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。

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。

“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。

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。

扰动作用下矿柱滑移失稳的理论分析

动力扰动作用下,处于高静载状态的岩石极易沿已有裂缝产生滑移,造成滑移型岩爆等动力灾害。通过能量分析和变分原理对动力扰动诱发高应力矿柱断裂滑移失稳(滑移型岩爆)的力学机理进行分析,得出了动力扰动条件下矿柱失稳的充要条件。通过开展动静组合荷载作用下的矿柱滑移失稳试验,验证了理论分析的正确性。研究表明:矿柱的动力滑移失稳只会发生在峰后阶段,对于处在峰前稳定平衡状态的矿柱,若要发生动力滑移失稳,需要爆破振动、巷道断裂等人工或者自然活动所产生的动力扰动达到一定量值,同时还需满足加载刚度k1小于峰后的滑移刚度k2。因此,对矿柱断裂滑移型岩爆量级的预测则须准确地确定过剪应力的量值。

近距离巷道群覆岩活动的扩大压力拱理论与岩柱荷载研究

随着各类采矿工程和其它岩土工程的不断发展,越来越多的地下工程都涉及到近距离巷道群的设计、施工与维护问题。近距离巷道群围岩的变形破坏规律和巷间岩柱荷载计算成为地下工程界十分关注的热点课题之一。在对单个巷道周围有极限平衡区应力分布规律研究的基础上,结合巷道覆岩活动的压力拱理论,系统研究了近距离巷道群周围的应力分布规律,提出了近距离巷道群覆岩活动的"扩大压力拱"理论,给出了计算近距离巷间岩柱荷载的计算公式,提出了防止近距离巷间岩柱连锁破坏的技术措施。

基于加卸载响应比理论的矿柱动力稳定性分析

利用有限差分程序FLAC建立连续和并排的两类非均质矿柱模型,对矿柱在动力载荷循环作用下的破坏过程进行全时程动力分析。将加卸载响应比(LURR)理论引入矿柱动力稳定性分析中,以施加的动力载荷对矿柱作用的周期性变化作为加载量,以矿柱特征点的位移变化和破坏单元的弹性应变能的演化规律作为响应参数,建立矿柱的加卸载响应比模型,确定矿柱在动力载荷作用期间的加卸载响应比时间序列。计算结果表明,矿柱整体上处于稳定状态和趋于失稳时,其加卸载响应比Y值表现出不同的特征,通过对Y值的分析对矿柱的稳定状态进行评价,预测是否临近峰值承载能力,表明在矿柱动力破裂过程数值模拟分析中引入加卸载响应比是矿柱破坏力学行为研究的一种方便而有效的方法。

岩柱应力分布规律及其稳定性分析

作为地下洞室群重要的支撑结构,岩柱在采矿工程、水电工程、公路铁路隧道工程等诸多领域都有着广泛地应用。在系统总结岩柱荷载和岩柱强度前人研究方法和研究成果的基础上,对工程实践常用的条形和矩形岩柱上的应力分布规律及其影响因素、岩柱宽度对岩柱应力重新分布规和岩柱荷载的影响进行了系统分析,分析了岩柱渐进式破坏的力学机制,为岩柱设计和岩柱失稳破坏分析提供了参考依据。

硬岩矿柱纵向劈裂失稳突变理论分析

应用断裂力学理论讨论硬岩矿柱初始裂纹在上覆岩层作用下贯通形成层状结构的机理,指出裂纹间相互作用引起裂纹的失稳扩展,从而相互连接形成层状结构。在此基础上,应用能量原理及突变理论推导矿柱失稳的临界载荷及临界应力,提出矿柱发生失稳的屈曲模型。研究结果表明:矿柱发生失稳与分裂岩层的屈曲破坏有关;而岩层的屈曲除与岩石的材料参数有关外,还与分裂后的厚度即裂纹的分布有关;算例计算值与实际经验值相一致,可为合理安排开采顺序、布置采场等提供依据。

矿震诱发深井下山保护煤柱区冲击矿压研究

基于FLAC2D数值模拟软件对矿震扰动诱发深井下山煤柱区巷道冲击进行研究。结果表明:随着下山保护煤柱形成"孤岛"结构,矿震扰动下巷道围岩应力、位移及塑性区不断增加,越易发生冲击破坏;下山煤柱区高静载起主导作用,强动载只是诱发作用;通过现场矿震规律分析验证了结论的合理性。

关键柱柱旁充填岩层控制基础理论

采空区遗留煤柱群链式失稳表现出明显的联动致灾效应。运用遗留煤柱群链式失稳的关键柱理论,提出了关键柱柱旁充填岩层控制的技术方法,揭示了关键柱柱旁充填岩层控制的核心机理,确定了柱旁充填体材料、强度、宽度和形态等技术参数,评价了关键柱柱旁充填岩层控制的效果,并对其潜在的应用范围与领域进行了展望。结果表明:①关键柱柱旁充填岩层控制技术方法通过在采空区煤柱群体系的关键柱旁边实施柱旁双侧全部充填、柱旁双侧部分充填、柱旁单侧全部充填或柱旁单侧部分充填等工艺,使采空区中形成的柱旁充填体不仅能对关键柱起到侧护作用,还能形成“关键柱-柱旁充填体”的协同承载结构体,进而实现采场岩层移动的有效控制,并保障煤炭资源的安全高效绿色开采。②关键柱柱旁充填岩层控制的核心机理主要体现在4个方面:关键柱与柱旁充填体的耦合承载、柱旁充填体对关键柱产生侧向约束、关键柱受力状态向应变强化的转变、关键柱强度的长期劣化减弱。③关键柱柱旁充填体的材料以返井固废充填材料和原位固废充填材料为主,柱旁充填体的极限抗压强度应大于或等于其分担的载荷,柱旁充填后“遗留煤柱-柱旁充填体”耦合承载体中屈服区的宽度不能扩展与延伸至“关键柱”的原始弹性核区内,柱旁充填体的形态主要包括矩式、梯式、台阶式和多级梯式四大类。④柱旁充填后关键柱的应力集中程度会降低,其两侧塑性核区的宽度减小,且中央区域弹性核区的宽度增大;“关键柱-柱旁充填体”的应力分布与塑性区分布特征表明关键柱柱旁充填岩层控制的效果良好。⑤关键柱柱旁充填岩层控制基础理论不仅可以用于采空区遗留煤柱群链式失稳的防控,还能应用于优质遗留煤炭资源复采和地下空间维护与利用等技术领域,更能推广于非煤矿山资源开采技术领域。

承压防砂煤(岩)柱下溃水溃砂工作面压架机理及支架阻力确定

新近系、第四系厚松散地层弱富水性含水层下留设防砂煤柱时,由于薄基岩界面倾斜和起伏变化等特殊地质条件,易形成松散含水层保压结构,含水层水压高,导致防砂煤(岩)柱承受高水压冲击,造成突水溃砂事故以及工作面矿压明显增大并压架。运用理论分析的方法,解释了防砂煤(岩)柱承压加大的概念与形成原因,研究了水砂降低摩擦因数和"高水压核"的水压冲击作用对支架阻力增大的影响,推导出工作面支架阻力计算公式。研究表明突水溃砂过程中工作面阻力异常增大主要是由于水砂降低摩擦因数和"高水压核"的水压冲击,得出了不同情况下摩擦因数降低的数值,并依据机械能守恒定律推导得出高水压对工作面支架冲击力的计算公式。以某矿11071工作面为工程实例,计算了工作面支架阻力变化过程,结果表明由于摩擦因数降低与高水压的冲击造成支架载荷额外加大,超出工作面支架最大载荷,验证了溃水溃砂过程中工作面矿压增大的结论,为类似条件工作面提供借鉴。

工作面端头L形区煤柱体诱发冲击机理及防治研究

为了研究深部开采工作面端头L形区煤柱体失稳诱发两类典型的巷帮冲击地压,基于宝积山煤矿705综放工作面5次冲击地压显现与工作面推进位置关系,分析了一定围压条件下煤柱体的受力状态和力学响应,并推导出了煤柱体失稳破坏与作用载荷的关系。利用FLAC3D软件应变软化模型模拟研究了集中静载荷和动载荷组合作用下煤柱体的应力-应变特性,结果表明:初始静载荷变化对煤柱体失稳发生冲击的影响作用要高于动载荷变化,集中静载荷起储存冲击能作用,动载荷起诱发冲击作用。提出锚网索支护+高压水射流巷帮卸压协同作用防治巷道冲击地压方法,模拟分析显示围岩应力分布满足强弱强(3S)三重防冲结构,围岩结构弯矩分布均匀合理。本研究为协同作用防治巷道冲击地压提供了理论依据。

基于震波CT探测的宽煤柱冲击地压防控技术

针对深井区段煤柱冲击地压易发、多发、难防治的难题,以某矿1301工作面80 m区段宽煤柱冲击地压为例,利用数值模拟及微震数据分析,研究了宽煤柱冲击地压致灾机制,采用震波CT原位探测技术评估了宽煤柱区域内冲击危险性,并提出针对性防治方案。结果表明:3号煤层具有弱冲击倾向性,顶板岩层具有强冲击倾向性,已具备发生冲击地压的内在条件,高自重应力、强构造应力提供了基础静载荷,采空区侧向支承压力提供了增量静载荷,当两者叠加导致垂直应力超过冲击临界支承压力时,为宽煤柱静载荷冲击地压的发生提供了力源条件;震波CT原位探测技术以穿透煤岩体的实际震动波射线进行波速反演,反映煤岩体静载荷分布特征及结构特性,建立了以波速异常系数CA和波速梯度系数CG为主要因子的冲击地压危险性评估模型;鉴于宽煤柱冲击区域采掘空间实际条件,设计布置近完全观测系统观测方式,采用震波CT原位探测技术反演评估得到宽煤柱测区内冲击危险指数C=0. 5～0. 7,表明冲击发生后,宽煤柱仍然存在静载荷集中区域,具有中等冲击危险,并且运输巷侧冲击危险指数较采空区侧高,表明煤柱应力由采空区侧向运输巷侧转移,局部区域煤体破碎易冒顶片帮;制定了基于静载荷疏导的多层次防冲技术:大直径钻孔预卸压转移巷帮集中应力,耗散弹性应变能,确定合理日进尺为2. 4 m,降低开采扰动,巷道全断面补强支护,提高围岩抗冲击能力;通过上述措施,现场监测宽煤柱煤体应力未发生突增,微震能量及频次变化平缓,1301工作面已安全回采宽煤柱区,防治效果显著。

深井区段煤柱冲击地压静载荷探测及综合防控技术

针对郓城煤矿1301工作面临空80m区段煤柱冲击地压防控难题,分析了区段煤柱冲击地压发生的主导因素,采用震波CT原位探测技术评价区段煤柱冲击危险性,制定了综合防治方案并进行现场应用。结果表明:80m区段煤柱冲击地压载荷源为高自重应力、强构造应力与采空区侧向支承压力叠加而成的静载荷;基于静载荷探测的震波CT原位评价技术揭示区段煤柱测区内冲击危险指数C=0. 5~0. 7,具有中等冲击危险;巷帮大直径钻孔强预卸压可转移高应力、改变煤层积聚弹性能的条件,巷道全断面支护加固来增强围岩的整体抗冲能力,确定合理推进度降低开采扰动,综合监测预警确定动态冲击危险区并及时卸压解危,现场应用表明防治效果明显。

深埋小净距隧道群围岩压力计算方法探究

基于极限平衡拱理论,根据有效承载宽度对中夹岩柱的实际支承力提出修正,得到适用于深埋小净距隧道的围岩压力计算方法;同时以兴业快线北段隧道实例为依托,将理论计算结果与数值模拟、现场实测结果相互验证。修正计算方法所得小净距隧道群的竖向围岩压力呈现主洞大于辅洞,内侧大于外侧的分布规律。数值模拟所得深埋小净距隧道群的法向围岩压力,其最大值出现在内侧拱肩处,向着拱顶和边墙呈逐渐减小趋势,其分布形态与现场实测结果基本吻合。修正计算方法所得竖向围岩压力与数值模拟结果、现场实测结果也较为吻合,认为考虑中夹岩柱实际支承力的修正计算方法较符合工程实际,可为深埋小净距隧道设计提供一定的理论依据。

深部双煤柱巷道冲击地压发生机制

针对红庆河煤矿深部双煤柱工作面临空巷道冲击地压显现强烈、破坏范围大、影响因素复杂的特征,采用地表观测、煤体应力监测、微震监测的方法,分析了影响静载荷的埋深、双宽煤柱留设和采动影响,以及影响动载的厚层顶板岩层结构和垮冒不充分的相邻采空区,研究了冲击地压发生的静载荷、动载荷演化过程,揭示了深部双煤柱巷道冲击地压发生机制。研究表明:深部双煤柱引起3-1103新辅运静载荷的组成包括基础载荷、采动应力及煤柱的侧向应力,叠加后的静载荷达到垂直应力的1.4~4.5倍,静载荷达到24.9~80.1 MPa,接近或超过煤体发生冲击地压的临界载荷;煤柱上方岩层结构向煤柱深部破坏失稳,释放弯曲下沉过程积聚的弹性能,引起煤柱的煤体应力升高,煤岩体的应力向深部转移,破坏位置距离3-1103工作面越来越近,从而诱发具有高应力集中的煤岩体失稳。

围岩-矿柱系统失稳冲击的能量-外力功理论

单位时间内系统释放的能量与外力功之和大于系统所能吸收的能量时,系统就会失稳。出于这一认识,本文采用变分原理对围岩-矿柱系统的稳定性问题作了分析,得到矿柱失稳冲击准则和矿柱亚稳态软化准则。由于考虑了外力功要素,本文准则可以较好地描述围岩-矿柱系统的一些行为,其中包括围岩刚度大于矿柱刚度时也会发生的冲击地压现象。文中的亚稳态软化准则可以为伺服控制试验机原理提供理论依据。

崩落法转充填法采场隔离矿柱合理厚度研究

对于崩落法开采向充填法开采转变的矿山,受崩落法开采的采动影响,其工程地质条件会变得相对复杂,围岩完整性及其稳定性相对较差,开采技术条件相对复杂。为确保矿山下一步生产作业的安全,必须要在崩落法采场与充填法采场之间留设隔离矿柱。本文结合矿山实际工程地质条件,创新地采用了以考虑采空区顶板垮塌冲击动载荷的弹性小薄板理论为代表的多种理论分析方法,确定了崩落法转充填法采场之间水平隔离矿柱的尺寸,采用结合矿山围岩移动参数和Bieniawski矿柱强度理论的方式,计算了崩落法转充填法采场之间隔离间柱的尺寸。与此同时,采用Phase2二维数值模拟的方式对隔离间柱的尺寸合理性进行了验证,最终实现了矿山崩落法到充填法的顺利转型,在保证矿山下一步安全回采的基础上,提高了矿石回收率,为矿山创造了一定的经济效益。