“三下”采煤保护煤柱强度与新支护技术理论研究

"三下"采煤既要保证安全,又要科学合理地索取地下资源。探讨目前"三下"采煤保护煤柱强度研究现状,针对"三下"采煤保护煤柱的处理方法不足,提出实行打锚杆、灌浆、矸石堆积等处理方法对"三下"采煤进行保护煤柱,在同等保证"三下"采煤安全的前提下,可索取更多煤炭,并对3种方法进行了理论研究。以神华宁夏煤业集团有限责任公司鸳鸯湖矿区红柳矿井"三下"采煤情况为依托,探讨采用保护煤柱进行处理的经济可行性。

煤柱强度与变形特征的实验室试验研究

按照宽高比和完整性设计2种实验方案,采用实验室试验的方法研究煤柱强度与变形特征。实验结果表明:宽高比增加肯定能够提高煤样的变形能力,因受完整性影响其强度提高具有不确定性,说明宽高比增大对煤样变形具有明确的正面影响,但对其强度影响不确定;不论煤样的完整程度如何,其整体变形能力随宽高比增大而提高,煤样强度上限也随着宽高比增加而增大,但其强度下限值却呈现参差不齐的特征,表明煤样完整性对其强度的提高具有不确定性。

中厚煤层小煤柱沿空掘巷“卸压-加固”围岩控制成套技术研究

为了解决中厚煤层沿空掘巷支承应力大、变形严重等问题,提出了以“超前切顶卸压+对拉锚索注浆加固+巷内辅助支护”为主体的中厚煤层小煤柱沿空掘巷“卸压-加固”围岩控制成套技术,并以乌兰木伦煤矿中厚煤层工作面为技术背景,利用理论计算和数值模拟,分析了中厚煤层小煤柱沿空掘巷“卸压-加固”围岩控制关键参数。研究结果表明:煤柱及巷旁支护体支撑阻力为2891.2 kN,当煤柱宽度为4 m,小煤柱内布置3根对拉锚索时,小煤柱的支撑强度满足要求;当采用Φ194 mm×8 mm的钢管配合C40等级的混凝土进行巷内辅助支护时,沿空掘巷能够满足长期使用要求。“卸压-加固”沿空掘巷煤柱塑性程度明显降低,煤柱和巷道变形量显著减少,煤体侧支承应力影响深度仅2.12 m。现场应用表明,中厚煤层小煤柱沿空掘巷“卸压-加固”围岩控制技术能够有效控制沿空掘巷围岩变形量,应用效果显著。

条带煤柱稳定性理论与分析方法研究进展

条带开采作为保护地面设施的有效措施在我国的很多局矿得到广泛应用。本文就煤柱载荷、煤柱强度、煤柱稳定性与煤柱尺寸的确定三方面系统介绍了条带煤柱稳定性理论与分析方法，并对其中的影响因素进行了详细分析。

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。

回采巷道煤柱临界宽度理论计算方法

为填补长壁工作面回采巷道煤柱合理尺寸设计的理论计算之空白,根据Hustrulid(1976)提出的煤体实验室标准试件强度值与现场临界立方体试件强度值的计算公式和Bieniaws-ki(1969)煤柱强度计算公式,推导出了回采巷道煤柱临界宽度理论计算公式。该计算方法及其理论解,在回采巷道煤柱合理尺寸的确定方面具有重要的理论价值和工程应用价值。

南梁煤矿区段煤柱留设宽度优化设计

为优化南梁煤矿区段煤柱宽度,通过对20m区段煤柱应力进行现场应力监测表明,20m区段煤柱未达到煤柱的破坏强度,煤柱尺寸有减小的潜力,并采用数值模拟分别对留设煤柱宽度为15m、14m、13m、12m时的煤柱应力、塑性区进行分析,模拟结果表明,在煤层埋深135m的条件下,14m的区段煤柱稳定,其应力峰值小于煤层长时强度,区段煤柱核区率大于65%保持稳定;而13m的区段煤柱容易发生失稳。

条带开采充填对煤柱稳定性影响分析

基于莫尔-库伦强度理论及煤柱强度经验公式,推出了不同充填率引起煤柱强度增量的计算公式,提出了界限充填率的概念,分析了条带开采充填对于煤柱宽度的影响。结合实例,得出充填提高煤柱强度、减小煤柱宽度、利用界限充填率的概念,为煤柱尺寸优化及支护手段的选取提供参考。

房柱式采空区遗留煤柱稳定性综合评价研究

采空区内遗留大量煤柱对煤矿安全生产存在重大隐患。为评价采空区内遗留煤柱的稳定性,以房柱式采空区内遗留的大量煤柱为评价对象,采用定性与定量评价相结合的综合评价法,从煤柱宽高比、煤柱面积比率,煤柱强度与载荷计算,煤柱保持稳定最小宽度等方面对房柱式采空区遗留煤柱稳定性进行评价,并结合实例进行了分析和评价,评价结果可为采空区的治理等提供理论依据和工程指导。

条带充填开采煤柱宽度和开采宽度的确定

文章通过对条带充填开采煤柱载荷和煤柱强度的理论分析,提出了条带充填开采所需留设的合理煤柱尺寸及开采宽度。

房柱式采空区遗留煤柱稳定性的评价与研究

现阶段房柱式采空区塌陷是老矿区煤矿生产的主要地质灾害之一,对我国机场、铁路、高速公路建设,水利水电工程建设,以及西气东输等公共基础设施建设都有重大的影响。采空区内煤柱的大量遗留是导致煤矿发生此类安全事件的主要原因,因此,开展房柱式采煤采空区遗留煤柱稳定性的评价已显得十分必要和重要。在此背景下,本文采用定性分析和定量分析的方法对遗留煤柱的稳定性进行了评价,并结合实际案例进行了具体分析,希望通过本文的研究能够为相关人员治理采空区遗留煤柱稳定性提供一定的理论依据。

双巷掘进合理区段煤柱宽度研究

综合采用理论分析和数值计算方法,提出了双巷掘进区段煤柱合理宽度确定原则和方法。首先结合改进的Mark-Bieniawski煤柱强度计算式,求得区段煤柱强度分布规律。然后采用FLAC3D数值计算方法,研究得到区段煤柱应力分布规律。综合煤柱强度和应力分布规律可得区段煤柱强度安全系数及煤柱宽度。工程实践表明,该方法合理可靠。

基于室内试验的条带煤柱稳定性研究

对建新矿13煤进行了室内力学性质研究,研究了煤岩的尺寸效应,得到了建新矿13煤煤岩体单轴抗压强度为6.928MPa;进行三轴压缩试验确定该层煤符合摩尔-库仑弹塑性力学模型。以试验研究结果为基础,结合建新矿的实际情况,在选定采出条带宽度25m时,应用FLAC3D对条带开采进行煤柱应力和地表最大下沉分析,并研究煤柱稳定性。结果表明选择20m宽度的煤柱时,可以保持煤柱稳定性。基于室内煤岩试验研究的结果,采用数值模拟的方法,通过多方案条带开采研究煤柱安全性,在减小煤柱尺寸的同时,确保煤柱安全稳定,避免仅仅使用经验公式计算带来的盲目性。

大采高工作面合理煤柱尺寸留设研究

针对寺河矿采掘衔接紧张、采区煤柱损失大的问题,通过数值模拟、煤柱受力分析及煤柱强度测试,开展了大采高工作面合理煤柱尺寸留设研究,结果表明：煤柱宽为35 m时,巷道围岩变形量小,受压小,为较合理的煤柱尺寸;对煤柱强度进行测试可得,W13012巷和W13013巷之间煤柱煤体强度值大部分集中在10-20 MPa,煤体强度平均为16.05 MPa,煤体中等硬度,煤柱浅部强度值普遍小于深部强度值;对煤柱受力进行分析,在受超前压力影响期间,距巷道表面较近的煤体逐渐被压裂破坏,而经过煤柱的峰值点后,煤柱在受超前压力期间和滞后压力期间受力基本恒定,煤柱应力只有一个峰值且峰值位置右侧1 m范围内应力均达到自身极大值,说明在此支护强度下此煤柱宽度的4倍宽度是极限的煤柱宽度。

水岩作用下区段煤柱合理宽度研究

采空区积水与煤岩作用会弱化区段煤柱强度而引起煤柱逐渐破坏和失效,水岩作用是区段煤柱合理宽度设计必须考虑的关键因素。以内蒙古鄂尔多斯新街矿区某矿31采区与33采区间煤柱留设为工程背景,开展了单轴压缩实验和理论分析,结果表明:水岩作用对煤体强度参数弱化产生显著影响,区段煤柱积水侧塑性区宽度随煤体强度弱化程度的增加而扩大;基于区段煤柱保持稳定的基本条件,计算得到区段煤柱合理的理论宽度为53.62 m。利用FLAC3D模拟了水岩作用的过程,分析了不同宽度煤柱的稳定性特征,结果表明:煤柱宽度较小时,采空区积水弱化作用对较高应力集中的弹性核区具有更强的破坏能力;随着煤柱宽度的增大,弹性核区应力集中程度降低,采空区积水侧垂直应力低于原岩垂直应力的区域范围则有所增大,煤柱两侧应力集中分布趋于均匀,采空区积水弱化作用对弹性核区的影响不再显著。综合理论计算与数值模拟结果,确定区段煤柱宽度为70 m。工程应用结果表明,70 m宽留设煤柱可以有效承载顶板压力,巷道围岩变形小,锚索受力稳定,保障了矿井安全生产。

沿空掘巷窄煤柱宽度合理留设研究

以西铭煤矿3045大采高综采工作面为背景,运用煤柱强度公式计算得出合理的窄煤柱宽度,另数值模拟了分别在3、5、7 m时煤柱的应力分布及围岩的变形规律,经对比最终确定了窄煤柱的合理宽度,为其他类似大采高综采工作面沿空掘巷窄煤柱的留设提供了借鉴。

小煤柱开采对应留设宽度的合理化设计

为了解决传统宽煤柱开采回采率低、煤炭资源被浪费等问题,以3045工作面为例,在分析其地质、煤层以及岩层等情况的基础上,分析了该工作面采用小煤柱开采的可行性。同时,基于理论计算得出最佳留设宽度为5.2 m,基于数值模拟对不同留设宽度对应煤柱的应力和变形情况进行对比,得出最佳留设宽度为5 m,最终通过权衡理论计算和数值模拟手段确定最佳煤柱留设宽度为5.2 m。

岩石力学与部分开采

本文从岩石力学的观点,引用美国康诺柯(Conoco)公司所属煤矿的实验室和现场实测资料,对部分开采(如条带式、房柱式)的顶板岩层与煤层的形变特征进行研究,并论述了底板的稳定性,介绍了煤柱设计方法,其成果可供采矿工程师在改进现行设计、制定“三下”或承压开采方案时参考。