多层坚硬顶板特厚煤层综放工作面小煤柱护巷技术

为研究小煤柱护巷巷道的稳定性及其阻隔同层位邻近采空区灾害的特征,以大同矿区石炭系坚硬顶板特厚煤层开采为工程背景,采用理论分析、实验研究、数值模拟等研究方法,从小煤柱护巷巷道的稳定性和其是否具有阻隔同层位邻近采空区有害气体能力2个角度,综合分析小煤柱的合理尺寸及其在不同采动阶段渗透率的演化特征。针对同忻煤矿石炭系煤层8210工作面沿空掘巷小煤柱开采具体的开采条件,建立了双关键层采场内外应力场叠加的力学模型,推导出双关键层条件下沿空掘巷小煤柱合理尺寸的计算关系式,理论确定8210工作面小煤柱合理尺寸为6.0 m;应用DJG–Ⅱ型煤岩渗流测试装备,研究不同采动阶段小煤柱渗透率演化特征,试验确定在第3采动阶段小煤柱渗透率较初始渗透率增大了23倍,该阶段小煤柱基本失去了阻隔邻近采空区有害气体的能力。根据理论研究结果,现场选取6 m小煤柱进行工业性试验;根据试验研究结果,开采试验过程中对小煤柱进行了改性降透措施,在小煤柱表面及顶板距煤柱帮1500 mm范围内喷射厚层混凝土(100 mm)。实践表明:工作面回采过程中小煤柱护巷的回采巷道发生了一定的变形量,但是巷道变形在安全可控范围之内,巷道稳定,可实现安全回采;开采过程中8210工作面上隅角CH4气体浓度远低于邻近8305工作面采空区CH4气体浓度,表明小煤柱经过改性降透后具备了阻隔同层位邻近采空区有害气体的能力;开采实践也进一步验证了理论和试验研究成果的合理性和科学性。研究成果可以为类似条件下小煤柱护巷技术的推广应用提供参考。

基于博弈组合赋权-云模型的坚硬顶板采场来压强度等级评估研究

为了解决坚硬顶板采场来压强度等级评估的不确定性问题,在力学分析的基础上,从顶板条件、地质条件、开采条件和其他条件等4个方面选取14个指标因素,采用序关系法确定主观权重、改进的CRITIC法确定客观权重,运用博弈论组合赋权,得到最佳综合权重,构建坚硬顶板采场来压强度等级评估云模型。通过云相似度测算,提高评估结果的精确性。以淮南张集矿区11129工作面为例,对9-2煤层上覆坚硬顶板来压强度等级进行评估,应用表明:所提方法综合考虑评价对象的主客观因素,权重分配科学合理,评估结果与实际情况一致,能为现场顶板弱化工作提供理论依据。

双厚组合坚硬顶板定向长钻水力压裂评价体系研究

针对双厚组合坚硬顶板厚煤层工作面开采过程中的强矿压显现问题,本文提出了定向长钻水力压裂方案,并基于压力实测、瞬变电磁及钻孔窥视方法从孔内、孔外、动态、静态四个方面对定向长钻水力压裂裂缝扩展进行可视化监测评价。研究成果表明:压裂过程包括钻孔周围微裂隙发育扩展,出现宏观裂缝,宏观裂缝周围微裂隙发育,出现新的宏观裂缝,直至压裂完成;钻孔径向20m范围内岩层电阻率较低,大裂缝较为发育;设计的3个钻孔压裂后影响范围基本可以覆盖整个顶板治理区域;长钻孔内各压裂段裂隙可以实现贯通,钻孔内纵裂隙、横裂隙交替发育形成三维裂隙网络;压裂后顶板微震事件总能量和总次数都显著降低,压裂层位顶板能量提前释放,表现为“高频低能”显现,工作面来压强度明显改善。

煤矿坚硬顶板灾害水力压裂防治技术监测及评估

水力压裂技术具备安全性好、施工工艺简单的优点,被广泛应用于煤层坚硬顶板灾害治理。但由于岩体的不均质性,压裂孔周围裂隙网络扩展规律复杂,水力压裂裂纹监测精度低,压裂效果评估难度大。针对上述问题,通过对比分析常见水力压裂监测方法及监测方案的差异,揭示微震监测技术的优越性,并对水力压裂效果评估技术进行了讨论。研究表明,微震监测技术具有监测范围广、灵敏度高、连续性好的优点;地面监测、井下监测、联合监测等微震监测方法适用工况不同,监测精度相差较大,应根据现场工程布置与实际岩层条件选取合适的监测方法。坚硬顶板水力压裂效果评估多采用裂缝发育长度、来压步距等间接指标,基于微震参变量直接指标的效果评估相对较少。在此基础上,提出了水力压裂效果评估精细化的发展建议。研究成果对开展坚硬顶板水力压裂现场监测、优化坚硬顶板水力压裂工程设计具有重要指导意义。

坚硬顶板工作面“见方”区冲击危险震动波反演与防治

为加强千米埋深坚硬顶板工作面“见方”阶段冲击危险监测预警的准确性,利用KJ470双震源震动波监测系统,分阶段反演工作面回采期间震动波波速分布情况,从而确定高应力分布规律。双震源CT探测与反演结果表明:(1)高应力区与地质条件变化区、工作面超前支承压力以及相邻采空区支承压力影响区具有高度一致性;(2)坚硬顶板工作面距离“见方”位置50 m时,开始受“见方”影响;(3)回采进入“见方”影响区域后,大能量震动事件超前工作面发生,并与反演的高应力区吻合。基于震动波CT反演预测结果,对划定的高应力集中区域设计卸压解危措施,提高了卸压解危的精准度,微震监测结果表明,采取卸压措施后有效降低了工作面冲击危险,验证了防治措施的有效性。研究结果可为相似工作面冲击危险监测及防治提供参考。

同忻矿8311工作面坚硬顶板破断特征与矿压显现规律研究

特厚煤层综放开采是煤炭资源开发中的一项重要课题,其开采过程中存在着一系列的难题,其中最为突出的是顶板破断引发强矿压显现。文章基于同忻矿特厚煤层8311工作面,在关键层理论基础上,采用公式计算的方法得出了坚硬顶板的初次和周期来压步距;采用离散单元软件UDEC模拟煤层开挖,得出了坚硬顶板断裂步距与结构。通过现场矿压监测,分析了坚硬顶板的来压步距、周期来压动载强度和“大小周期”现象,探究了坚硬顶板破断与矿压规律之间的关系,为特厚煤层的安全高效开采提供了有力的理论支撑。

特厚煤层坚硬顶板综放开采矿压特征及覆岩破断规律研究

同忻煤矿主采石炭系3-5号煤层,平均煤厚约为15 m,其顶板主要由砂岩和砾岩组成的坚硬顶板。上部侏罗系内赋存有四层煤层,大部分已被开采,在坚硬顶板和煤层群遗留煤柱条件下,工作面回采期间矿压显现强烈。通过对同忻煤矿8309工作面现场矿压监测,分析工作面支架循环末阻力,得到工作面初次来压步距为70~75 m,周期来压步距为10.69~44.36 m,来压期间最大工作面阻力为15873.15 kN.利用3DEC数值模拟软件对8311工作面回采过程中上覆岩层的运动规律进行模拟,随着工作面向前推进,工作面逐渐呈现“下位悬臂梁与上位砌体梁”结构,得到了上覆坚硬顶板破断、失稳、垮落的特征规律。为具有类似条件的综放工作面回采提供可靠参考。

坚硬顶板条件下迎采对掘巷道围岩控制研究

本文通过深入研究坚硬顶板条件下的对掘巷道围岩控制问题,提出一种有效的控制方案。该方案包括对坚硬顶板围岩力学特性的测试与分析、迎采技术在围岩控制中的应用以及围岩控制方案实践基础构建。通过数值模拟预测围岩变形、设置支护结构分担压力及监测分析围岩行为等手段,有效控制围岩变形,提高巷道稳定性。

坚硬顶板高压磨料射流侧向切顶煤柱卸荷技术研究

针对坚硬顶板下临空巷道存在的高应力、大变形、难支护等问题,分析了磨料射流能量分布情况,研究了磨料颗粒及高压水射流的冲击破岩作用。基于“砌体梁”原理,建立不同岩性条件下的岩层周期破断力学模型,研究了巷道侧向切顶条件下上覆岩层断裂情况,采用数值模拟分析切顶前后煤柱应力变化情况,提出了磨料射流侧向切顶煤柱卸荷技术。现场试验结果表明,采用磨料射流切顶后巷道高度变形量减小38.7%,宽度变形量减小45.8%,巷道变形得到有效控制。同时,切顶后每日最大总能量降低85.5%,平均每日总能量降低82.6%。验证了磨料射流侧向切顶对坚硬顶板的弱化效果,为坚硬顶板弱化治理提供了一种新的技术手段。

近距离坚硬顶板巷道水力控顶理论及其应用研究

为研究近距离坚硬顶板巷道水力控顶理论,通过理论分析和数值模拟研究了水力化控顶卸压时煤层载荷、巷道应力分布规律,揭示了水力化控顶卸压对巷道围岩稳定性的影响机制,阐明了该技术的工艺流程。研究结果表明:81403回风巷道未开掘时,工作面周期来压步距19 m,直接顶厚度4.84 m,基本顶厚度10.64 m,内应力区范围5.2 m;远离81401采空区侧的15#煤层荷载与巷道开掘和单向切顶后相比分别降低了20%、15%;现场观测切顶钻孔试验区域巷道高度收敛率为33.7%、巷道宽度收敛率为23.0%,巷道高度收敛率较对比区域降低39%、宽度收敛率较对比区域降低32%。采用单侧高压磨料射流钻孔切顶能使顶板岩层及时垮落,切断顶板岩层间应力传递途径,能有效改善巷道围岩应力状态,减少工作面回采巷道后期顶底板及两帮变形量,降低巷道维护难度。

坚硬顶板切顶成巷挡矸结构变形与破坏机理研究

针对坚硬顶板切顶成巷过程中挡矸结构易弯曲、偏移问题,以邱集煤矿11煤1105工作面运输巷为研究对象,构建全过程挡矸结构力学模型,并结合ABAQUS数值模拟软件分别模拟了受矸石冲击、挤压时挡矸结构受力变形情况。研究结果表明:坚硬顶板垮落矸石冲压特征明显,易导致挡矸结构横向弯曲,尤其是挡矸结构中工字钢上部变形严重,通过对工字钢顶端施加横向约束力,可有效减小工字钢变形;受矸石挤压作用,金属网发生网兜变形,并对相邻工字钢产生较大的拉应力,易造成整体失稳;工字钢间距800 mm时钢筋网变形量降低明显。提出1种新型挡矸支护方案,经现场实施监测,新方案下矸石帮变形减小了约49%,满足生产安全需要。

坚硬顶板强矿压动力灾害超前区域控制技术研究

厚层坚硬顶板条件下大采高综放工作面采场矿压显现强烈,极易引发冲击地压、矿震等灾害。为掌握坚硬顶板大采高综放开采条件下覆岩破断演化规律,采用理论分析、数值模拟、现场监测等方法,揭示了坚硬顶板岩层呈现大“悬臂梁”形式垮落及破断冲击能致灾机理,并提出了坚硬顶板分段压裂超前弱化解危技术。研究表明:低位坚硬岩层在覆岩运移过程中常以“悬臂梁”结构出现,该结构不易垮落,进而导致能量积聚,引发矿压动力灾害。而在水力压裂超前弱化技术治理后,顶板垮落步距显著减小,平均降幅54%,来压强度降幅21.67%,且有效改变了低位坚硬顶板破碎程度,扩大了工作面垮落带范围,增加了采空区矸石充填程度,达到了顶板结构改造及动力灾害有效控制的目的。

坚硬顶板破断规律及弱化治理技术研究

针对枣泉煤矿130205工作面坚硬顶板难以垮落的问题,建立一端固支一端简支的岩梁力学模型,分析了顶板破断力学特征,确定了1030205工作面顶板坚硬岩层关键层位,理论计算了基本顶初次破断步距。提出了常规钻孔与长水平定向钻孔相结合的水力压裂弱化治理坚硬顶板方案,并对工作面初采阶段采动影响规律进行分析,验证了水力压裂弱化治理坚硬顶板的有效性,指出了后续工作面开采重点弱化治理区域,为相似条件工作面坚硬顶板弱化治理提供了可借鉴的方法。

坚硬顶板高压水力切顶技术的切顶角度力学机制分析

为探究顶板的垮落倾角与水力钻孔角度对切顶卸压作用的力学机制,根据“砌体梁”关键块理论对切顶破断结构进行了力学分析,提出了基于关键块结构的“砌体梁”径向力模型与轴向力模型并进行了理论解析。运用COMSOL数值模拟软件,分析了不同角度下水力切顶钻孔的最大主应力分布特征。结果表明:切落顶板所受径向力会随垮落倾角的增加而上升,导致切顶后难以充分卸压。切落顶板所受轴向力随倾角的增加而逐渐降低,致使顶板更容易发生垮落。当水力切顶的角度小于45°时,垂直地应力对钻孔中部的压缩作用明显,对水力压裂起抑制作用。当切顶钻孔角度大于60°时,钻孔整体承受拉应力,有利于水力裂缝的扩展。

坚硬顶板周期来压覆岩破断力学机理研究

坚硬顶板破断运移规律一直是采矿领域研究的热点,针对覆岩内部破断裂隙分布不明晰的问题,以砌体梁理论中的关键块体为研究对象,建立了线性增压荷载下悬臂梁模型,根据弹性力学应力逆解法,在艾里应力函数满足双调和方程的基础上,采用叠加原理推导并验证了满足模型应力边界条件的内应力分量解析解。在此基础上,以Mohr-Coulomb屈服准则作为破断判据,推导了破断迹线隐函数方程式。采用Matlab软件计算和绘图得到了破断迹线,通过算例校验分析了岩石黏聚力、内摩擦角对破断迹线的影响规律,验证了破裂迹线求解的正确性。这对于进一步认识覆岩破断力学机理具有一定的意义。

复合坚硬顶板巷道切顶卸压围岩控制技术研究

以肥城白庄煤矿9807运输顺槽为研究对象,通过现场勘测,分析了复合坚硬顶板巷道围岩的变形特征,并根据复合坚硬顶板巷道控制原则,提出了可优化巷道围岩应力环境、抑制锚固结构破坏的“长锚索+深孔预裂爆破”协同控制技术。现场实践结果表明,采用该协同控制技术后,巷道顶板最大沉降量为34 mm,两帮最大收敛量为59 mm,实现了对复合坚硬顶板巷道围岩的有效控制。

坚硬顶板定向长钻孔瓦斯抽采技术的应用

为了解决坚硬顶板瓦斯超限的问题,本文以腾晖矿2202工作面为研究背景,通过数值模拟结合现场实践对矿井瓦斯治理进行研究,通过模拟确定瓦斯在巷道分布规律,利用高位钻孔对瓦斯进行抽排,经过现场实践验证了方案的可行性及优越性,为矿井高效、安全开采做出一定的贡献。

坚硬顶板工作面切顶卸压参数合理性研究

为研究坚硬顶板工作面切顶卸压参数的合理性,以姜家湾矿11#煤层工作面生产地质条件为研究对象,采用理论与数值模拟分析方法,给出并优化了切顶参数。研究结果为:基于工程条件,通过理论分析,得出切顶高度为11.4 m,切顶角度为1°~9°;结合理论计算,数值模拟得出在切顶角度为10°时的切顶卸压效果最佳;工作面切顶后,工作面顶板的位移相较于未切顶时的位移更大,该状态下的切顶效果较平稳,切顶后工作面应力下降了约20%,此时工作面应力集中范围扩大,并向深处延伸,采空区顶板对工作面挤压作用减小;进行了工程试验,布置了观测站,发现切顶后的顶底板移近量下降了约27%,锚杆受力下降了约24%,切顶后的围岩应力集中现象缓解。

南阳煤业综放工作面坚硬顶板控制技术研究

针对南阳煤业3#煤层顶板岩层厚度大、硬度大不易垮落的问题,提出在开切眼和回采巷道同时布置爆破孔,对顶板岩层进行爆破弱化处理。采用理论分析、数值模拟的方法确定了爆破方案及爆破孔参数,并且在南阳煤业3203综放工作面进行了现场试验。结果发现,对顶板进行爆破弱化处理后,顶板岩层垮落效果良好,顶煤冒放性明显提升,顶煤回收率可达86%。

坚硬顶板切顶合理参数模拟研究

为解决坚硬顶板难垮难落问题,基于数值模拟软件对密集钻孔卸压技术进行研究,首先对钻孔角度70°、80°、90°、100°、110°及钻孔深度5 m、6 m、7 m、8 m、9 m和10 m下顶板弱化效果进行分析,分别对不同钻孔角度及钻孔深度下切顶效果进行模拟,发现当钻孔角度为100°和钻孔深度为9 m时,顶板弱化效果最佳,此时的切顶效果最好,为后续切顶卸压方案提供了参考。