错层位外错式巷道位置选择及联合支护研究

针对新巨龙煤矿1301综放工作面区段间留设煤柱尺寸较大造成的资源浪费和回采巷道支护困难等问题,本文提出采用错层位外错式巷道布置方案,建立错层位非常规煤柱力学模型,利用极限平衡理论分析了非常规煤柱应力环境和极限平衡区特征;考虑不同错距下沿底巷道所处应力环境及区段煤柱弹性应变能密度分布特征,确定下区段沿底巷道合理错距为3.0 m;同时引入区段间相邻巷道联合支护方案,对实际地质条件下接续工作面回采阶段区段间相邻巷道联合支护方案和传统支护方案进行模拟验证。结果表明:区段间相邻巷道联合支护方案优于传统支护方案,峰值应力由80 MPa降至64 MPa,降低率为20%,表明其对巷道围岩控制更为有效;区段煤柱单位留设面积为111.5 m^(2),相较于传统支护方案区段煤柱的170 m^(2),降低率为34.4%。研究结果对减少区段煤柱留设尺寸和提高煤炭回采率起到积极的推动作用。

工作面终采线外错布置冲击危险性分析及防治技术

受工作面开采布局及现场条件制约,7618工作面终采线外错7620采空区布置,给工作面安全生产带来一定影响。实测分析了7620工作面回采期间及7618工作面掘进期间微震事件分布特征,数值模拟了7618工作面终采线外错区域应力演化特征,得出随着终采线外错距离不断增加,其前方煤体内超前支承压力峰值逐渐减小,总结了终采线外错区域冲击危险主控因素包括开采深度、断层构造及采空区影响。制定了以煤体大直径卸压钻孔及顶板预裂爆破为主的冲击危险防治方案,为类似条件下冲击危险防治工作提供借鉴。

沿空掘进巷道与邻近采空区外错硐室贯通排放瓦斯技术实践

以纳林河二号矿井31120回顺掘进工作面与31121采空区外错硐室贯通为研究对象,采用超前水平钻孔接入压风管路作为进风、仰斜钻孔内安装套管伸至硐室顶板作为出风置换排放瓦斯,防止贯通时31121采空区瓦斯大量涌出至31120回顺掘进工作面或外错硐室,利用夜间掘进工作面气压高于采空区气压进行掘进贯通,并且,贯通后及时喷涂快速密闭材料、封堵漏风裂隙等特殊技术与方法,有效地解决了采空区外错硐室的瓦斯排放难题,为煤矿沿空掘进工作面揭露采空区外错硐室排放瓦斯提供了宝贵的技术和经验。

沿空工作面终采线外错诱冲机理及防治技术研究

为掌握终采线外错开采时沿空巷道围岩应力的分布规律和冲击危险,基于崔木煤矿22307工作面工程背景,通过数值模拟分析了终采线内错、外错和平齐3种情况下的应力变化特征,提出采空区顶板联动是造成沿空巷道冲击地压的主要原因,并对顶板联动条件进行了研究。研究结果表明:工作面终采线外错后与侧向采空区发生的顶板联动会带来更高的冲击危险,而顶板联动同时受厚层坚硬顶板、区段煤柱和双工作面开采宽度的影响。通过对终采线外错区域采取顶板预裂爆破措施后,微震事件能量和频次得到了明显降低,保障了末采期的安全生产。

切眼外错布置对工作面见方垮落影响研究

坚硬顶板的失稳下沉是工作面矿压显现的主要来源。在切眼外错布置条件下工作面的回采阶段,对顶板见方垮落时顶板垮落步距提出不同的计算方式。可明确出在切眼外错布置的条件下,当顶板的初次破断步距远大于“见方”来压时的步距大小,所计算求得“见方”垮落步距远高于以往计算出的垮落步距,其步距大小与两工作面切眼垂直距离相近。通过现场所收集的微震事件数据和支架阻力来验证,找到顶板见方垮落发生的时期和明显的特征变化,通过比对后可发现在外错条件下,工作面来压等异常现象有向后推延的现象。运用FLAC3D有限差分值计算方法来分析不同采动条件下支承压力的不同情况,证实切眼外错布置条件下工作面顶板见方垮落具有一定的“延迟”作用,从而为矿井在工作面见方期间,为防治动力灾害现象提供有针对性的指导。

强冲击危险孤岛工作面巷道外错岩巷布置防冲研究

针对具有强冲击危险的孤岛工作面冲击地压防治问题,从动静载、覆岩结构和统计经验等方面分析了其冲击危险性和防治难点,得出孤岛工作面受多侧“F”型覆岩结构以及开采时“T”型覆岩结构的协同运动影响,导致静载应力和受到的动载扰动远高于普通工作面,工作面两巷为防治重点。针对上述问题,提出将孤岛工作面两巷外错布置在两侧采空区下方稳定的岩层中,利用工作面开采后形成的应力降低区和采空区内松散的煤岩结构达到降载、吸能的目的。经数值模拟对比分析:当孤岛工作面分别采用留设小煤柱、宽煤柱和外错岩巷布置时,工作面两巷静载应力为外错岩巷布置<宽煤柱布置<小煤柱布置。在受到相同动载和距离的矿震影响下,外错岩巷布置受到的影响仅为留设小煤柱和宽煤柱的13%、20%。

厚煤层综放工作面外错区冲击危险分析与防治

为保证厚煤层综放工作面切眼外错区域的安全回采,以郭家河1310工作面为工程背景,采用数值模拟研究了切眼外错区域工作面前方以及区段宽煤柱中的应力分布规律。研究结果表明,1310工作面回采至1308切眼前后,外错区域及1308采空侧的宽煤柱中应力水平较高,煤柱中垂直应力呈“双峰”分布状态,煤柱中存在稳定的弹性区,能够满足护巷与防冲要求。基于冲击危险的应力判别法,对切眼外错区域进行了冲击危险预测,据此提出了大直径卸压钻孔、煤体注水、煤体爆破等卸压防冲措施,为工作面外错区域安全回采提供技术支撑。

错层位外错式沿空掘巷机理及相邻巷道的立体化联合支护技术

针对特厚煤层中应用错层位外错式沿空掘巷与相邻巷道的立体化联合支护机理展开研究。首先理论分析了错层位外错式沿空掘巷布置特点,发现:(1)沿煤层顶板及起坡下方的三角煤体保持稳定且对实体煤提供侧向支承应力σx作用,因此一侧采空情况下实体煤从上至下出现了新的变化,即侧向支承应力从0增加至σx;(2)依据巷道布置层位与侧向支承应力的不同,将特厚煤层从上至下进行了分区,分别为一侧采空实体煤分区、过渡区与弹性区;(3)布置接续工作面沿空掘巷时,其围岩处于弹性状态,巷道顶部属于一侧采空实体煤内的破碎区、塑性区,因此承载小,也即实现了围岩稳定与载荷低二者之间的统一。利用相邻两条巷道高、低不同这一立体化空间关系,提出相邻巷道的立体化联合支护技术,分析其特点包括:(1)沿煤层顶板布置巷道,主动支护可打入深部稳定岩层内;(2)通过加强一侧采空实体煤内的加固作用,为相邻沿煤层底板巷道提供锚固点;(3)底板沿空掘巷顶部支护体可深入顶板岩层、联合锚固区与过渡区,可实现全长锚固以更加充分发挥支护作用。为了验证前述理论成果,采用数值模拟进行计算分析,发现:(1)采用错层位外错式沿空掘巷技术,显著改善了沿空巷道围岩性质与应力分布现状,实现了低应力与围岩稳定二者的统一,且验证了前述对错层位外错式沿空掘巷特厚煤层纵向分区的成果;(2)零原岩应力场条件下联合支护效果较为明显,沿顶巷道顶板锚索深入基本顶段、巷帮一侧锚固段、沿底巷道顶板锚索深入岩层内与联合锚固区均出现应力集中作用,显著改善了沿底巷道单巷支护受顶煤厚度限制无法形成有效锚固点的现状;(3)在对实际工程背景的数值计算发现,与沿底巷道围岩大范围破坏且无法控制相比,采用错层位外错式沿空掘巷相邻巷道联合支护技术可显著控制沿空巷道围岩破坏范围。

含软弱夹层厚煤层巷帮外错滑移机制与支护研究

含泥岩软夹层大采高工作面回采巷道外错式变形破坏是巷道支护的新课题。通过对三道沟煤矿含软夹矸层5-2厚煤层回采巷道变形实测和围岩钻孔窥视,发现了巷道顶板存在垂直裂隙,巷道两帮破坏区集中于夹矸层附近,且具有副帮大于正帮的特征,巷道变形主要来自于相邻采空区的影响。通过数值计算和物理模拟,揭示了相邻工作面侧方支承压力导致顶板产生垂直向裂隙,引起顶板与巷道夹矸层以上煤体沿软夹层向相邻采空区外错滑移的机制。建立了含软夹矸层巷道自稳平衡拱支护模型,提出了加强巷道上帮支护,控制外错滑移破坏的控制原则,给出了顶板锚索与煤帮长锚杆加强支护方案,工程实践取得了成功。

外错高抽巷高位钻孔卸压瓦斯抽采技术

为解决相邻两工作面上隅角瓦斯超限难题和实现高抽巷＂一巷两用＂,提出外错高抽巷布置方式：沿上工作面回风顺槽侧,在煤层顶板内外错布置走向高抽巷;在高抽巷服务前期,在其内采用高位钻孔抽采上工作面采动卸压瓦斯;在高抽巷服务后期,直接采用高抽巷抽采下工作面采动卸压瓦斯;实现1条高抽巷服务于相邻两工作面,提高高抽巷利用效率。基于山西霍州煤田集团李雅庄煤矿2-603工作面地质条件,建立外错高抽巷围岩结构力学模型,采用理论分析、数值模拟、相似材料模拟及现场实测等研究方法系统分析工作面覆岩采动裂隙发育特征,研究覆岩采动裂隙分布规律,确定外错高抽巷和高位抽采钻孔布置参数;基于高位钻孔测斜结果,提出角度补偿纠偏方法及纠偏效果评价指标。高抽巷位于2煤层顶板25.0 m处,外错2-603工作面25.0 m;高位钻孔终孔位于顶板44.0 m处,水平及倾斜方向上的纠偏角分别为-3°和-2°。研究结果表明：高抽巷受2-603工作面采动影响较小,巷道断面能满足下区段2-605工作面抽采要求;高位钻孔终孔位置合理,高位钻孔抽采瓦斯体积分数高,且持续抽采时间长;采用角度补偿纠偏方法后钻孔瓦斯体积分数的最大值和平均值较纠偏前分别提高15.3%和11.6%,2-603工作面生产班、检修班上隅角瓦斯体积分数分别为0.504%~0.951%和0.467%~0.893%,解决了工作面隅角瓦斯超限难题,保障了工作面安全高效开采。

邻近采空区巷道外错布置防治冲击地压技术

为预防邻近采空区侧回采巷道繁发冲击矿压,根据动静载叠加诱发回采巷道冲击破坏模型,采用理论分析的方法,揭示了邻近采空区巷道冲击破坏机理及其冲击地压频发的理论依据,基于动静载主要构成得出了邻近采空区巷道冲击破坏的2种模式以及必要准则,从而提出了降低动静载叠加影响的邻近采空区巷道外错布置技术,并且确定了巷道降低静载避开支承压力集中区以及削弱动载以增大传播介质衰减指数为原则的巷道布置原理,最后邻近采空区巷道外错布置技术在跃进煤矿得到了成功实践,取得了明显、有效的防治冲击地压效果。

综放采场外错布置区段巷道减冲机理与关键技术

针对宽、窄、无煤柱区段巷道防冲存在的问题,提出了沿空巷道外错合理位态减冲设计方法。通过建立覆岩结构模型、底板梁-柱模型,结合现场实测等,分析"应力场特征-减冲"关系、"卸压保护空间尺度-减冲"关系,揭示了外错布置减冲机理。研究成果在华丰煤矿埋深超千米综放采场实施,确定了外错布置沿空区段巷道的合理位态,同步构建了兼顾顶板治理、支护结构减冲、易发火控制、高效掘进及开采、合理验证与预警的系统关键技术,解决了以往沿空巷道防冲难度大、变形大难以控制、难以实现无煤柱开采等相关工程问题。

外错高抽巷卸压瓦斯抽采钻孔测斜与纠偏技术

为解决李雅庄煤矿2—603工作面卸压瓦斯抽采钻孔钻进轨迹偏离钻孔原设计轨迹的难题,基于原设计钻孔的测斜结果,提出了角度补偿纠偏方法及钻孔纠偏效果评价指标。原设计151、152号钻孔的测斜结果表明：终孔位置偏斜距离分别为4.203、4.481 m,采用角度补偿纠偏方法后钻孔终孔位置偏斜距离为1.363 m。纠偏后钻孔瓦斯体积分数的最大值和平均值较纠偏前分别提高了15.3%、11.6%,且持续抽采时间增加了1～6 d。纠偏效果表明：该方法基本解决了钻孔偏斜问题,提高了卸压瓦斯抽采效果。

倾斜中厚煤层错层位外错式巷道布置及相邻巷道联合支护技术

基于倾斜中厚煤层沿空掘巷与支护技术展开研究。首先通过构建力学模型,依据基本顶最大弯矩确定基本顶的断裂位置及断裂形式,计算得在距离煤柱帮17.57 m处基本顶达到弯矩最大值23.02 MN·m,并进一步确定断裂线位于实体煤上方;结合"内外应力场"理论,确定在当前覆岩力学环境下"内应力场"范围为15.89 m;综合考虑煤柱的空间关系,分析巷道围岩煤柱尺寸,确定窄煤柱水平错距为7.37 m,竖直错距为2.40 m;综合以上分析确定区段煤柱留设尺寸范围为7~12 m,通过FLAC3D数值模拟软件对不同煤柱尺寸的应力场、塑性区分布进行计算分析,对掘进和回采两个阶段下不同煤柱尺寸条件下稳定性进行研究和验证,最终确定窄煤柱的合理宽度为8 m。然后根据倾斜中厚煤层错层位外错式巷道布置形式所具有的立体化空间形式,提出错层位外错式区段间相邻巷道联合支护技术并对其技术特点进行理论分析;基于围岩松动圈支护理论,通过计算确定区段间相邻巷道联合支护参数并利用FLAC3D数值模拟软件对区段间相邻巷道联合支护方案和矿方原支护方案进行模拟,分别从支护应力场、塑性区分布和围岩相对变形率3方面对掘巷和回采阶段下两支护方案的效果进行验证,最终结果表明区段间相邻巷道联合支护方案相对于矿方原始支护方案,更有利于巷道围岩的变形控制。

回采巷道外错布置的理论与实践

通过综合分析煤柱应力分布和破坏情况,探讨了回采巷道外错布置时巷道位置的选择原理;运用岩体极限平衡理论和逐步破坏理论,建立了上分层煤柱塑性区宽度计算方法,在此基础上提出了上分层煤柱最优宽度应大于2倍破裂区宽度且小于2倍塑性区宽度的结论;在上分层煤柱尺寸优化设计之后,下分层巷道外错距离可由上分层煤柱尺寸及其破裂区宽度加以确定。上述理论在潞安矿业集团五阳矿,应用效果良好。

含夹矸泥岩煤层巷道外错滑移机理与支护对策

为了揭示三道沟矿区含厚度20 cm泥岩夹矸的5-2号煤层巷道副帮外错变形机理,通过巷道围岩钻孔窥视、围岩变形观测和夹矸泥岩矿物成分X-衍射分析,测定出泥岩夹矸中蒙脱石含量达到55%,高岭石含量达到24%;探明了巷道顶板存在垂直裂隙,巷道副帮(煤柱帮)破坏区较大,巷道收敛变形主要由相邻工作面开采引起,巷道副帮出现较明显的外错式变形。通过数值计算分析,揭示了巷帮外错滑移破坏的机理是相邻工作面侧方支承压力导致煤柱顶板产生垂直裂隙并向相邻采空区水平移动,带动巷道副帮沿夹矸层滑移,形成外错变形。据此,提出了采用长锚杆加强副帮夹矸层上部煤体的支护对策,实践取得了成功。

特厚煤层错层位外错巷道围岩控制技术研究

针对特厚煤层综放开采煤柱留设宽度和接续工作面巷道围岩控制技术的问题,引入错层位外错巷道布置采煤法,对巷道采用"一高一低"的立体化布置形式。1301工作面采空区实体煤侧在垂直方向上分为:一侧采空区实体煤分区、过渡区、弹性区;通过理论计算外错巷道的错距为2 m,并结合FLAC^(3D)数值模拟分析了零原岩应力场下的相邻巷道交叉区域的联合支护作用效果。最终确定的联合锚固区域支护参数方案,使得巷道变形量降低,围岩控制效果明显,对矿井工程应用具有指导意义。

凤凰山矿外错高位钻场瓦斯治理技术

针对"U"型通风采煤工作面上隅角瓦斯经常超限问题,以凤凰山矿XV1306工作面为例,利用顶板"三带"划分理论对采场覆岩破坏情况进行分析,结合FLAC3D软件对坚硬顶板条件下覆岩裂隙发育和应力分布规律进行数值模拟研究.提出外错高位钻场布置方式:沿本工作面回风顺槽和下一工作面回风顺槽之间联络巷中间开掘斜巷,进入煤层顶板布置外错高位钻场,在高位钻场内分别向本工作面和下一工作面施工近水平扇形高位钻孔.确定高位钻场水平方向上距离回风顺槽外侧15 m,垂直方向上距离顶板7.5~12 m,钻孔终孔间距20 m.研究结果表明:工作面瓦斯流量稳定在10m3/min左右,采空区瓦斯抽采率达到60%以上,外错高位钻场可以显著提高钻孔覆盖范围,减少采空区垮落钻孔封堵报废数量,提高采空区抽采效率.

综放复合顶板错层位外错式沿空掘巷异型窄煤柱宽度优化研究

针对复合顶板沿空掘巷窄煤柱留设宽度以及围岩稳定性难题,以试验矿井具体地质条件为工程背景,采用现场调研、理论分析、数值模拟等方法,对综放沿空掘巷窄煤柱稳定性问题展开研究。分析了不同窄煤柱留设尺寸条件下传统综放工作面沿空掘巷“T”型煤柱围岩应力和塑性区分布特征,研究表明,传统综放工作面留设“T”型窄煤柱沿空掘巷两帮围岩塑性区呈非对称分布,顶板复合岩层破坏深度广,且窄煤柱帮处于不均衡承载状态,宽高比小,自身稳定性差,承载能力差。基于上述问题提出错层位外错式沿空掘巷技术,针对不同尺寸下异型煤柱进行数值模拟研究,结果表明,与常规“T”型窄煤柱相比,其具有优越的“堵漏风、阻变形、能承载”的护巷效果,为巷道围岩控制技术提供有利条件。

综放面沿空巷道外错式布置试验研究

根据淮南矿区综放面的地质与采矿条件,通过改变顺槽布置方式,将沿空巷道外错布置在上阶段采空区内。试验表明,采用这种方式布置沿空顺槽,可减轻巷道的矿压显现,避免巷道破坏和维修,解决沿空巷道的支护难题,保证综放面高产高效,具有显著的社会效益和经济效益。