深埋倾斜特厚煤层窄煤柱护巷机理与围岩控制

我国中东部地区采深大、巷道变形和冲击风险大,窄煤柱沿空掘巷技术可改善巷道围岩环境。为掌握窄煤柱护巷机理并形成针对性围岩控制技术体系,以800 m埋深倾斜特厚煤层3 m窄煤柱沿空掘巷为背景,开展了理论分析、现场实测及数值模拟研究,结果表明:①该巷围岩破碎程度及变形煤柱侧比实体煤侧严重,煤柱破碎程度及变形采空区侧比巷道侧大,尽管埋深大,但已稳定采空区承担较大覆岩载荷,高应力已充分向深部岩体分流;②巷道变形非对称,实体煤侧顶板下沉量比煤柱侧大,巷帮以浅部变形为主,煤柱帮上部和实体煤帮中部变形较大;③采空区是掘巷卸荷后主要的形变通道,利于形变能向采空区缓释、降低冲击风险;④卸压区形状由掘巷前三角形扩展为掘巷后平行四边形,掘巷后应力集中区转移至实体煤帮右上方实体煤岩体中;⑤窄煤柱一次和二次剪切破坏的交界面及掘巷右上方实体高应力区为围岩关键控制区,据此提出基于煤柱多重塑性破坏区发育规律的煤柱加固和高应力区精准卸压联合的围岩控制技术体系。研究可为邻近工作面以及其他类似深埋倾斜特厚煤层开采提供理论支撑和科学依据。

深部特厚煤层综放沿空掘巷煤柱优化及巷道支护

为研究深部大采高综放工作面窄煤柱沿空掘巷巷道矿压控制问题,以国能宁煤集团枣泉煤矿2^(-2)特厚煤层130203大采高综放工作面回风巷道为背景,基于实用矿山压力理论,建立了巷道围岩内、外应力场动态结构力学模型,运用理论计算和数值计算针对不同尺寸煤柱煤体应力对比分析,将原留设15 m护巷煤柱缩小至5 m进行了煤柱优化。结果表明:在稳定的内应力场掘巷有利于巷道的稳定性,避免了顶板事故及冲击地压相关灾害的发生,现场5 m小煤柱护巷工程应用中,130203回风巷道小煤柱侧变形量为1050 mm,实体煤帮变形量为400 mm,两帮呈现不对称性变形,底板局部底鼓量为1400 mm;深部特厚煤层综放开采沿空掘巷采用5 m小煤柱护巷方案设计正确,极大改善了巷道围岩的应力环境,整体设计满足生产要求,现场应用良好。130203工作面小煤柱沿空掘巷技术成功应用,为矿井开采提供了可靠的科学依据。

深部厚煤层巷道锚网索注梯级支护研究

为了解决深部厚煤层围岩变形量大的问题,以马兰矿18507工作面为研究对象,采用数值模拟软件对巷道围岩锚杆锚索注浆支护进行研究,首先对不同锚杆长度及锚杆间排距下支护效果进行分析,发现最佳锚杆长度为2.4 m,锚杆间排距为0.9 m、0.9 m。同时对锚索长度及注浆范围进行分析,发现随着锚索长度及注浆范围的增大,此时的围岩变形逐步减小,但减小的趋势逐步减缓,最终确定最佳锚索长度为8.3 m,最佳注浆范围为7 m,为矿井深部厚煤层巷道稳定性提供了一定的保障。

深部厚煤层开采强采动煤巷围岩控制技术研究

深井厚煤层开采强采动煤巷面临着深部高应力复杂环境、围岩裂隙高度发育拓展以及采掘扰动影响范围大的地质难题。为了探究深部厚煤层开采强采动煤巷围岩控制的合理方案,以古汉山煤矿1605采煤工作面回风巷为工程背景,采用数值模拟、理论分析和现场实践相结合的方法开展深部厚煤层开采强采动煤巷围岩破坏机理及控制技术研究。通过引入偏应力第二不变量(J_(2))研究指标以克服传统单一应力指标缺陷,研究了超前工作面不同位置时的巷道围岩偏应力第二不变量及巷道围岩塑性区分布特征,揭示了工作面超前段巷道围岩变形破坏机理,针对性地提出了“巷帮全锚索固帮+顶板锚杆索联合撑顶+顶帮钢筋网敷设”的围岩综合控制技术。现场工程实践表明,巷道两帮和顶底板最大移近量在可控范围内,实现了对深部厚煤层开采强采动煤巷围岩的有效控制。

深井中厚煤层顶板分区切顶留巷技术研究

针对山东矿区深部冲击性矿井留设煤柱带来的矿压显现严重、煤柱资源浪费、掘巷与支护成本费用较高等问题,以郭屯煤矿4306工作面为工程背景,对工作面轨道顺槽进行切顶卸压沿空留巷。依据工作面中厚煤层情况,将轨道顺槽切顶留巷顶板划分为3段,Ⅰ段为0~300 m,Ⅱ段为300~473 m,Ⅲ段为473~778 m;对切缝参数进行了设计,并通过矿压监测和围岩变形监测分析了留巷效果。研究结果表明:根据顶板分区,合理的切缝钻孔深度是Ⅰ段为8.5 m,Ⅱ段为7 m,Ⅲ段为8.5 m,切缝孔距巷道帮100 mm,与铅垂线夹角为15°,孔间距500 mm;切顶留巷支架平均压力和最大压力显著降低,与小煤柱沿空掘巷相比可节省300多万元,具有较好的经济效益。为类似深部冲击性矿井开展切顶卸压沿空留巷技术提供了一定的参考。

深部特厚煤层开采过程中地表变形特征

深部特厚煤层开采过程中会导致地表部分区域出现沉陷、地下水涌出等问题,严重影响地表建筑物的稳定性,同时增加地面人员工作生活的安全隐患。为此,以山西省东瑞煤矿为研究区,基于正在开采的一采区地表变形监测数据,采用理论分析与数值模拟相结合的方法分析将要开采的二采区地表变形特征。结果表明,地表沉降系数与矿区回采率呈正相关,与采高呈负相关,在相同采高和采宽条件下,随着回采率的增大,地表变形参数极值逐渐增大;当区域回采率恒定时,地表变形参数极值随采宽的减小而略有下降;在相同开采宽度下,地表最大倾斜度随回采率和开采高度的增大而增大。

特厚煤层坚硬顶板井下定向深孔水力压裂卸压防冲技术

为进一步解决坚硬难垮顶板导致的冲击风险升高问题,以文家坡矿为例,提出了一种井下定向深孔水力压裂卸压防冲技术,并在4106工作面开展了试验研究,结果表明:提前对厚硬顶板进行卸压处理,岩层强度和完整性大大降低,有利于根本上消除冲击地压对安全生产的严重威胁。压裂期间泵压-时间曲线呈现锯齿状,定向深孔水力压裂能够使得裂缝起裂与扩展,实现顶板有效致裂。在水力压裂作用下,工作面微震活动平稳变化,高级别能量微震事件频次占比显著降低,未超过冲击危险预警临界指标,工作面顶板活动性及微震能量释放保持在较稳定状态,围岩积聚能量能够有序释放,冲击风险显著降低。

深埋特厚煤层多工作面开采地表移动规律研究

深埋特厚煤层多工作面开采相互影响剧烈,地表移动呈现出特殊规律。以彬长矿区文家坡煤矿41盘区4103、4104和4105工作面为例,采用数值模拟、现场实测等研究手段,探讨新工作面开采对已采工作面地表移动的影响,得出覆岩及地表应力分布特征与变化规律。研究表明:新工作面开采加剧了已采工作面地表的移动,随着新工作面开采数目的增多,已采工作面地表下沉值与水平移动值增幅逐渐变小并趋于稳定,且受相邻工作面开采影响最大。通过理论分析将深埋特厚煤层多工作面开采覆岩及地表应力划分为拉应力区、压应力区和拉压应力转化区,其中新工作面开采使老采空区覆岩产生应力扰动与面间煤柱应力集中,且覆岩压应力与面间煤柱压应力增幅程度与地表移动程度呈正相关。研究成果为深埋特厚煤层多工作面开采地表损伤预测与防治奠定基础。

不同底板岩性条件下煤柱宽度对巷道底鼓影响

为探究深部开采中不同底板岩性条件下煤柱留设宽度对巷道底鼓影响机理,以赵庄煤业3104巷为工程背景,采用理论分析、数值模拟、现场试验的方法,研究了深部厚煤层中回采巷道煤柱宽度参数变化,对不同岩性底板的承载应力场分布、最大破坏深度、破坏形态的影响。结果表明:巷道底鼓量及煤柱宽度与底板强度系数呈力学负相关;留设12 m煤柱时,3种岩性底板均无法支承上覆岩层载荷;留设16 m和20 m煤柱时,泥岩底板条件下破坏层位向巷道右侧煤岩体更深处转移,细砂岩、砂质泥岩底板载荷功能良好,破坏层位分布在巷道左侧及支护体围岩表层;提出了3104巷支护改进方案,有效降低了巷道底鼓。

深井厚煤层沿空巷道掘采全过程应力分布及支护技术

为解决反复加卸载作用下深井厚煤层沿空巷道围岩控制难题,以袁店一井煤矿1037工作面回风巷为工程背景,通过FLAC3D数值模拟,对反复加卸载沿空巷道全过程应力分布特征及演化规律进行了系统研究,提出了“锚带网索+帮部喷注浆+顶板非对称锚索梁补强+煤柱肩底角锚索梁补强”联合支护方案。研究结果表明:(1)上工作面采空区侧向支承压力峰值距煤壁12~13 m,其值约27.5 MPa,影响范围为60~70 m;(2)1037工作面风巷掘进后,垂直应力峰值向实体煤深部转移,距采空区煤壁约17 m处,约30.7 MPa,相比掘巷前,增大11.6%,小煤柱上垂直应力相比掘巷前,降低了约62.6%;(3)随着1037工作面的推进,工作面前方20 m处形成超前支承压力峰值,达到45.9 MPa,约为2.8倍原岩应力。现场观测结果表明,控制方案取得较好控制效果。

赵楼煤矿深部厚煤层巷帮流变演化规律研究

为了研究深部厚煤层条件下巷道帮部流变演化规律,以赵楼煤矿埋深大、煤层厚的5304工作面为工程背景,采用理论分析与现场监测等方法,探讨了深部厚煤层巷道围岩流变特性,揭示了深部厚煤层巷帮流变演化规律。研究结果发现,帮部形变数值呈多次“稳定—跳跃”式增大,煤体在变形破坏过程中存在间歇性脆性破坏,表明煤体能量易出现短时间内剧烈释放;煤体变形破坏过程处于长时承压状态,在围岩稳定区域,变形值并非恒定不变,而是随时间发生极缓慢的微增大;煤体在围岩应力作用下,发生长时蠕变损伤,其承载能力逐渐下降,达到临界值时便发生突变破坏,短时间内迅速释放能量。该研究规律为围岩变形防治提供了理论依据。

大倾角厚煤层注水防尘技术应用

在论述煤层注水防尘实质的基础上,根据高庄煤矿3上509大倾角厚煤层工作面具体地质条件,对煤层注水防尘的机理进行了分析,并对3上509工作面煤层注水参数进行了设计。工程实践表明,在煤层注水后,煤体含水率由注水前的4.8%提高到注水后的9.8%,含水量增加了5.0%;在逆风流割煤时,总粉尘浓度51mg/m3,降尘率达到75%;顺风流割煤时,总粉尘浓度43mg/m3,降尘率达到82%,有效地降低了工作面产尘量,减小了工作面风流中煤尘浓度,极大地改善了工作面的作业环境,保护了职工的身体健康,取得了较好的防尘效果。

深部强冲击地压易发矿区厚煤层开采解放层卸压效果数值模拟

为研究深部强冲击厚煤层开采上、下解放层的卸压效果。采用数值模拟方法,分析不开采解放层,开采下解放层,开采上、下解放层条件下,被解放层的应力变化情况及应力变化规律,计算开采下解放层后的合理卸压角,确定解放层平巷位置。模拟结果表明开采上、下解放层后,应力明显减小,但仍存在高应力区,易发生冲击地压,必要条件下应采用其它辅助卸压方式。证明了煤壁前方应力增加区域一般在煤壁前方8～25m。该研究为工作面开采设计提供理论指导,对防治冲击地压具有一定的现实意义。

深井强冲击倾向性厚煤层无煤柱沿空掘巷技术

为了解决深部矿井具有强冲击地压倾向性的厚煤层煤柱承压大、煤柱冲击地压防治难等问题,华丰煤矿在1411工作面对垂直完全无煤柱沿空掘巷布置方式进行试验,对1410下平巷与1411上平巷留设窄煤柱沿空掘巷所造成的巷道变形量大、冲击地压大进行了治理。矿压及微震观测数据表明,巷道顶底板变形量减少131.5 mm,矿震等级、释放能量及次数明显下降,里氏0.8级以上的矿震减少87%,释放能量减少96%。

深部厚煤层沿空掘巷留设煤柱加固试验研究

为解决深部厚煤层沿空掘巷留设煤柱大变形的问题,在阐述沿空掘巷留设煤柱双向加固机理后,以济宁三号煤矿为工程背景,采用胀锁式对穿锚索加固沿空掘巷留设煤柱。实践表明,煤帮的变形量得到了有效控制,保持了巷道在回采期间的稳定性,减少了施工期间巷道维护费用。

深部厚煤层开采底板巷道受采动影响矿压显现规律研究

以丁集煤矿1282(3)工作面为工程背景,采用超前支承压力分段简化,构建了底板应力分布表达式,通过矿压实测数据代入后计算得到前方底板不同深度处应力增量集中系数,得出采动超前影响范围110m。考虑计算时忽略巷道自身开掘及长期蠕变的影响,最后通过底大巷实测、综合收作段地质条件进一步确定了合理的停采线为177m,研究成果为类似条件下的巷道维护及煤柱留设提供一定参考。

深孔预裂爆破在高瓦斯特厚煤层回采中的应用

针对高瓦斯低透气性特厚煤层回采期间瓦斯涌出量大,抽放率不高的问题,采用深孔预裂爆破强化预抽瓦斯措施,研究了钻孔工艺参数对低透气性特厚煤层的影响。试验结果表明,利用专门的爆破巷道,向煤体打扇形钻孔,装药爆破,在爆压作用下产生破裂和松动,使钻孔周围的煤体沿径向由内向外形成破碎圈、松动圈和裂隙圈,增大煤层的透气性系数,从而提高低透气性特厚煤层的瓦斯预抽率。通过对铜川矿务局下石节煤矿215综放工作面采取深孔预裂爆破强化预抽措施,使工作面瓦斯抽放率提高了10%以上,降低了回采工作面生产期间的安全隐患,为以后的瓦斯治理工作提供了参考。

巨厚煤层应力集中诱发冲击矿压的作用机理

针对千秋煤矿21201工作面高地应力、巨厚、易燃复杂地质条件下冲击矿压频发的现状,采用FLAC3D软件模拟了工作面超前支承应力与相邻工作面采空区侧向支承应力叠加后形成动态应力场的变化规律。结果表明,在工作面前方局部区域产生3.3倍于原岩应力的垂直集中应力,在较高的动态集中应力作用下,煤体聚集了大量的弹性能,且该区域附近形成变化较大的错动剪应力,一定程度上加剧煤体破坏而引发冲击矿压。

深埋特厚煤层大采高综放工作面覆岩运动规律及支架选型研究

大采高综放开采技术是特厚煤层开采的发展方向之一,而液压支架的选型是实现工作面安全高效生产的关键。针对龙固矿2301大采高综放工作面地质及生产技术条件,通过相似模拟,获得了工作面上覆岩层运动规律,在此基础上结合FLAC3D数值模拟和理论分析,确定了工作面支架的支护强度为1.46MPa及支护阻力为15000kN,并选取工作面支架型号为ZF15000-23/43正四连杆低位放顶煤液压支架。通过现场实测分析了工作面支架工作阻力的分布规律,应用表明ZF15000-23/43支架处于较好的位态,对2301综放工作面具有较好的适应性。研究成果对类似条件下液压支架的选型提供参考依据。

深部厚煤层动静载荷下区段煤柱损伤演化分析

深部厚煤层综采工作面沿空开采下引发的煤柱动力失稳,是严重影响矿井的安全生产条件之一。以陕西某矿区留设35 m段煤柱稳定性为研究对象,通过赋存条件调查、理论分析、数值计算、现场监测等方法,分析区段煤柱在动、静载荷下的演化特征。研究表明:煤柱在静载向动载荷的转化过程中,35 m煤柱内部两侧的应力峰值从2 m迁移至8 m,双侧扰动下的应力明显高于煤体的抗压强度;内部的塑性破坏占比从9.52%增加至40%,最终35 m煤柱内部形成“梯型”稳态结构。根据现场煤柱动载荷影响,结合巷道布置方式提出进行分区支护原则。实践表明:巷道顶板及煤柱帮经历3种变化的位移特征,在距采空区70~90 m范围的运动达到极限。因此,35 m煤柱能满足开采极限条件下的支撑作用,满足生产的实际需要。