Bearing characteristics of coal pillars based on modified limit equilibrium theory

There are two states for the coal-mass on the goaf-side which is in stress equilibrium: the state of limit equilibrium(the bearing stress in the coal-mass equals its ultimate bearing stress) and the state of nonultimate equilibrium(the bearing stress in the coal-mass is less than its ultimate bearing stress). To analyze the bearing characteristics of a coal pillar in the state of limit equilibrium and guide the design of pillar width, we established a mechanical analytical model of the non-ultimate equilibrium zone in the coal-mass on the goaf-side combined with the limit equilibrium theory as well as adopting the methods of theory analysis and mechanical analysis based on the assumption of a state of non-ultimate equilibrium. The width correction coefficient of the limit equilibrium zone has been given. The influence of mining depth, stress concentration coefficient of the surrounding rock, the non-limit strength of the coal-mass and stability of the coal rock interface has been studied. On this basis, we have confirmed that when the width of a longwall mining face roadway protection coal pillar is between 11.6 m and 13.16 m in No. 4 coal seam of Xinrui coal mine in Lvliang in Shanxi province the elastic core region in the coal pillar can be assured and the roadway will be located in the area of lower stress which is outside the peak stress. So the revised width of the limit equilibrium zone is more practical.

坚硬顶板切顶卸压技术对巷道围岩变形规律影响

针对特厚煤层坚硬顶板、宽煤柱条件下临空巷道面临的高围岩应力、大变形等问题,以老石旦煤矿16403综放工作面为工程研究背景,从宽煤柱顶板侧向破断结构角度对临空巷道大变形的影响因素进行了理论分析,采用数值模拟方法研究了对16402运输巷实施不同切顶卸压方案时,临近采空区的16403回风巷侧向顶板采动应力传递规律,并在现场施工水力压裂钻孔进行切顶卸压,实现临空巷道围岩变形控制。研究结果表明:“低位坚硬岩层悬臂梁+高位坚硬岩层砌体梁”破断结构是特厚煤层宽煤柱临空巷道大变形的主要原因,可采用切顶卸压技术破坏宽煤柱顶板侧向破断结构来控制临空巷道围岩大变形;切顶角变化可使关键块B长度发生改变,切顶角越大,则关键块B长度越小,临空侧顶板载荷向煤柱传递的程度越弱,临空巷道围岩承受的采动应力越小,切顶角为100°时临空巷道围岩垂直应力与变形量最小;在16402运输巷以切顶角100°施工水力压裂钻孔后,16403回风巷顶底板变形量较未实施切顶卸压的16402回风巷减小86.5%,两帮变形量减小87.1%,临空巷道围岩稳定性得到极大提高。

特厚煤层动压巷道小煤柱护巷技术应用

以A特厚煤层煤矿39204工作面为例,介绍一种适用于特厚煤层动压巷道的小煤柱护巷技术。采用FLAC3D数值模拟软件对特厚煤层动压巷道围岩应力分布及变形情况进行仿真分析,结合小煤柱动压巷道控制理论,设计了特厚煤层小煤柱动压巷道控制方案,并将该方案应用于A特厚煤层煤矿工程实践,确认所提出的特厚煤层动压巷道小煤柱护巷技术具有较强的可行性。

近直立煤层上覆煤柱下巷道冲击地压防治研究

以近直立特厚煤层终采线保护煤柱下掘进过程中遇到冲击地压问题为工程背景,通过数值模拟、理论分析和现场实践的方法,研究了保护煤柱下方掘进面开采过程中冲击危险程度的变化,提出了相应的防治手段和检验措施,得出如下结论:巷道掘进影响了煤柱区域应力状态,增加终采线煤柱区域应力集中区的范围及冲击危险性;掘进工作面经过煤柱边缘应力集中区时,前方应力峰值较大,围岩冲击危险性较高。根据PDCA管理模式提出了理论分析→实施解危→效果验证→掘进实践→优化调整→效果验证的双循模式管控,通过实施掘进面密集大孔径卸压孔和全方位高压注水软化等系统性防治工程,并采用微震、地音、电磁辐射等技术进行效果验证,实现了掘进工作面安全的通过煤柱影响区域。这为矿井冲击地压防治提供了参考和借鉴。

浅埋厚煤层大巷保护煤柱尺寸留设研究

留设煤柱护巷道目前仍是中国许多矿井的主要护巷道方式,但同时也损失了巨大的煤炭资源。煤柱留设的长度也是影响煤柱稳定性和巷道围岩稳定性的关键所在,其安全长度的留设,更有利于改变围岩应力分布条件,隔离工作面采空区,维护巷道围岩稳定具有重要的作用。区段煤柱留设宽度与煤矿采区埋置深度、工作面倾角、煤层高度、巷道顶底板围岩等具有相关联系。不同煤矿开采条件不同,不同矿区都有自己留设煤柱的宽度方法。因此,本论文针对某煤矿西翼带式运输大巷煤柱安全宽度等问题展开研究,分析煤柱内的应力分布、变形特征和塑性区分布,最终得出安全煤柱宽度留设,论证该尺寸煤柱下,确保被保护的巷道在掘进过程中不引起失稳,这对于煤矿的安全生产来说至关重要。

综采工作面小煤柱留设及注浆加固技术研究

针对晋能控股装备制造集团长平煤业有限责任公司保护煤柱宽度留设过大、资源浪费、回采巷道变形严重等问题,分析了煤帮锚网兜及巷道底鼓的成因,采用现场实测和数值模拟的方法,综合确定小煤柱宽度为6.0 m,并提出小煤柱注浆加固控制方案。现场指标验证:小煤柱巷道围岩控制效果良好。

近距离煤层错层位切顶卸压护巷技术

针对近距离煤层开采时,上层煤开采会对下层煤产生采动影响,导致下层煤邻近回采巷道围岩变形等问题,提出了近距离煤层错层位切顶卸压护巷技术。分析了错层位切顶卸压护巷技术原理,推导出近距离煤层错层位切顶高度的计算公式,给出错层位切顶的关键参数,研究了错层位切顶卸压护巷效果。结果表明:通过错层位切顶主动调控顶板断裂位置可缩短悬臂梁长度,同时切落后的岩石因受到采空区与夹层的缓冲作用减少能量向下传递,有效保护了下层巷道的围岩稳定;错层位切顶高度的确定需考虑顶板垮落的矸石对本层位空区与下分层空区的充填效果,以及层间岩石的垮落影响。现场工业性试验发现,错层位切顶后,动压巷道底鼓量由3.0 m降至0.5 m左右,降幅为83%。

急倾斜煤层综采工作面区段煤柱合理宽度研究

为了探究急倾斜煤层综采工作面保护煤柱合理宽度,以逢春煤矿N2821工作面为研究背景,采用理论分析与数值模拟相结合的方法,建立了急倾斜工作面开采前后区段保护煤柱受力力学模型,得到了急倾斜综采工作面保护煤柱合理宽度的计算公式,分析了工作面不同保护煤柱宽度下巷道和煤柱应力场的演化规律。结果表明:工作面开采条件满足q_(0)/[γ_(1)(h_(m)+m)]<[sin(α)-f_(2) cos(α)]/[(f_(1)+f_(2))cos(α)-sin(α)]时,区段保护煤柱受剪应力影响发生“台阶”型破坏;急倾斜煤层工作面、巷道和区段煤柱的垂直应力分布表现为不规则的椭圆形;逢春煤矿N2821工作面区段保护煤柱宽度最少为20 m。

麻家梁煤矿特厚煤层回采巷道小煤柱护巷技术研究

针对麻家梁煤矿4号煤层厚度大,留设大尺寸煤柱浪费大量煤炭资源的问题,采用理论分析、数值模拟的方法,确定采用分层支护的方法支护巷道顶板,采用卸压支护的方法支护巷帮,将区段保护煤柱宽度缩小为8 m。通过在14502轨道巷进行现场试验,现场监测数据显示巷道整体变形量不大,且顶板并无明显离层现象,可满足现场的安全生产需求,节约了煤炭资源。

近直立特厚煤层上覆煤柱下巷道掘进冲击地压防治实践研究

以近直立特厚煤层终采线煤柱下掘进过程中遇到冲击地压问题为工程背景,通过数值模拟、理论分析和现场实践的方法,研究了保护煤柱下方掘进面开采过程中冲击危险程度的变化,提出了相应的防治手段和检验措施。研究发现,巷道掘进影响了终采线煤柱区域应力分布状态,增加了终采线煤柱区域应力集中范围及冲击危险性;掘进工作面经过煤柱边缘应力集中区时,前方应力峰值较大,围岩冲击危险性较高。根据PDCA管理模式提出了理论分析→实施解危→效果验证→掘进实践→优化调整→效果验证的双循模式管控,通过实施迎头密集大孔径卸压孔和全方位高压注水软化等系统性防治工程,并采用微震、地音、电磁辐射等技术进行效果验证,实现了掘进工作面安全通过煤柱影响区域,为矿井冲击地压防治提供了参考和借鉴。

浅埋煤层地质构造带动压巷道支护技术

为解决五虎山煤矿011205回风巷道局部片帮和非对称变形等一系列问题,通过现场实测、理论分析和数值模拟等手段对近断层巷道围岩变形破坏特征、围岩应力分布演化规律等进行了研究,确定了断层保护煤柱的合理宽度和支护参数,提出了巷道断层帮斜拉锚索注浆加固技术。结果表明,采用非对称斜拉锚索支护可以有效地控制巷道围岩的稳定性。

双巷布置工作面留巷底鼓机理及护巷煤柱合理宽度研究

针对察哈素煤矿双巷布置工作面留巷底板变形大、控制困难等问题,通过现场监测,分析了31303辅助运输顺槽围岩变形破坏规律,基于巷道围岩地质力学特征,研究了31303辅助运输顺槽底鼓机理,确定采动应力是导致巷道底板围岩变形失稳的主要原因,提出了通过优化护巷煤柱宽度改善巷道应力环境,进而实现巷道围岩控制的方法,采用数值模拟和理论分析方法确定了护巷煤柱合理宽度为30 m,并进行了现场应用。结果表明,双巷布置工作面留巷围岩变形小、锚杆(索)受力稳定,煤柱护巷效果较好。

无煤柱开采工艺的围岩控制及工程实践

在煤矿实际开采作业中,为防止围岩、巷道形变发生坍塌,常采用保留护巷煤柱的开采工艺。煤柱的设计、布设不仅增加开采工作量,同时也降低了煤炭资源利用率。本文介绍无煤柱开采工艺及其围岩控制技术,并以某煤矿工程为实例,对沿空留巷开采进行研究。在实际作业中,整体围岩控制效果好,可以满足生产需要,为同类工程实际条件下无煤柱开采作业提供了成功案例。

工作面切顶卸压护巷技术可行性研究

为了避免工作面停采时预留保安煤柱受采动影响出现围岩变形现象,减少巷道维修费用,通过技术研究,对保安煤矿15110综采工作面提出了切顶卸压护巷技术。通过实际应用效果来看,切顶卸压后能够形成人工卸压通道,通过人工干预使围岩应力得到提前释放,降低了大应力对围岩产生的剪切破坏作用,取得了显著应用效果。

大采高回采巷道保护煤柱局部变形特征监测分析

回采巷道煤柱的局部变形是巷道失稳和破坏前兆,由于地下水对保护煤柱的侵蚀作用,在一定程度上影响巷道的稳定性。本文以斜沟矿18503大采高综采工作面为工程背景,采用数值模拟软件COMSOL对煤柱在无支护、有支护条件下的孔隙水压力进行模拟计算,总结出回淹巷道保护煤柱的水流动规律。实验结果表明:在巷道中布置疏水孔,有利于煤柱水的疏导和排放,能有效缓解水流对保护煤柱的侵蚀,尤其是当钻孔长度能够穿透保护煤柱回淹层主裂隙面时,更加有利于煤柱水的疏放;对煤柱施加支护阻力,可在一定程度上减缓水的渗透作用,减缓地下水巷道围岩的侵蚀破坏,根据回淹巷道煤柱水流动规律,为采取科学的疏排水技术措施提供理论依据,同时也为采动影响下大采高回采工作面保护煤柱的稳定性控制提供了参考。

超长“孤岛”综放面大煤柱护巷的数值模拟

基于兖矿集团兴隆庄4324超长“孤岛”综放工作面开采条件,采用离散元数值计算程序UDEC3.0,模拟研究了不同宽度煤柱护巷条件下巷道围岩的应力分布和变形特征,分析了不同宽度煤柱的承载状况和应力峰值区的位置.研究表明,采用20 m大煤柱维护巷道,可以改善巷道围岩应力环境;煤柱的承载能力适应超长“孤岛”综放工作面顶板的活动规律;围岩变形量小;能够保障巷道的整体稳定性和有效断面.通过现场实测,讨论了大煤柱维护巷道的矿压显现规律和对巷道的良好维护效果.

基本顶断裂位置对窄煤柱护巷的影响及应用

针对天煜能源恒昇煤业埋深浅、煤层厚、顶板坚硬地质情况,留设煤柱过宽,则浪费煤炭资源;留设过窄,则采动必定会破坏或损伤煤柱,导致相邻采区采空区和本采区采空区遗煤漏风氧化自燃的问题。在基本顶断裂位置围岩结构力学模型的基础上,分析了基本顶断裂线位置与关键块回转角和煤柱上覆载荷之间的关系,理论计算了煤柱宽度和基本顶断裂位置,研究得到:综放工作面留设窄煤柱时,必须考虑基本顶断裂线的位置,避免巷道于基本顶断裂位置下方掘进;基本顶断裂位置为3~5 m,护巷煤柱宽度最小为4.6~6.3 m,基本顶断裂线位置正处于所留煤柱上方,煤柱此时承受的压力较大,考虑该煤层为易燃煤层,因此需增加煤柱的承载面积,最终确定该矿9205机巷护巷煤柱的合理宽度为8 m,并提出了相应的锚网索支护方案。工业性试验表明,该方法确定的煤柱宽度科学、可靠,采用的支护方案有效减小了巷道变形,增强了窄煤柱稳定性。

基于采动应力边界线的顶板巷道保护煤柱留设方法

针对平顶山一矿31010工作面回采期间顶板丁戊三乘人巷严重变形的问题,通过现场实测和数值模拟研究了巷道变形的原因及保护煤柱留设的问题。结果表明:工作面回采后,上覆顶板岩层中的应力发生改变,将应力值等于1.05倍原岩应力的点构成的曲线定义为采动应力边界线。采动应力边界线由开采煤层向上覆岩层呈外扩式发展,采动应力边界线距开采边界的水平距离随着距开采煤层高度的增大而逐渐增大,但增大趋势逐渐减小。采动应力边界线内侧岩层应力出现增压区和减压区,而外侧岩层仍处于原岩应力状态,采动应力边界线是划定工作面上覆岩层是否受工作面回采影响的边界线。目前顶板巷道保护煤柱宽度是按岩层移动角进行设计的,没有体现内部岩层移动变形及应力特征,导致顶板巷道保护煤柱宽度不合理而出现破坏,为此提出了基于采动应力边界线的顶板巷道保护煤柱宽度设计方法。按照此方法设计的平顶山一矿31010工作面顶板乘人巷保护煤柱宽度应为158 m。

区段大煤柱水力压裂切顶护巷技术研究

针对工作面回采过程中沿空留巷围岩应力高、蠕变变形大的难题,以赵庄矿井1309工作面为研究背景,用理论计算的方法开展了沿空留巷区域围岩结构力学分析,并提出了适用于该矿井的顶板双向水力压裂护巷工艺和效果检测方法。研究结果表明:13092巷道变形程度由煤体单轴抗压强度、煤层埋深、顶板岩梁强度共同决定,在以上因素的叠加作用下采空区侧向顶板挤压煤柱,煤柱塑性区范围扩大,侧向应力向煤柱深部转移,顶板断裂前煤柱内弹塑性过渡区域垂直应力达到最大值,受侧向应力峰值影响13092巷道发生强烈蠕变变形,巷道断面维护困难;通过在13091巷道布置双向水力压裂孔,提前弱化顶板,破坏其应力传递和能量积聚的条件,有效地进行了人为断裂线的预制,并改善断裂线在煤柱上方的倾向位置,减缓了煤柱受挤压程度;在巷道上方施工的水力压裂孔能够有效促使关键岩块B回转下沉,减小了1309工作面侧向悬顶的长度,垮落的关键岩块B能够较好地对高位岩层形成支承作用;在施工水力压裂孔后相应区域巷道变形量缩小40%,煤柱边界区域微震事件数和微震能量值均有大幅度减小,保证了沿空巷道在回采期间的围岩稳定性。该研究成果探索了顶板水力压裂护巷在晋煤矿区应用的可行性,并为类似矿井条件下开展压裂工艺提供了工程指导。

大采高工作面回采巷道护巷煤柱合理宽度研究

为研究大采高工作面合理护巷煤柱的留设问题,以康河煤矿6103大采高工作面回采巷道为研究对象,通过理论计算和数值模拟分析,得出了合理的护巷煤柱宽度,并经工程实践论证了其可行性,为类似条件下大采高工作面护巷煤柱的留设提供了理论依据。