综放工作面围岩控制与智能化放煤技术现状及展望

分析了厚及特厚煤层智能化综放工作面围岩控制技术与智能化放顶煤技术发展现状及存在的问题,从巷道围岩高效支护、工作面超前支护、坚硬特厚顶煤冒放性、液压支架位姿监测及智能化放顶煤5个方面提出了工程实际需求。针对综放工作面实现安全、高效、智能化开采存在的技术难题与工程需求,对综放工作面围岩控制技术、智能化放煤技术进行了研究:构建了坚硬特厚煤层顶煤悬臂梁力学模型,研发了提高顶煤冒放性及放出率关键技术,实现了坚硬特厚煤层超大采高综放开采;研发了单元式超前液压支架顶梁可旋转自复位装置,实现了液压支架顶梁根据巷道顶板倾斜角度自动旋转支护,有效提高了单元式超前液压支架对巷道顶底板的适应性;提出了采用巷道支护液压支架替代传统锚网支护结构的思路,具有支护效率高、成本低、节省工作面超前支护等优点;开发了基于立柱与尾梁千斤顶行程的综放液压支架支护姿态监测装置与算法,提高了液压支架支护姿态解算效率与精度;提出了基于透明地质模型、煤量监测装置与煤矸识别装置融合的智能放煤控制方法,可有效解决多夹矸层特厚顶煤智能化放煤技术难题。提出智能地质保障技术、机器视觉精准测量与智能感知技术、综放工作面设备智能精准自适应控制技术、综放工作面数字孪生技术等是智能化综放开采技术与装备的发展趋势。

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。

深部极松软围岩沿空巷道稳定性控制及应用

针对深部高应力作用下极松软围岩变形量大、破碎程度高、巷道难支护等问题,以丁集煤矿1232(3)沿空巷道为工程背景,采用数值模拟、现场监测和井下试验相结合的方法,对深部高应力极松软围岩沿空巷道破坏特征及阶段性控制原理和技术进行研究。结果表明:随着距巷道迎头距离的不断增大,巷道两帮应力的不对称性逐渐增大,实体煤侧应力峰值为37.18 MPa大于煤柱侧35.21 MPa,1242(3)终采线50 m范围内存在应力集中,最大达33 MPa,巷道围岩塑性区发育程度为煤柱帮大于实体煤帮大于顶底板;从巷道掘进过程中所经历的复杂围岩变化过程,将全巷道划分为5种典型的围岩变化阶段来分析围岩变形破坏特征和破坏机理,揭示了在高应力作用下深部软岩沿空巷道围岩变形量大,在空间上呈现出明显的区域性和非对称性的特征;基于巷道初步设计方案和围岩变形破坏特征,及时有效的调整支护方案,对巷道进行分段式、非对称、区域化综合治理,形成深部软岩巷道围岩控制长效机制,为同类型深部软岩巷道地压治理提供了理论和技术支撑。

基于塑性区控制的巷道围岩支护理论与技术研究进展

随着煤层开采深度的不断增加,深部巷道围岩稳定性控制已成为采矿领域的重大难题之一,深部巷道围岩控制效果直接关系煤矿井下的安全生产和人员健康。巷道开挖后,塑性区的出现是影响巷道围岩稳定的主要原因。从塑性区形成与扩展的视角出发,在整理和归纳现有巷道破坏机理和围岩塑性区理论等成果的基础上,探讨了巷道破坏模式与围岩塑性区分布的内在关系,认为巷道围岩控制从本质上来说就是控制围岩塑性区形成与扩展的过程。围岩塑性区扩展的时效特性以及锚杆支护对围岩塑性区的控制作用,成为科学有效控制巷道围岩的重要理论依据,并基于此提出巷道围岩稳定性的控制理论与技术。结果显示,塑性区是巷道开挖的产物,围岩塑性区的形成与扩展是矿山压力作用的结果,对于深部巷道,围岩塑性区的出现是必然的。科学控制塑性区需要全面认识塑性区在巷道围岩中所起的作用,既要让围岩通过塑性破坏释放体内能量,又要防止塑性区的无序扩展。因此,在巷道围岩控制过程中应以充分发挥围岩自承能力为主,支护干预为辅。深部巷道围岩塑性区的控制具有全局性和过程性,将对巷道全周期内围岩塑性区的控制划分为3个阶段,通过调控塑性区形态、抑制塑性区扩展,实现深部巷道围岩的稳定控制。

两次采动影响下小煤柱巷道切顶卸压围岩控制技术

为解决多次采动影响下留小煤柱巷道矿压显现剧烈、围岩变形量大的问题,提出了“切顶卸压+顶、帮锚索补强”联合控制技术。以贾家沟煤矿10115运输巷为工程背景,分析了切顶卸压位置、高度与巷道围岩垂直应力分布的关系,给出切顶卸压关键参数,并研究了留小煤柱巷道在切顶卸压后受两次采动影响下的矿压显现规律。结果表明:切顶卸压后,煤柱上的应力峰值随切顶深度的增加呈指数降低;10115运输巷在邻近工作面一次采动过程中巷道围岩变形依次呈现出无变形、缓慢变形、快速变形和围岩稳定的变化规律,本工作面二次采动过程中巷道围岩变形依次呈现出明显变形和剧烈变形的规律;巷道围岩在受二次采动影响时变形更加剧烈,巷道变形量为一次采动时的3.0~7.5倍。

深井跨采巷道群开采扰动模拟分析与围岩控制对策研究

针对工作面开采扰动下底板巷道围岩控制难题,以安居煤矿1315工作面跨采底板巷道群为研究背景,通过数值模拟及现场实践的方法,分析了上覆工作面回采过程中巷道围岩的应力和塑性区分布特征。研究结果表明:工作面推进至终采线100 m时,超前支承压力在水平方向影响范围约35.8 m,在竖直方向影响范围约37.8 m。底板巷道按照到工作面距离的大小先后受到回采影响,具有过程性。针对3_(上)煤底板巷道群围岩受扰动变形等特点,提出“锚网索+T型钢带+金属网”联合支护技术方案。现场监测表明,支护方案对底板巷道群围岩变形量控制效果显著,确保了工作面下覆巷道群在回采期间的稳定使用。

深部孤岛充填工作面沿空掘巷围岩偏应力演化与控制

目的 为解决深部孤岛充填工作面沿空掘巷围岩控制问题,方法 以邢东矿12216运料巷为背景,采用FLAC3D数值模拟软件,研究孤岛面临侧采空区在不同充填率条件下沿空掘巷围岩偏应力分布规律,模拟分析孤岛工作面充填开采时,工作面超前段围岩受动压影响时的偏应力演化特征。结果 结果表明:(1)孤岛工作面沿空掘巷巷道煤柱帮受临侧采空区充填效应影响较大,临侧采空区充填率增加使煤柱上偏应力峰值区呈椭圆形并逐步向采空区侧转移;(2)孤岛充填工作面沿空掘巷顶底板偏应力场形成一个朝向采空区侧的弧形低值带;(3)孤岛充填动压扰动时期,最大偏应力区位于实体煤一侧,距工作面前方8 m左右,距巷道4.3 m左右,峰值可达34 MPa。结论 结合数值模拟分析结果,提出采用“高强度锚杆+大直径高延伸率锚索”协同支护方式,现场工程实践表明,该支护方式沿空巷道围岩控制效果良好。

复采巷道过空巷交叉段围岩控制技术

以宇昌煤业复采区地质条件下回采巷道的围岩控制为工程背景,针对与空巷相交区围岩破碎支护困难的问题,对回采巷道破碎段的围岩控制技术方案及参数进行研究。采用理论计算得出回采巷道煤柱稳定的理论宽度,并通过数值计算得出交叉巷道三角区煤柱弹性核区宽度小于2 m时,需要采用架棚的支护方式维护巷道稳定;通过对掘采期间巷道围岩应力及变形的理论计算及数值模拟分析,确定了合理的架棚支护区域及支护方案;现场实测表明,采用锚网索和工字钢棚联合支护的方式,巷道变形量得到了有效控制。

特厚煤层垂直分层区段窄煤柱围岩稳定性及控制技术

针对特厚煤层垂直分层区段窄煤柱大变形失稳控制难题,采用理论分析、数值模拟及现场试验相结合的方法,对内蒙古老公营子煤矿特厚煤层窄煤柱围岩稳定性及控制技术展开研究。笔者在对窄煤柱内三向应力计算的基础上,基于摩尔−库伦破坏强度得到窄煤柱平面应变的屈服准则,定性分析了窄煤柱破坏特征及损伤程度演化规律,进一步分析了区段窄煤柱失稳机理及其尺寸效应影响规律,最后给出区段窄煤柱围岩控制关键技术,并通过数值模拟及现场试验进行验证。研究成果表明:①窄煤柱中部破坏程度大于两帮,中部自顶端向下煤体破坏程度由严重向轻微发展。随着宽高比增大窄煤柱内破坏程度及严重破坏区域占比逐渐减小,当宽高比大于1∶1,窄煤柱中下部开始出现大范围的轻微破坏区,当宽高比大于5∶3,轻微破坏区占比超过50%。当黏聚力C≥3 MPa,或内摩擦角φ≥20°时,窄煤柱两帮破坏程度转变为轻微。②工作面回采巷道一侧为窄煤柱低强度承载区,在上部高应力作用下,大范围的低应力承载区煤体向巷道位移,造成两帮持续性大变形,进而影响顶板的稳定性。煤柱高度是中、底分层区段窄煤柱稳定的主控因素,窄煤柱宽高比增大,对高强度承载区承载强度影响程度较小,而低强度承载区承载强度增加较明显,合理的窄煤柱宽高比可平衡煤柱内高、低强度承载区比例,并提高承载强度。③分层窄煤柱留设需考虑工作面两侧采空时围岩稳定性,保证煤柱内部高强度承载区范围大于煤柱宽度及高度的一半,并通过联合加强支护措施使煤柱内形成由浅入深的多重联合控制区,共同维护煤柱的自稳能力。

高地应力软岩地层敞开式TBM法隧洞围岩变形控制技术——以香炉山隧洞为例

为解决敞开式TBM在滇西地区高地应力软岩地层施工中遭遇围岩大变形而导致的支护破坏、设备频繁被卡、隧洞侵限等工程难题,通过分析围岩允许变形量与变形规律,提出围岩控制时空原则:有效初期支护施作时间为开挖后15 d内、空间位置为距掌子面30 m范围内,TBM掘进日进尺不低于2 m/d。通过不同类型的支护结构现场试验,得出控制围岩变形的有效措施为预应力长锚索主动控制变形、灌混凝土箱体H型钢拱架被动强支撑。另通过滇中引水香炉山隧洞敞开式TBM施工实践,开发出“掌子面位置刀盘扩挖预留允许变形量、围岩出护盾灌混凝土箱体拱架被动强支撑、隧洞上半圆前置式自动化喷混凝土早封闭、预应力长锚索主动控制深层围岩变形、隧洞底部自进式锚杆后补强”等围岩变形有效控制技术。

托顶煤切顶留巷围岩控制技术研究

为了解决托顶煤巷道围岩变形难以控制的问题,运用理论分析、离散元数值模拟及现场工业试验相结合的方法对义棠煤业100602工作面切顶成巷围岩控制技术进行研究,分析了不同切顶高度、采高对留巷围岩变形影响规律。研究发现,适当增加切顶高度并降低采高有利于巷道围岩稳定,并确定开采技术参数为切顶高度24 m、采高6 m。现场监测结果显示,在合理的支护策略及开采工艺参数下,托顶煤切顶留巷围岩变形控制效果良好。

破碎围岩巷道变形失稳特征及控制技术

针对破碎围岩巷道变形量大、围岩整体性差和支护困难等问题,以昌兴煤矿1460运输石门为试验地点,通过数值模拟与现场考察,研究原支护技术下巷道围岩变形失稳特征及机制,拟采用联合支护技术并对比分析围岩变形特征。研究表明:由于围岩强度低、支护方式单一、受开采动压影响和围岩中含软弱夹层,造成围岩松散破碎,稳定性差,顶板最大破坏深度达到4.80 m;提出了“锚网喷+U型棚拱形支架+注浆”联合支护技术,采用预应力锚索、高刚度U型钢棚、浅孔注浆及深孔锚注等支护方式强化围岩特性,形成多层复合加固拱承载结构,实现支护结构与围岩的相互耦合作用;数值模拟分析得出,修复后围岩塑性屈服区最大深度由5.56 m减小到1.07 m,降低了80.76%,围岩塑性区大幅度减小,围岩应力总体趋于均匀分布;现场试验表明,修复后顶底板位移量仅113 mm,两帮位移量78 mm,说明该联合支护技术方案可有效控制围岩变形失稳,维持巷道整体稳定。

淮南矿区强采动影响下煤巷锚网安全支护与围岩控制技术

淮南矿区近年来逐步进入深部开采,围岩应力高、环境复杂、软弱破碎、稳定性差、变形剧烈等工程技术难题日益突出,传统支护技术的局限性日显露,因此本研究基于淮南矿区潘三矿深井地质条件,采用理论分析、数值模拟、工业性实验、现场实测等方法针对深部强采动影响下煤巷围岩控制难题开展系统深入研究,分析了淮南矿区深部强采动煤巷围岩赋存特征,主要为埋深大、岩性变化大、巷道断面大、复合顶板较多、煤体强度较低等问题,根据淮南矿区煤巷围岩赋存特征分析了深部强采动煤巷控制技术难点;针对淮南矿区深部强采动煤巷围岩控制技术难点,建立了“应力优化-围岩改性-锚固强化”一体化协同控制技术体系,创新了“切顶卸压—注浆加固-厚锚固层强化”一体化围岩控制技术;在2121(3)运输巷道开展了工业试验,巷道回采期间运输巷道两帮最大累积变形量为436.6 mm,底板累积最大相对位移量约为390.1 mm,小于原支护方式下变形量的50%;2121(3)运输巷道顶板浅部岩层1.5~1.8 m范围存在离层和裂隙发育,深部顶板岩层完整性较好,具有较好的承载性能,可以较好的维护巷道稳定性,验证了该技术体系在深部强动压煤巷围岩稳定控制上具有较好的维控效果。

煤矿动压巷道围岩稳定性协同卸压控制技术研究

煤矿动压巷道围岩的稳定性对矿井安全生产至关重要。霍州煤电木瓜矿针对强动压巷道围岩变形量大,返修次数多,常规支护手段控制巷道围岩变形收效甚微现状,以该矿10-206工作面为工程背景,分析了动压巷道围岩变形破坏特征及规律。基于钻孔卸压原理,从改变巷道围岩应力环境入手,提出由常规“钻孔卸压”向“变孔径钻孔卸压”的强动压巷道围岩支护理念。建立变孔径钻孔卸压数值计算模型,分析了变孔径钻孔对巷道围岩稳定性的影响规律,结合现场实际工况,提出变孔径钻孔卸压技术方案,进行了工业性试验。试验结果显示:变孔径钻孔卸压技术在转移高应力的同时可以有效控制巷道围岩变形,试验巷道顶底板及两帮围岩变形量分别缩减31.5%和46.7%,帮助巷道安全,也为矿井地质条件相类似工作面巷道围岩控制提供参考。

深部向斜构造区煤泥岩巷道围岩变形特征与控制技术

针对深部向斜构造区煤泥岩大巷围岩控制难题,以水峪煤业采区运输巷为研究对象,采用现场调研、数值模拟和理论分析方法,分析了深部煤泥岩巷道围岩位移和应力分布特征,研究了适用于深部煤泥岩巷道围岩的内外承载体环形协同控制技术主要结构和原理,构建了约束混凝土支架和围岩耦合模型,分析了内外承载结构体作用下深部煤泥岩巷道围岩位移和塑性区分布特征,并在现场进行了工业性试验,应用效果良好,对类似大巷围岩稳定性控制提供一定参考。

高温碱水巷道锚杆腐蚀机理与热浸锌防腐围岩控制技术研究

针对高温、碱性淋涌水(以下简称“碱水”)条件下锚杆腐蚀破坏造成的巷道严重变形与支护失效难题,以兖煤菏泽能化有限公司赵楼煤矿(以下简称“赵楼煤矿”)5305运输巷为研究背景,通过实验室实验,分析碱水、高温共同作用下锚杆腐蚀破坏特征和力学性能衰减规律,揭示锚杆腐蚀破坏机理,进而确定锚杆热浸锌防腐关键参数,并揭示其防腐机理。研究结果表明,锚杆腐蚀呈现出由肋间“点”到锚杆“面”的渐序腐蚀变化过程;锚杆体屈服载荷、破断载荷随侵蚀时间的增大呈线性下降,延伸率随侵蚀时间的增大呈负指数函数降低。高温、碱水作用下铁离子循环发生氧化和脱水反应,生成Fe_(2)O_(3)并脱落是锚杆腐蚀破坏的内在机理;锚杆热浸锌可有效提高其耐腐蚀性能,且最佳热浸锌厚度为60μm。高温、碱水作用下浸锌锚杆表面生产稳定的ZnO钝化层可有效阻止锚杆腐蚀破坏和力学性能衰减。通过赵楼煤矿现场工业性试验,验证了锚杆热浸锌防腐与围岩控制的有效性。

综采工作面超前巷道变形机制及围岩控制技术研究

针对采煤工作面超前巷道变形量大等问题,研究了采煤工作面端部覆岩运动特性对超前巷道变形的影响,分析了超前巷道切顶卸压机理,确定了合理的切顶参数,进行了现场试验。结果表明:工作面超前巷道的变形的根本原因是工作面推进过程中弧形三角板在工作面推进方向和倾斜方向下沉运动导致其重量及其荷载作用在巷道顶板造成的,并在此过程引起超前支承压力和侧向支承压力的集中。有效切断回采巷道上方顶板与工作面顶板的联动效应后,超前巷道替代了单体架棚支护,超前巷道顶底板累计变形量和两帮累计移近量分别为未切顶的1/5和1/3。

动压影响孤岛工作面巷道围岩“卸-支平衡”协同控制技术

煤矿深部工作面回采过程中,经常受到强开采动压作用影响,矿压显现强烈,巷道围岩变形破坏程度大,尤其对于孤岛工作面,动压影响更加显著,围岩控制难度成倍增加。为了解决深部孤岛工作面强动压影响回采巷道围岩控制问题,以2308工作面为研究背景,采用理论分析、数值模拟、现场验证等方法,首先对巷道围岩结构模型进行分析,确定影响工作面围岩稳定的主要因素;进一步对煤柱宽度和钻孔卸压2种方案进行研究,并根据巷道围岩的实际变形情况,确定巷道围岩的非对称支护参数,实现受强动压影响回采巷道的“卸-支平衡”协同控制方案。经过现场实践验证,2308工作面巷道顶底板移近量为260 mm,两帮移近量为471 mm,巷道围岩的整体性得到增强,变形得到有效控制;采用“卸-支平衡”方案对受动压影响巷道围岩的控制效果显著。

顶强帮弱半煤岩巷道围岩变形特性及控制对策

针对“顶强帮弱”半煤岩巷道巷帮围岩塑性破坏范围大、锚杆支护强度不足等围岩控制难题,以某矿8#煤层回采巷道为工程背景,在围岩力学性能测试、钻孔可视化观测及声波法实测巷帮不同高度松动圈的基础上,对该类巷道围岩的力学及宏观变形特征进行了研究,得出巷帮煤层既是影响巷道整体稳定的“短板”,又是支护的“关键”。建立数值模型分析了“顶强帮弱”半煤岩巷道围岩受采动影响的变形特征、应力分布规律及承载特性,提出了强化帮部薄弱部位的围岩控制对策,并进行了工业性试验。结果表明:对“顶强帮弱”半煤岩巷道帮部煤层采用“锚杆+斜拉穿层锚索+强护表构件”的支护对策可使其处于三向压缩受力状态,约束其向巷道内挤出变形,发挥封闭及主动促稳作用。

深部大采高工作面沿空留巷围岩控制技术

综采工作面沿空留巷经历多次采动影响,矿压显现较为强烈,围岩变形量大,极易造成巷道围岩失稳。为了研究大采高工作面沿空留巷围岩控制问题,以某矿1313工作面留巷为研究背景,通过理论分析、数值模拟、现场实践等方法,分析沿空留巷围岩运动特征,提出“支-卸平衡”巷道围岩协同控制技术;加强了巷道围岩支护强度,改善了巷道围岩的应力环境。通过现场工程实践验证,1313工作面留巷的巷道顶底板变形量为246 mm,两帮变形量为442 mm,巷道表面没有明显的鼓出现象,巷道围岩变形量满足作业规程的相关规定。