,对工作面回采过程中,区段煤柱帮锚杆的轴向受力特征进行了无损伤检测研究,得出结论如下:9110辅运巷、9110回风巷帮锚杆的轴向受力特征与超前支承压力的分布规律体现出了较好的一致性;9110回风巷区段煤柱受两次采动影响,煤柱体内塑性区发育,锚杆锚固端失效风险增大;为提高回采期间区段煤柱的稳定性需采取锚索配合钢筋梯子梁的补强支护措施,同时需要提高超前支护强度。

大采高工作面过上覆集中煤柱安全技术研究

针对煤层群开采时上覆集中煤柱下矿压显现强烈的问题,以上湾煤矿22104大采高工作面煤柱下开采为工程背景,分析了集中煤柱下开采存在的矿压显现危险性。采用数值模拟研究了来压时和来压后集中煤柱下开采循环的顶板应力变化规律,得出来压前后顶板压力存在的巨大差异会导致工作面进出煤柱时可能产生强矿压显现。针对在上层煤停采线前可能存在危险区,制定了详细的水力压裂解危方案并成功实施,结果表明水力压裂技术能够显著降低顶板强度和煤柱内应力集中程度,减小顶板来压步距,实现了大采高工作面过集中煤柱的安全开采。