基于力学模型构建的留巷切顶高度确定与围岩控制技术

以顺和煤矿2401运输巷道沿空留巷为工程背景,分析巷道围岩结构特征,基于巷道局部空间结构稳定性,分别构建了沿空留巷未切顶与切顶力学结构模型,并以巷道不同切顶高度进行物理相似模拟试验。结果表明:巷旁采空区切落的矸石增加对关键块的支撑力,同时弱化关键块对直接顶悬壁端部挤压,巷旁支护阻力减少35.78%;随着切顶高度增加,巷道顶板采空区侧端部悬臂由F型缓慢过渡到大I型,同时大保护结构具有向上平移趋势,相比于未切顶1巷,4 cm切顶2巷、8 cm切顶3巷与16 cm切顶4巷叠加应力峰值分别下降9.38%,28.13%,25.00%。结合巷道顶板岩性,最终确定切顶高度为8.2 m,留巷段采用三列单体液压支柱作巷旁支护,长短锚索超前补强,巷道围岩稳定,较好满足使用要求。

复杂地质高应力条件下回采工作面冲击地压防治技术研究

针对济宁三号煤矿163下06工作面已探明正断层32条,逆断层1条,回采期间揭露隐伏断层11条,局部过联络巷、探巷不规则回采,不规则煤柱留设,局部煤体分割严重等,地质和开采技术条件复杂,应力集中程度高,冲击危险程度高;文章提出了,划分冲击危险区域、加强支护、宏观矿压动态观测、钻屑检测、应力在线监测,微震监测;大直径钻孔卸压、坚硬顶板深孔预裂等冲击地压综合监测防治措施,结果表明可以有效降低局部地应力异常集中,释放积聚的弹性能,取得了良好效果,确保了该工作面安全高效回采。

特厚煤层沿空掘巷围岩支卸协同控制技术

针对特厚煤层小煤柱沿空掘巷大范围塑性全煤巷道锚网索的支护难题,以塔山煤矿8204-2小煤柱工作面为工程背景,采用现场实测、理论分析等方法,揭示了锚杆、锚索对沿空大范围塑性全煤巷道的支护机理。锚杆支护主要作用于浅部二次破碎区煤体,形成浅部连续承载结构;锚索主要作用于深部处于三向受力状态的稳定煤体,形成更大范围的连续稳定承载结构;进一步明确了锚杆、锚索有效长度的计算方法,形成了以高预紧力、高强“锚-网-索”支护为基础,以坚硬顶板井下磨料水射流切顶卸压、巷帮大直径钻孔卸压、底板卸压槽卸压为辅的“支卸协同”小煤柱沿空巷道围岩控制技术体系。工程应用结果表明,试验巷道围岩最大变形量小于700 mm,能够满足使用要求。

高应力软岩巷道破坏特征及最佳支护技术研究

针对深部软岩巷道的支护问题,通过相似模拟和数值模拟对比分析了巷道分别在无支护、锚网索+钢棚支护以及置孔释压支护下的巷道变形情况。研究结果表明:无支护措施时的巷道变形在所受应力达到10 MPa时最大,巷道围岩的破坏状态也最为严重,顶板及两帮围岩的裂缝发生了贯穿,围岩局部甚至出现了坍塌现象;而在锚网索+刚棚支护作用下的巷道围岩抵抗高压的能力得到了明显提升,其在受力达到20 MPa才开始在巷道周围出现压缩破坏现象;而置孔释压支护下巷道围岩的承压能力得到了大大增强,其在所受应力达到30 MPa时依然可以保证巷道围岩表面的完整,不至于出现明显的裂缝和破坏。因此,置孔释压支护在改善高应力软岩巷道变形方面效果更优。

强冲击载荷下巷道围岩变形破坏特征及控制技术

针对冲击地压巷道围岩及支护结构变形破坏难题,采用数值计算、现场实测、现场试验等研究方法,分析了强冲击载荷下巷道围岩及支护结构变形破坏特征,研究了冲击载荷、采动应力等对巷道围岩和支护结构动态力学响应的影响,开发了抗冲击支护材料,提出了支护-卸压联合控制技术,并选择典型冲击地压矿井进行了应用。研究结果表明:巷道顶板发生冲击时,巷道顶板、两帮和底板质点最大振速分别为1.41、0.63、0.25 m/s,迎波侧巷表围岩受冲击影响最大,侧向次之,背波侧最小。在采动应力与冲击载荷叠加作用下巷道破坏范围更大,塑性区面积达到原岩应力时的2.1倍。随着冲击能量的增加,巷道变形量和质点振动速度峰值均急剧增大,且锚杆(索)受力也出现明显波动。爆破卸压对巷帮锚杆锚固力影响不大,而对锚索锚固力有明显影响,锚索锚固力平均降低26.7%。高冲击韧性锚杆屈服强度800 MPa,断后伸长率20%,冲击吸收功150 J;高延伸率锚索最大力延伸率8%,抗拉强度1770 MPa。联合控制技术在宽沟煤矿进行了现场应用,巷帮锚杆受力53~84 kN,顶板锚索受力122~219 kN,锚杆(索)受力均处于安全允许范围之内,顶板浅部和深部未发生离层,在大能量微震事件作用下,支护系统也能保持稳定。

强采动巷道断顶卸压稳定性控制机理及应用

为解决强采动条件下巷道大变形难题,以新上海一号矿1806N工作面辅运顺槽为工程背景,采用实地勘探、理论分析、数值模拟的方法分析强采动巷道变形破坏原因及围岩大变形机理,提出相应的控制对策进行现场工业性试验。研究发现:1806N工作面辅运顺槽大变形主要影响因素为岩石强度低、节理裂隙发育、完整性差、顶板富水严重、围岩遇水泥化,强采动高集中应力。基于围岩大变形断顶控制机理,形成辅运顺槽深部爆破定向预裂断顶结合补强加固的设计方案。借助数值模拟对断顶及未断顶巷道应力变化规律进行对比分析,断顶巷道端头最大垂直应力14.6 MPa,断顶后巷道端头最大垂直应力12.5 MPa,断顶后端头处垂直应力减小14%,断顶具有一定切断应力传递及减小巷道收缩的效果。开展现场工业性试验,断顶后端头顶底板位移减小37%,两帮变形减小19%,底臌发育长度减小92%,结果表明断顶可有效减少端头巷道变形以及超前底臌发育长度和高度,可为相似工程地质条件巷道建设提供参考。

新上海一号煤矿软岩回采巷道预裂卸压技术研究

基于新上海一号煤矿软岩巷道支护薄弱的特点,提出了一种新的预裂卸压技术,旨在解决软岩巷道围岩大变形控制难题。该技术主要采用超前预裂卸压为主、NPR锚索协同支护为辅的方式,通过预裂卸压切断采空区顶板与巷道顶板之间的联系,加速顶板垮断,减小悬臂长度及传递至临空巷道顶板的覆岩荷载。同时,采用NPR锚索提前对巷道进行补强加固,确保了沿空巷道在超前应力影响下的稳定性。实地应用表明,采用预裂卸压技术回采巷道围岩变形量得到有效控制,验证了预裂卸压技术的有效性。为软岩巷道稳定性控制提供了一种新的解决方案。

基于压力拱发展规律的隧道初次支护时机研究

本文依托济莱高铁宅科隧道工程,利用现场监测和FLAC 3D数值模拟的方法,基于隧道应力传递路径的改变探究压力拱形成机制和分布范围,得出隧道纵截面压力拱形态特征图,引入位移完成率衡量围岩的开挖扰动程度,建立位移完成率和应力释放率的对应关系,得到最优初次支护时机。研究结果表明:在隧道开挖过程中,上部围岩中应力逐渐偏转,围岩荷载逐渐向四周传递,最终达到新的应力平衡状态,即在隧道四周产生形成封闭环状应力现象的压力拱;隧道仰拱靠近拱脚部位围岩产生应力集中,在1.8 D(D为隧道截面宽度)范围内的围岩均参与成拱效应,承担隧道拱部上方的围岩荷载;对塑性区体积率进行计算与分析,认定70%~80%应力释放率较为缓慢,应作为最佳初期支护时间点;在开挖时隧道初期支护滞后于掌子面的距离宜控制在4.3~7.6 m。

高应力沿空留巷协同让压机理研究

针对高应力沿空留巷围岩控制难题,基于峰值应变分别为2%、4%、6%的改性混凝土,提出了深井高应力下“顶板卸压-巷旁改性混凝土让压承载”协同作用的留巷围岩控制技术。运用理论分析与数值模拟相结合的方法,研究切顶卸压后使用不同型号改性混凝土做巷旁支护体时留巷围岩应力分布规律与顶板变形特征。研究结果表明:(1)顶板卸压后,改性混凝土峰值应变越大,支护体内部裂隙数量越少,对顶板变形的适应能力越强,然而峰值应变较大的改性混凝土弹性模量较低,在留巷后期提供的支撑力较小,支护体内部垂直应力随改性混凝土峰值应变的增加呈现出先增大后减小的趋势。(2)使用峰值应变为4%的混凝土做巷旁支护体时,支护体可以适应顶板变形并提供较高的支撑力,从而优化留巷围岩应力环境。

沿空留巷动压区锚索主动支护技术研究

为解决车集煤矿深部工作面高矿压条件下沿空留巷变形严重问题,根据2611工作面生产地质资料,采用经验计算和FLAC^(3D)数值模拟等方法开展矿压分析、大直径锚索主动支护数值模拟,由结果可知,车集煤矿2611工作面锚杆+普通锚索+大直径锚索加强支护手段支护效果远优于其他支护形式。通过工程实践:2611下巷沿空留巷动压段超前支承压力影响范围约50 m,工作面后约150 m,沿空留巷切顶卸压大直径锚索主动支护技术,适用于车集煤矿深部工作面沿空留巷支护,能够有效控制围岩应力,将巷道变形控制在合理范围内。

倾斜厚煤层异形巷道围岩变形特征及非对称支护技术研究

本文针对倾斜厚煤层中异形巷道围岩变形量大和矿压显现明显的问题,提出了以高帮补强锚索和低帮大直径钻孔卸压为基础的“高补低卸”异形巷道非对称支护技术,并以乌兰木伦煤矿工作面为技术背景,通过对工作面运巷和风巷的异形巷道进行区域划分,分析了不同区域内异形巷道应力场和位移场演化特征,确立了“高补低卸”异形断面非对称支护技术关键参数。研究结果表明:倾斜厚煤层运巷回采区异形巷道应力场分布最为复杂,高帮附近顶板支承应力大于低帮附近顶板支承应力,且呈现出非对称应力状态。异形巷道高帮变形主要是因为支承应力导致高帮煤柱强度弱化引起煤体滑移,而低帮和底板变形主要是支承应力较大和围岩应力集中系数高造成的。巷道高帮及顶板补强长锚索能够有效加固煤岩体。低帮和底板的大直径卸压钻孔能够将围岩集中应力向远场转移。现场应用表明倾斜厚煤层“高补低卸”异形断面非对称支护技术大大减小了围岩变形量和顶板离层量,对巷道进行了有效控制,应用效果显著。

煤矿爆破切顶卸压沿空留巷开采技术应用

该文以某煤矿的回采工作面为例,探究爆破切顶卸压沿空留巷开采技术的应用策略。采用双向聚能爆破技术进行顶板预裂,通过合理设计切顶高度、切顶角度以及炮孔间距等关键参数,提高爆破预裂效果,保证巷道围岩的稳定性。在完成爆破后进行煤层开采,使用锚索支护和U型钢支护,提高巷内支护效果;使用工字钢和U型钢档矸支护,防止矸石对围岩的侧向冲击,为煤矿安全作业创造有利环境。

沿空留巷围岩稳定性综合评判与控制技术研究

为提高沿空留巷稳定性,以东瑞煤矿1203工作面运输巷(沿空留巷)为研究背景,采用层次分析法,研究沿空留巷稳定性主控因素,得出煤体强度、巷道断面支护强度对沿空留巷围岩稳定性影响最大,其权重占比高达59.7%。基于主控影响因素,设计了切顶高度为5 m、切顶角度为10°的切顶卸压方案,采用3DEC数值模拟,得出切顶后巷道顶板垂直应力下降了7%;切顶断面支护优化后,右侧顶板塑性区发育面积缩小了54%,底板塑性区发育面积缩小了37%。支护优化后,临时支护顶底板累计变形量减小了23.8%,两帮累计变形量减小了47.3%;永久支护顶底板累计变形量减小了3.6%,两帮累计变形量减小了26.9%。巷道采用切顶与提高锚杆索预紧力后,巷道围岩变形控制效果明显。

高应力断层构造区巷道冲击破坏特征研究

断层构造区静动载应力耦合作用加剧了井下断层区围岩冲击危险性,断层构造区巷道围岩应力分布规律及冲击动载响应特征存在显著特殊性。目前对于断层构造区的冲击研究主要集中于工作面采场附近,但对于断层构造区巷道冲击破坏鲜有研究。以陕西某矿深埋高应力断层构造区巷道为工程背景,分析了断层构造区巷道围岩变形破坏力学特征:①断层面存在明显应力阻隔效应,正断层附近存在上盘应力集中区和下盘应力降低区2个特殊应力区。巷道由于断层面影响,巷帮静载集中应力呈现非对称分布特征,远离断层面侧应力集中程度大于靠近断层面侧,该侧巷道围岩冲击破坏危险程度增大。②断层面对于应力波传递产生明显阻隔作用,正断层上盘动载响应大于下盘动载响应,由于巷道两帮应力非对称分布特征,右帮动载响应明显大于左帮。基于上述特征,提出了断层构造区巷道围岩“卸(大直径钻孔卸压)−支(梯次加固成层式吸能防冲支护)”协同防冲控制技术,工程试验结果表明:①巷道围岩采取“卸−支”协同防冲处理措施后,巷道两帮应力集中区往围岩深部转移3~5 m,应力峰值降低18.5%~20.3%,巷道帮部围岩应力集中程度显著降低。②采用“卸−支”协同防冲处理措施前,巷道顶底板及两帮变形量分别为856,334,325,567 mm,巷道围岩变形破坏严重,采用“卸−支”协同防冲处理措施后,巷道围岩变形量降低35.69%~62.03%,巷道围岩稳定性增强。③钻孔煤粉量显著低于临界粉煤量,巷道围岩动力显现降低。

薄煤层工作面切顶卸压留巷技术研究

为提高矿井煤炭资源回收率并提高煤炭开采效率,结合3503综采工作面开采煤层厚度薄的特点,针对性提出切顶卸压留巷技术方案,并进行工程应用。在回风巷切顶卸压留巷期间,通过锚索超前补强可提高留巷段顶板强度,为留巷工作开展创造良好条件;使用DCA-45型切缝机提高切顶钻孔施工质量,通过聚能爆破方式提高切缝效果;在滞后支护段采用密集单体进行补强,可减少采动压力、采空区顶板垮落等对留巷段围岩变形影响。现场应用后,留巷段顶板在滞后采面30 m范围内下沉量增加速度较快,随着与采面距离增加留巷段下沉量逐渐趋稳,最终下沉量控制在165 mm以内。

凌志达矿坚硬顶板切顶卸压与巷道支护方法研究

针对凌志达矿15218工作面坚硬顶板条件回采过程中导致的巷道变形严重问题,采用理论分析、数值模拟与现场监测相结合方法,系统研究了坚硬顶板切顶卸压及巷道支护方法。结果表明:顶板基本顶K2灰岩为关键层,由于顶板泥岩与K2灰岩总厚度达8.12 m,应保证切顶高度大于8.12 m;对工作面顶板实施切顶卸压后,能够在一定程度上切断高应力传导路线,使应力发展不会朝向煤柱及临近工作面巷道,有利于巷道及煤柱的稳定,对坚硬顶板实施切顶卸压可以取得良好的卸压效果,数值模拟确定合理切顶高度与角度分别为9 m与15°。研究提出了在巷道顶板中部实施超前预裂爆破切顶卸压方法,以及“锚杆+金属网+钢筋梯子梁+锚索”的巷道联合支护技术。通过现场实践,顶板下沉量降低了43.1%,底板底鼓量降低了31.5%,煤柱帮移近量降低了36.1%,回采帮移近量降低了36.2%,巷道变形得到了良好控制。

大采高工作面切顶卸压沿空留巷技术应用

为实现厚煤层大采高工作面沿空留巷开采,以山西端氏煤矿3114工作面条件为背景,采取切顶卸压+恒阻大变形锚索支护方案,设计了切顶爆破参数及恒阻锚索支护参数,并在现场进行了应用。对留巷巷道回采期间围岩变形情况进行了监测,监测结果表明,巷道内顶板最大变形量为211 mm,巷帮变形量最大为197 mm,变形量均在可控范围内。

褶曲构造影响区内翼部煤层开采矿压机理及防治技术

文章以褶曲构造影响区内翼部煤层中3605综放面水平分层开采为研究背景,通过现场调研发现其开采期间面临强矿压显现频发的问题,进而采用理论分析的方法对煤层受力特征进行了分析,并结合某一典型强矿压显现期间的微震能量事件阐释了动静载叠加诱发强矿压的机理,最后提出了针对性的卸压措施。研究结果表明:3605综放面围岩受力情况分属于Ⅰ和Ⅱ两个煤体区域,且Ⅰ煤体区域因发生塑性变形而致使Ⅱ煤体区域承受高应力载荷;根据微震能量事件定位情况理论计算确定了动静载叠加作用下工作面底部所存在的三角形强矿压影响区域尺寸;现场对3605综放面运输巷超前段100 m范围内上侧覆岩内坚硬顶板和巷道底煤分别进行卸压爆破措施后,钻屑量和微震总能量、频次数据验证了卸压效果的显著有效性。

切顶卸压留小煤柱护巷技术研究与应用

针对综放工作面留小煤柱巷道围岩变形破坏严重的问题,结合付家焉煤业10102回风顺槽实际工况,对采用切顶卸压留小煤柱护巷技术进行研究应用,可以快速平衡和转移工作面回采形成的支承压力,缩短了等待采空区稳定的时间,快速进行下一工作面的巷道掘进,有效缓解接替紧张的压力,实现快速布置工作面,提高了效率。

断层切割孤立煤体应力动态特征及协同卸压技术

为了研究由断层切割形成的孤立煤体应力特征,防止孤立煤体应力集中区域在工作面回采期间发生冲击危险;以新巨龙煤矿6305工作面为例,建立了孤立煤体受力估算模型,得到冲击危险性指数Ic;提出了针对孤立煤体区域两侧巷道实施的“大直径钻孔卸压+爆破切顶卸压”协同卸压技术,并通过FLAC^(3D)模拟协同卸压前后孤立煤体应力动态特征。结果表明:冲击危险性指数I_(c)=2.6>1.5,即孤立煤体平均支承压力超过临界冲击阈值易发生冲击;卸压前过F_(311)断层后XF_(2)断层处回采帮采动应力突增7.85 MPa,冲击危险程度升高;卸压后孤立煤体突出部位回采帮应力平均降低25.3%,非回采帮应力平均降低12.5%,卸压区域无大能量微震事件发生,钻屑量正常,卸压效果良好。