条带式Wongawilli开采煤柱失稳覆岩破坏分析

为研究条带式Wongawilli开采煤柱失稳覆岩破坏机理及岩层移动特征,结合赵屋煤矿15号煤连采一区地质采矿条件,采用理论分析、现场实测、公式计算及相似模拟相结合的方法,建立了条带式Wongawilli开采煤柱系统模型,分析了煤柱失稳机理及其对覆岩的影响。研究表明:条带式Wongawilli煤柱系统中,个别损害或者不规则(有尖角)煤柱在矿山压力及地下水侵泡等不良因素的共同作用下可能发生破坏失稳,进而引发相邻煤柱失稳,产生"多米诺"效应,从而导致整个煤柱系统失效;煤柱一旦发生失稳,开采工作面由非充分采动转化为充分采动,加剧覆岩破坏,导致地表塌陷。

深井坚硬顶板脆性煤柱失稳诱发冲击地压分析

利用理论分析、数值模拟分析、现场试验的方法,对大采深矿井应力分布、矿井工作面应力高度集中导致煤柱失稳的规律进行了分析研究,得出工作面推进过程中影响煤柱安全的范围,为采取增强巷道安全的措施提供依据。

端帮开采支撑煤柱失稳演化机制试验研究

为研究端帮开采过程中支撑煤柱稳定性演化特征,基于突变理论,推导支撑煤柱失稳判据,采用相似材料模拟试验,研究不同宽度支撑煤柱在回采及分级加载过程中,竖向应力分布形态、演化机制及两者与煤柱失稳关系,通过数值模拟验证试验结果。研究结果表明:当屈服区宽度超过煤柱宽度88%,煤柱将发生失稳;回采过程中煤柱竖向应力呈马鞍形分布,处于稳定状态;分级加载过程中,煤柱宽度由小到大依次发生剪切破坏,煤柱中部竖向应力出现突增,视为失稳前兆,可将竖向应力突变拐点作为失稳预警判据;试验中煤柱稳定性与数值模拟结果基本一致,验证了试验结果的合理性与可靠性。

小煤柱工作面煤柱失稳机理及控制技术探讨

鉴于小煤柱工作面在回采过程中受回采应力、回采工艺等影响,小煤柱出现片帮、帮鼓、底鼓等现象,分析了传统小煤柱工作面煤柱失稳机理,根据实际情况提出了“穿拉锚索+支设T型钢棚”联合支护设计,并对其可行性进行分析。应用该支护后,保证了15310小煤柱工作面后期的安全高效回采,提高了小煤柱整体稳定性。

呼吉尔特矿区厚硬顶板采场宽煤柱失稳防治研究

本文以呼吉尔特矿区门克庆煤矿3102工作面留设120m宽煤柱为案例,介绍了工作面覆岩破断、失稳机理及诱发矿震类型与过程;采空区覆岩结构演化过程中的应力场演化与能量聚集特征;分析煤层开采矿震时空分布、冲击显现特征及其与覆岩运动、开采强度等的关系,揭示煤层开采冲击主控因素与诱发机理。

急倾斜煤层工作面区段煤柱失稳机理及合理尺寸

根据急倾斜煤层工作面区段煤柱赋存特点,运用理论分析、数值模拟、现场实测等研究方法,分析了不同倾角、不同尺寸区段煤柱条件下的煤柱变形破坏特征、煤柱周围应力分布规律和影响煤柱稳定的主要因素,以及采空区的冒落、充填特征,得出区段煤柱主要受到沿倾向的剪切破坏作用出现"台阶"型破坏,急倾斜工作面区段煤柱失稳的必要条件α≥arctan(f1+f2),失稳方式为向采空区的滑落失稳,煤柱下端的底板处和上端的顶板处为主要破坏区域.结合龙煤七台河分公司新铁矿急倾斜煤层开采实际,分析得出了保证区段煤柱和采空区顶板稳定的区段煤柱合理尺寸,提出了加大区段煤柱尺寸或采空区后方煤柱上方注浆充填加固技术方案,保证了急倾斜煤层综采工作面的安全生产.

浅埋近距离煤层开采房式煤柱群动态失稳致灾机制

针对我国西部矿区浅埋近距离煤层房采煤柱下开采时易发生工作面压架、地表台阶塌陷以及矿震灾害的现象,采用物理模拟及数值模拟方法对下煤层工作面采动时上覆房采煤柱群的动态失稳过程及工作面压架机理开展研究。实测统计榆阳区部分矿井本煤层房式开采后,只有当房采煤柱的弹性核区比例大于31%时,房采煤柱才能处于长期稳定。下煤层采后的模拟结果表明:上覆房采煤柱的破坏形式及其失稳次序同其与下煤层工作面相对位置密切相关,房采煤柱依次从工作面开切眼位置、工作面位置、采空区中部位置发生破坏及失稳,且工作面开切眼和工作面位置处煤柱多发生顺向采空区的斜切破坏,而采空区中部煤柱则发生垂向压裂破坏。根据石圪台煤矿数值模拟结果显示,上部2-2煤层房采后煤柱支承应力峰值由原岩应力2. 8 MPa增大至12 MPa,应力集中系数为4. 28;当下部3-1煤层工作面采后,上覆2-2煤层房采煤柱的支承应力峰值增大至30 MPa,应力集中系数达10. 71;下煤层工作面开切眼侧与工作面正上方的房采煤柱呈现横向不均匀承载特征以及受水平拉伸变形影响,最终导致边界处房采煤柱易出现对角斜切破坏模式。两侧边界煤柱失稳后,其顶板岩层瞬间发生整体拉剪破断从而引发矿震,顶板多层岩层以"整体运动"的形式急剧快速下沉并撞击底板,将采空区中部上方的房采煤柱压垮压塌,同时巨大的冲击力进而导致上下煤层间的岩层发生全厚切落,造成下煤层工作面发生切顶压架。实验发现从上覆房采煤柱群首个煤柱发生破坏至整体失稳运动并达到稳定,历时仅约为0. 45 s,其中,上下煤层之间的岩层发生全厚切落历时仅约为0. 05 s。

条带式Wongawilli开采煤柱系统突变失稳机理及工程稳定性研究

对于条带式Wongawilli新型减沉开采技术,煤柱失稳直接导致地表沉陷,影响建（构）筑物的安全,采用突变理论和损伤本构方程,建立了采硐间狭窄煤柱和条带煤柱失稳的尖点突变模型。计算分析了条带式Wongawilli开采煤柱系统工程稳定性及突变影响参数,得出了窄煤柱与条带煤柱的突跳压缩量计算公式,通过工程实例计算与数值模拟验证了结果的合理性。研究结果表明：采硐狭窄煤柱满足突变失稳的必要条件,其所受载荷、屈服刚度和峰值载荷压缩量决定着突变的发生;当采高在2~6 m变化时,采留宽度比需控制在0.16~0.75,才可保证系统不产生突变失稳。条带煤柱保持稳定则要求其核区率大于17%,在弹塑性区宽度比小于0.21的情况下,条带煤柱可能发生突变失稳。

狭窄煤柱冲击地压失稳的突变理论分析

本文用突变理论研究了狭窄煤柱冲击地压失稳过程的机制，导出了失稳的充要力学条件判据及突变时煤柱的突跳量与释放能量的简单表达式，提出了刚度效应─—扰动触发响应失稳新理论．本文的讨论，从整体上深化了对冲击地压失稳机制的认识．

采空区煤柱失稳诱发下煤层冲击机理研究

以内蒙古某矿冲击地压事故为工程背景,对上煤层采空区遗留煤柱失稳诱发下煤层掘进工作面冲击地压机理进行了研究。通过建立基于覆岩空间结构的煤柱应力模型,对工作面开采前后煤柱稳定性进行了评价,得到了触矸点传递应力和采空区侧向支承压力叠加是诱发下煤层掘进工作面冲击地压的主要原因的结论,并提出了合理的巷道布置区域。研究结果对类似条件下的掘进工作面开采设计及安全生产具有一定的借鉴意义。

“刀把”工作面附近孤岛煤柱稳定性分析

以义桥煤矿已开采“刀把”工作面与接续工作面之间形成的孤岛煤柱为研究对象,采用FLAC^(3D)数值模拟方法研究了采动影响下孤岛煤柱体内应力集中塑性区发育情况。结果表明:接续工作面推至孤岛煤柱时,在三侧应力叠加下煤柱应力高度集中并完全塑性破坏,煤柱易失稳且易诱发冲击地压;随工作面与孤岛煤柱南端距离增大,应力集中程度随之降低,煤柱稳定性逐渐增大,冲击危险性相应减小。

基于不规则煤柱应力场特征的冲击地压防治研究

针对近距离煤层群开采过程中上煤层开采遗留大量不规则煤柱严重影响下煤层开采的问题,以济三煤矿183下05工作面为研究对象,利用FLAC^(3D)数值模拟软件建立三维数值模型,对上煤层工作面遗留不规则煤柱应力场进行深入研究,分析上煤层遗留煤柱形成高应力区对183下05工作面的影响,研究结果表明:在采空区侧向支承压力叠加影响下,三角煤柱区和窄煤柱区应力集中程度较高;随着煤柱宽度减小,应力集中程度进一步增大,冲击危险性相应增加,煤柱易失稳诱发冲击地压;3下煤层工作面开采期间,受3下煤层工作面超前支承压力与侧向支承压力影响,煤柱支承压力增高,并将会引起3下煤层局部应力升高程度进一步升高,煤体将会处于高承压状态,并且工作面开采侧煤柱应力集中程度明显高于采空区侧。通过采取煤体大直径钻孔卸压和顶板超前预裂爆破两种卸压措施,有效降低了该区域的冲击危险性,实现了安全开采。

条带式Wongawilli煤柱特征及作用机理分析

条带式Wongawilli采煤法是一种新型高效减沉采煤法,对减轻采场覆岩破坏、控制地表沉陷、减少采动对地表建(构)筑物的损害具有重要意义,而煤柱是条带式Wongawilli采煤法减沉降损效果的关键。为研究条带式Wongawilli开采煤柱特征及其对覆岩作用,阐明了条带式Wongawilli采煤法煤柱系统与顶板的相互作用机理,本文结合王台铺煤矿地质采矿条件,采用理论分析、相似模拟及现场验证相结合的方法,研究了条带式Wongawilli开采煤柱形式及特征,建立了条带式Wongawilli煤柱的结构力学模型,分析了直接顶离层情况及不规则煤柱、条带煤柱的受力与支护强度。研究表明:条带式Wongawilli采煤法由刀间煤柱、不规则煤柱、条带煤柱形成了特殊的煤柱系统,刀间煤柱起临时支护作用,随着工作面的推进,刀间煤柱随采随垮或者短时间内就失去支撑能力;不规则煤柱能对顶板的维护起到一定作用;条带煤柱是整个煤柱系统的关键。条带式Wongawilli开采直接顶与基本顶发生离层,直接顶弯曲下沉形成"固支梁"或垮落形成"悬臂梁" 2种结构,并作用于条带式Wongawilli煤柱;条带煤柱与传统条带开采煤柱类似,支撑直接顶及基本顶。不规则煤柱类似于支撑单体的形式(类单体)被动支撑直接顶,且不规则煤柱如果发生失稳破坏,条带煤柱的压缩突变量也会突增,影响其稳定性,进而影响整个条带式Wongawilli开采煤柱系统的稳定。

大倾角煤层长壁工作面区段煤柱尺寸留设模拟

以南山煤矿大倾角B8煤层区段煤柱留设为工程背景，以煤柱失稳为临界条件建立力学模型，理论计算煤层倾角40毅时区段煤柱的尺寸，得出煤柱宽度留设20m左右。建立数值模型进行验证，分别模拟煤柱宽度为5、10、15、20m条件下煤柱的应力特征、岩层失稳特征，模拟结果表明，煤柱宽度留设15.20m较合理。

大型综放工作面沿空巷道窄煤柱合理宽度确定

沿空巷道煤柱破坏失稳是典型的不连续现象。在煤柱系统力学简化模型基础上,应用突变理论方法得出了煤柱系统的尖点突变模型,进而推出了煤柱失稳破坏的临界宽度理论公式。研究结果表明:煤柱临界宽度与埋深、煤柱高度、巷道宽度、应力集中系数、侧压系数、煤层界面内摩擦角和黏聚力及煤帮支护阻力等因素密切相关。在煤柱临界失稳宽度的基础上,引入安全系数来确定窄煤柱的合理宽度。最后,经过工程实例应用,验证了该研究手段的可行性。

旺格维利采煤法刀间煤柱宽度优化研究

条带式旺格维利采煤法是一种新型高效减沉采煤法,对优质边角煤回收、控制地表下沉、提高工作面安全性等方面均具有重要意义,相较于美国、澳大利亚对旺格维利采煤法成熟的理论研究和丰富的生产实践,我国目前尚处于小范围应用阶段。为研究旺采条件下的煤柱特征,以河东矿L21001旺采工作面为背景,分析了旺采条件下的刀间煤柱受力特征,得出了旺采刀间煤柱尺寸的计算方法,提出了两种不同的刀间煤柱留设方案,并利用FLAC 3D数值模拟软件分析了不同尺寸刀间煤柱下的塑性区、巷道位移及围岩应力特征,提出了保障工作面安全回采的措施。结果表明,L21001工作面初采阶段刀间煤柱总宽度为60 m;1.5 m宽刀间煤柱起临时支护作用,随着工作面的推进,刀间煤柱随采随垮或者短时间内就失去支撑能力,采用1 m刀间小煤柱配合3.5 m刀间大煤柱时,小煤柱随采随垮,但大煤柱承载能力较强,可以保障连采机回收完整条支巷;当采硐采出后,顶板出现空顶,原岩应力向周围有支撑的煤柱转移,在煤柱周围形成应力集中,应力集中系数为2~3,煤柱有效承担了上覆岩层的载荷,使巷道及其上覆岩层处于应力降低区内。现场实测表明,支巷中部巷道的表面位移大于支巷两端,方案二顶板下沉量更小、围岩塑性区范围也较小,优化后的煤柱留设方案具有较高的可靠性,在保证安全高效生产的前提下实现了经济效益最大化。

房柱式采空区对下煤层巷道稳定性的影响分析

针对唐公沟煤矿的采矿地质条件,为确定4-2上煤层煤巷掘进引起3-2煤层房柱式采空区煤柱失稳拍击底板是否会导致4-2上煤巷失稳,利用Abaqus进行数值模拟,得出顶板大面积垮落拍击底板的冲击载荷不会对煤巷造成巨大冲击影响,不会击穿巷道,为工程实践提供了重要的指导意见。

采空区遗留煤柱微震分布规律分析

在海孜煤矿Ⅲ1012综采工作面回采过程中,以SOS微震监测系统监测到的矿震数据为基础,对工作面回采期间矿震分布规律进行了研究,结果表明:Ⅲ1012工作面采空区微震活动强度较低,能量均在105J以下,且频次较低;而其上区段采空区遗留煤柱附近微震活动较为强烈,最大能量达4.52×107J,且频次较高,分布异常集中。分析认为,上区段采空区覆岩运动处于极限平衡状态,受采动影响引发煤柱失稳,释放大量能量。分析区段遗留煤柱对矿震分布规律的影响,为工作面安全回采提供重要依据。

煤矿开采损伤数值模拟量化表征与应用

地表岩土层沉陷和生态损伤是采动损伤的主要表现形式,量化表征采动损伤是分析围岩稳定性、设计开采工艺参数和巷道支护参数的前提。本文根据现阶段常用的有限元和离散元模拟方法,提出并定义了损伤度概念,作为表征开采损伤的量化指标,即单元体塑性体积占比和接触断裂长度(个数)占比;利用损伤度量化指标优化了西部矿区高强度开采参数,分析了采动水浸条件下区段煤柱的稳定性和充水断裂构造区域巷道围岩的渐进损伤特征,获得了覆岩损伤度与工作面长度和推进速度的量化关系,可以实现开采参数的合理优化;揭示了区段煤柱采动水浸的渐进损伤特征,认为现有煤柱条件下采空区作为蓄水区域存在渗水危险;量化了充水断裂构造区域巷道围岩损伤分布特征,提出了疏放断层贯通顶板含水层+原有断层裂隙注浆加固+加强支护的解决措施。与导水裂隙带高度、煤柱塑性区发育宽度等常用损伤指标进行对比,损伤度量化指标对于采动损伤表征的敏感度更高,能够实现连续性采动损伤表征。

房式采空区失稳煤柱下回采异常矿压发生机理

针对神东矿区石圪台煤矿31201工作面在上覆房式采空区失稳煤柱下回采期间矿压显现异常问题,利用现场实测和理论分析方法,对失稳煤柱下回采矿压显现异常的机理进行了研究。结果表明:失稳煤柱下回采期间,上煤层失稳煤柱冒落覆岩断裂岩块间不能形成铰接结构,且工作面上方冒落覆岩上覆岩层断裂岩块与其前方岩层共同向下运动,从而增加了下煤层顶板受力,使工作面呈现来压步距减小、来压强度增大的特征;由于失稳煤柱覆岩对煤层间岩层的作用力相比出集中煤柱期间小,因此未发生动载矿压灾害;煤层间岩层厚度的增加将减小下煤层顶板受力,进而减小失稳煤柱下回采矿压显现强度;提出在上煤层房式采空区失稳煤柱覆岩运动较充分后再进行下煤层开采的控制措施。