条带煤柱膏体充填开采覆岩结构模型及运动规律

以岱庄煤矿2351膏体充填工作面为例,研究了条带煤柱膏体充填开采覆岩时空结构模型及运动规律。结果表明:随着工作面的推进,覆岩由"C"型空间结构逐渐转化成不等高支撑的铰接岩梁;工作面的直接顶板即为基本顶,初次来压步距33.6 m,前4次周期来压步距分别为18.3、8.8、13.7、9.0 m;覆岩重力主要作用在工作面前方煤壁和充填膏体上,顶板超前应力和影响范围较小,主要影响范围小于15 m;2351工作面在现行工艺技术条件下,最大合理控顶距为8.8 m,充填支架合理工作阻力为27 MPa、合理初撑力为21 MPa。

条带煤柱的突变破坏失稳理论研究

条带开采煤柱的稳定与否是条带开采成败的关键.其破坏失稳是典型的偏离平衡态的非线性过程.应用突变理论建立了条带煤柱突变破坏失稳的尖点突变模型,导出了条带煤柱破坏失稳的充要条件表达式.并根据模型对条带煤柱破坏失稳的机理进行了分析,认为条带煤柱核区率≤11.92%时,满足了条带煤柱突变失稳的必要条件,存在突变破坏失稳的可能性.

基于统一强度理论的条带煤柱设计

现有条带煤柱设计方法偏于保守,急需更合理有效的条带煤柱设计方法,以提高条带开采的煤炭采出率。基于统一强度理论,建立了合理考虑中间主应力影响的条带煤柱极限强度公式,进而将其应用于条带煤柱屈服宽度和留设宽度的解析计算,并与Wilson公式以及广义SMP准则的拓展结果进行比较,得出中间主应力、煤层黏聚力和内摩擦角的影响特性。研究结果表明:本文所得统一计算式是一系列有序解的集合,具有广泛的理论意义;中间主应力、煤层黏聚力和内摩擦角对条带煤柱设计影响显著,应充分考虑中间主应力效应和煤层强度参数变化;Wilson公式结果过于保守,广义SMP准则结果是本文统一强度理论结果的一个线性逼近。

走向条带煤柱破坏失稳的尖点突变模型

走向条带煤柱的破坏失稳是典型的偏离平衡态的非线性过程。在建立走向条带煤柱力学模型的基础上,应用突变理论建立了走向条带煤柱滑移破坏失稳的尖点突变模型,导出了条带煤柱破坏失稳的充要条件表达式。该突变模型考虑了地下水对条带煤柱稳定性的影响,认为地下水的作用主要是通过软化煤柱弹性核区的强度、降低煤柱弹性核区的刚度从而降低条带煤柱的稳定性。并根据模型对走向条带煤柱破坏失稳的机理进行了分析。为条带开采煤柱的稳定性及破坏失稳研究提供了新的理论方法。

条带煤柱设计的强度准则效应研究

条带开采广泛应用于深部煤层,合理的条带煤柱尺寸对提高煤炭采出率和保护地表地貌都具有十分重要的意义。通过总结平面应变状态下Wilson准则、Mohr-Coulomb(M-C)准则、广义Matsuoka-Nakai(M-N)准则、广义Lade-Duncan(L-D)准则和外接圆Drucker-Prager(D-P)准则等5种强度准则的统一表达式,进而建立条带煤柱的极限强度、屈服宽度和留设宽度的统一计算公式,探究条带煤柱设计的强度准则效应,并得出煤层黏聚力和内摩擦角的影响特性。研究结果表明:建立的统一计算式涵盖文献已有解,且应用非常方便;条带煤柱设计的强度准则效应显著,Wilson准则和M-C准则的结果过于保守,外接圆D-P准则应用需谨慎,应优先选用广义M-N准则或广义L-D准则;煤层黏聚力和内摩擦角对条带煤柱设计的影响明显,应充分考虑煤层的强度参数变化。该研究结果可为条带煤柱的合理设计与施工提供一定的理论指导。

条带煤柱设计中极限平衡理论的修正应用

随着采矿工业的发展,我们必须面对如何在人口密集地区进行煤矿地下开采的问题,采用条带开采无异是目前较好的解决方案。进行条带开采首要解决的问题是如何确定条带设计的理论公式。本文采用连续介质力学理论,探讨了条带开采时所需留设的合理条带尺寸。以弹塑性力学为基础,结合应力平衡微分方程和库仑准则求出了保留条带煤柱的应力极限平衡区宽度及其理论公式,理论公式经实践验证能满足现场要求。

利用矸石充填置换开采条带煤柱的新技术

提出了在煤柱中掘进巷道并利用矸石回填以置换开采出部分条带煤柱的新技术.研究了条带开采后煤柱中充填巷的布置位置、数目,并分析了置换开采前后上覆围岩的稳定性.提出在条带煤柱集中布置2条宽4.0 m、高5.0 m的矸石充填巷,巷间煤柱宽4.0 m,并进行了工程实践.结果表明,提出的矸石置换开采技术可有效控制地表变形在Ⅰ级的前提下,置换开采出条带开采留设煤柱的15%左右的煤量,同时实现矿井矸石井下处理,做到矸石不上井.

条带煤柱中的应力分析与沉陷曲线形态研究

应用从属面积法应力分析原理 ,求得了倾斜煤层及条带煤柱的应力表达式 ,证明了煤柱中的正应力及剪应力与煤层倾角 α和侧压系数 k有关 ,剪应力对煤柱强度和稳定性有影响 ;留设煤柱破坏与否决定了上覆岩层移动及地表沉陷曲线的形态 .研究表明 ,随着煤层倾角的增大 ,垂直于煤层层面方向的弯曲量减小 ,而沿煤层层面方向的滑移量增加 ;当 55°<α<75°时 ,地表沉陷曲线呈波浪形分布 ,出现两个下沉值相对最大的点 .

条带煤柱强度弹塑性理论公式的修正

条带开采是目前解决“三下”压煤的较为切合中国煤矿企业实际的方法之一 ,条带开采成败的关键是条带煤柱的长期稳定性。首先对煤矿地质条件进行分类 ,采用连续介质力学理论 ,探讨条带开采的合理条带煤柱尺寸。以弹塑性力学为基础 ,结合应力平衡微分方程和库仑准则推导出保留条带煤柱的应力极限平衡区宽度 ,利用弹性理论的复变函数模型推导出条带煤柱屈服区的宽度 ,进而推导出不同的理论公式 ,理论公式经实践证明能满足工程需要。

岱庄煤矿条带煤柱矸石膏体充填开采地表沉陷研究

针对岱庄煤矿村庄压煤严重,矿井服务年限缩短,而传统条带法开采后遗留条带煤柱储量丰富的现状,根据国内煤矿膏体充填开采技术发展水平和煤矿绿色开采的发展要求,在分析现有建筑物下开采技术途径的基础上提出了采用矸石膏体充填材料充填进行建筑物下遗留条带煤柱开采。岱庄煤矿通过对矸石膏体充填开采地表沉陷控制原理的分析研究,实施了建筑物下矸石膏体充填开采,并对地表沉陷进行了预计与实测。截至2011年6月30日,已累计回收条带煤柱560m,置换原煤23.1万t,实测地表最大下沉量只有35mm,远远小于原设计预计的300～400mm,地表变形控制效果非常好。

复采条带煤柱沿空掘巷稳定性研究

详细分析了条带煤柱复采时沿空掘巷的支护特点。顶板锚杆对沿空掘巷的总体稳定性无法起到有效的控制作用,只有提高围岩的强度,发挥围岩的自承能力才能对巷道起到有效的支护作用。针对岱庄煤矿矿2351工作面的具体地质条件确定了具体的支护方式。通过对巷道的支护效果监测分析在该支护方式下,巷道两帮及顶板在巷道开挖初期变形明显,两帮变形尤其是非生产帮变形明显大于顶板变形;由于采空区上方顶板跨落倾斜作用于非生产帮外侧,非生产帮2.2 m处所受压力大于1.0 m处所受压力;巷道掘进完成以后变形和压力仍然有所增加,但最终趋于稳定。研究表明采用高强度左旋连续螺纹锚杆加低松弛预应力锚索的联合支护方式能够保证巷道两帮及顶板围岩的稳定性。

条带煤柱复采沿空掘巷支护技术研究

分析了条带煤柱复采时沿空掘巷的支护特点,针对某矿2351工作面的实际地质条件确定了具体的支护方式。在该支护方式下通过对巷道的支护效果监测分析,认为巷道掘进完成以后变形和压力仍然有所增加,但最终趋于稳定;表明采用高强度左旋连续螺纹锚杆加低松弛预应力锚索的联合支护方式能够保证巷道两帮及顶板围岩的稳定性。

保留条带煤柱内部变形破坏演化规律研究

为研究保留条带煤柱内部变形破坏演化规律,对岱庄煤矿条带煤柱在相邻工作面开采前后进行了不同深度横向变形观测。根据观测结果,确定了该条带煤柱塑性破坏区的宽度,分析了完全破碎区、塑性破坏区和弹性核区对顶板及覆岩的不同支撑作用。认为采空区垮落顶板对上覆岩层也有支撑作用,从而减小了覆岩对条带煤柱的压力。但进入采空区后,其破坏和变形过程会保持一段较长时间。

条带煤柱的抗滑稳定性分析

本文给出了走向条带开采条带煤柱抗滑稳定性分析的力学模型。提出了确定条带煤柱稳定性主要影响因素的敏感性分析法。通过峰峰矿务局九龙口矿的条采实例。介绍了走向条带煤柱抗滑稳定性分析的方法与步骤。

短壁箱式采煤法在条带煤柱开采中的应用

为解决条带开采资源采出率偏低和充填开采成本过高的问题,采用理论分析和现场观测的方法提出了回收条带煤柱的短壁箱式采煤法。在分析"箱式混凝土墙+承重岩层"承载体受力压缩变形机理的基础上,建立了二次岩层移动力学模型,并推导出了该条件下评价混凝土稳定性的安全系数。根据煤层地质条件,确定了混凝土墙的间距、宽度及抗压强度。该技术在花园煤矿实践表明:在确保地表变形控制在Ⅰ级范围内的前提下,能多回采煤炭18万t。

断层影响下条带煤柱的留设与稳定性分析

针对淄矿集团许厂煤矿某采区的实际条件,为确保建筑物下条带开采的成功,提出了断层影响下条带煤柱的留设方法,并对煤柱的稳定性进行了数值分析。

条带煤柱及其覆岩破坏灰色关联度分析

采用灰色关联分析原理和方法,在以往研究影响条带煤柱及其覆岩破坏因素的基础上,利用灰色关联分析法构建了灰色关联度分析评价模型,以量化方法解决了评价指标因素排序问题,得出各影响因素的顺序,最终确定出主要影响因素。研究分析表明,在选取的煤层埋深、煤层开采厚度、开采宽度、煤柱宽度和煤柱强度这5个主要影响因素中,煤层开采深度和煤层开采厚度变化对评价条带开采煤柱稳定的各项因子最敏感,其次是煤柱开采宽度,而煤柱强度以及煤柱宽度的变化影响相对于其他因素要偏小些,清楚地显示出影响条带煤柱及其覆岩稳定的主要因素和次要因素。

一种分析计算条带煤柱稳定性的新方法

根据条带煤柱受力分布的特点,采用压板力学理论及弹性力学复变函数技术,提出了一种进行条带煤柱稳定性分析的新方法——应力面积迭加法。

条带开采中条带煤柱塑性区宽度分析

根据煤的变形破坏特点，对煤变形采用弹塑性应变软化模型，根据条带开采的特殊性，用三维受力单元模型来分析。通过数学运算推导出条带煤柱塑性区应力及宽度的表达式。最后，对影响塑性区宽度的几个主要因素作了分析。

锚固小条带煤柱承载能力的刚塑性分析

利用滑移线法对小条带煤柱在极限状态下的承载能力进行了初步分析。