斜交煤柱叠加影响下工作面应力场分布特征研究

针对近距离煤层群工作面受上方多层采空区斜交煤柱叠加影响造成采场顶板垮落、煤壁片帮和压架等问题,以沙坪矿9309工作面为工程背景,在实验室测试煤岩体基本力学参数的基础上,利用数值模拟和理论分析等方法对斜交叠加煤柱影响下工作面应力场的分布特征进行研究。研究表明:叠加煤柱造成其下方9309工作面在未开采时就处于较高集中应力状态,集中系数为2.3;受煤柱影响,工作面前方最大超前支承应力的距离随推进距离的增加而逐渐减小;工作面处于煤柱下方时,煤柱集中应力因采动影响而逐渐降低和转移,工作面前方12 m左右范围内集中应力却逐渐增加,当回采稳定后,工作面顶板受叠加煤柱影响的范围为工作面长度的72%,煤柱叠加区应力普遍在25 MPa左右,集中系数6.0左右;遗留煤柱尺寸越大,其集中应力在底板中的传播距离越远,影响范围越广,工作面顶板集中应力越大。

极近距离煤层叠加煤柱合理布留研究

沙曲二号矿井现有工作面煤柱布留方法严重制约着矿井安全高效回采,以沙曲二号矿井4#、5#煤为研究对象,采用理论分析和计算得出煤柱合理宽度;采用UDEC数值模拟,对极近距离煤层不同叠加煤柱结构关联巷道进行模拟确定5302轨道巷布置方式;采用工程试验对不同试验段进行现场矿压观测。研究结果表明:5302轨道巷前段合理煤柱宽度61.4 m,5302轨道巷后段合理煤柱宽度12.8 m;5302轨道巷前段采用小错距内错式布置方式,内错4302轨道巷5 m,5302轨道巷后段布置在距巷旁充填体12 m位置,条带煤柱对巷道围岩垂直应力影响较大,巷道顶板和两帮是围岩控制重点;5302工作面回采巷道顶底板移近量最大286 mm,两帮移近量最大95 mm,巷道支承压力在巷道掘出后逐渐趋于稳定,巷道围岩塑性区范围不大,巷道围岩控制效果较好。

浅埋近距离煤层工作面过三角形斜交煤柱开采应力演化规律研究

针对浅埋近距离煤层工作面过上覆三角形遗留煤柱开采,存在顶板局部来压强烈和区段煤柱应力集中导致的巷道大变形等问题,以寸草塔二矿31109工作面为研究背景,采用现场实测、数值计算和理论分析相结合的方法,研究过三角形煤柱两次采动叠加应力的大小和范围的演化规律,揭示两次采动区段煤柱压力变化规律和相邻巷道破坏机理,明确巷道加强支护的范围和重点支护范围与时机。研究结果表明:上覆三角形斜交煤柱对其下方工作面煤层形成应力集中,最大应力位置位于斜交区段煤柱之下;当下煤层31206工作面开采后,31109区段煤柱应力上升为最大应力,应力峰值区位于与上覆斜交区段煤柱叠合区附近,峰值区宽度为240 m,对应该区域巷道变形破坏较明显。31109工作面开采过程中,在工作面煤壁与上覆斜交煤柱叠加区和工作面区段煤柱与上覆斜交煤柱叠加区存在应力峰值区,形成应力双峰;随着工作面推进,双峰应力不断升高,且煤壁应力峰值区逐步向区段煤柱方向移动,当工作面推进到区段煤柱叠加区时,双峰合并为更高的单峰应力;在工作面出斜交煤柱时区段煤柱应力达到最大,出煤柱叠加区后应力迅速减小;总体上,31109工作面开采后区段煤柱应力峰值区最大应力高56%,峰值区范围扩大50%。区段煤柱应力升高的机理是随着工作面的推进,上覆三角形斜交煤柱尺寸不断减小,应力集中程度不断提高;当工作面推进到三角形煤柱端区时,斜交煤柱应力、工作面超前支承压力、区段煤柱应力相互叠合,形成区段煤柱应力峰值区,在工作面出煤柱时(三角形煤柱尖端)形成应力核区,引起该区段煤柱变形和巷道破坏。据此,提出在31109工作面开采前,对应力峰值区和核区巷道进行锚索和注浆补强支护,现场工业性试验取得良好效果,保障了31109工作面过三角形斜交煤柱区安全回采。

多层叠加煤柱覆岩结构特征及对下伏煤层矿压显现影响

大同矿区侏罗系煤层群开采过程中遗留多类大型煤柱,其对下伏石炭系煤层矿压显现具有重要影响。通过比值判别法和极限平衡理论等方法,确定侏罗系地层遗留多层叠加煤柱覆岩可形成"倒梯形孤岛覆岩结构",并建立"倒梯形孤岛覆岩结构"的力学模型,揭示不同尺寸"倒梯形孤岛覆岩结构"对下伏石炭系煤层影响的定量关系。分析表明,当煤柱体宽度在30~120 m范围时,"倒梯形孤岛覆岩结构"使石炭系煤层应力场较原岩应力提高了91%~259%,当叠加煤柱体宽度为80 m时对石炭系煤层影响最大。现场微震监测表明,石炭系煤层8104工作面在通过侏罗系大型重叠煤柱区域时,微震事件密集分布,微震事件能量级别较高(达到10~6 J),理论分析和现场监测具有较好的一致性,研究成果可为石炭系煤层工作面通过侏罗系遗留大型叠加煤柱体时顶板管理、强矿压显现预测与控制等提供理论支持。