宽高比对煤柱型冲击地压影响规律的实验研究

我国深部煤炭开采日趋复杂,区段煤柱在采动、构造或坚硬顶底板影响下极易诱发煤柱型冲击地压,煤柱型冲击地压的防治已成为煤矿安全高效开采的难题,研究不同宽高比条件下区段煤柱的力学性能及冲击破坏特性对煤柱型冲击地压防治具有积极意义。采用不同宽高比煤样的“岩-煤-岩”组合体进行了单轴压缩实验,通过分析煤岩组合体的冲击倾向性、动态破坏特征、分形维数和声发射特征参数等,研究了宽高比对煤柱冲击破坏的影响规律。结果发现:①煤柱的宽高比对煤岩组合体的冲击倾向性具有显著影响,宽高比不小于2∶1时,其冲击能量指数K_(E)为1.82~2.65,冲击倾向性无明显变化;小于2∶1时冲击倾向性呈先升高后降低的趋势,1∶1时K_(E)最大,达到了15.43。②随宽高比减小,煤岩组合体破坏特征依次表现为:拉压破坏—压剪破坏—拉剪破坏。煤柱宽高比为5∶1~3∶1时,煤岩组合体破坏较为缓慢;宽高比为2∶1时开始出现片状煤屑弹出,冲击破坏剧烈程度较低;宽高比为1∶1和0.75∶1时,具有明显的冲击破坏特性;宽高比为0.5∶1时,煤岩组合体整体稳定性下降,相对0.75∶1煤岩组合体煤柱破坏的剧烈程度降低。③峰后声发射能量释放率与分形维数D变化规律相似,均随宽高比减小呈先升高后降低的趋势。宽高比不小于2∶1时,煤岩组合体破坏过程中能量持续释放时间较长,煤柱破坏平缓;宽高比为1∶1时,能量释放率和D值明显增大,相较宽高比不小于2∶1煤岩组合体的能量释放率增大了约4倍,D值增大了0.18~0.23,煤柱冲击破坏最为剧烈;宽高比0.75∶1煤岩组合体能量释放率与D值分别降低了约10%和0.01,破坏剧烈程度与1∶1煤岩组合体相近;宽高比减小至0.5∶1时,相关参数的降低幅度约为0.75∶1煤岩组合体的6倍,破坏剧烈程度相对较小。研究表明:宽高比对煤柱的冲击破坏具有显著影响,整体上,煤柱冲击破坏剧烈程度随宽高比减小(5∶1~0.5∶1)呈先升高后逐渐降低的趋势;煤柱宽高比大于3∶1时,煤柱冲击危险性相对较小,煤柱宽高比为1∶1和0.75∶1时冲击危险性较大,0.5∶1次之。

河流下综放工作面覆岩破坏特征和陷落柱防水煤柱留设研究

目的长平矿Ⅲ2317工作面在开切巷处揭露陷落柱,地表丹河流向与工作面推进方向一致,受采动影响,陷落柱内部水体及河水可能通过开采裂隙导入回采空间,从而造成工作面突水。针对以上问题,方法本文采用理论分析、数值模拟和现场观测等方法,对回采工作面覆岩“两带”高度、覆岩破坏特征和陷落柱煤柱留设宽度进行研究。结果结果表明:工作面顶板垮落带与导水裂隙带最大发育高度分别为18.38,93.85 m,河水对工作面不构成突水威胁;无煤柱开采时,陷落柱一侧顶板裂隙沿陷落柱胶结面向上高度发育;结合理论计算和数值模拟分析,确定煤柱宽度为35 m。工作面在留设35 m煤柱条件下安全完成回采,地表变形特征符合预期,最大下沉量达到4000 mm,回采过程中工作面未发生突水事故。结论研究结果可为类似条件下的煤层安全开采提供理论和经验支撑。

深部特厚煤层综放沿空掘巷煤柱优化及巷道支护

为研究深部大采高综放工作面窄煤柱沿空掘巷巷道矿压控制问题,以国能宁煤集团枣泉煤矿2^(-2)特厚煤层130203大采高综放工作面回风巷道为背景,基于实用矿山压力理论,建立了巷道围岩内、外应力场动态结构力学模型,运用理论计算和数值计算针对不同尺寸煤柱煤体应力对比分析,将原留设15 m护巷煤柱缩小至5 m进行了煤柱优化。结果表明:在稳定的内应力场掘巷有利于巷道的稳定性,避免了顶板事故及冲击地压相关灾害的发生,现场5 m小煤柱护巷工程应用中,130203回风巷道小煤柱侧变形量为1050 mm,实体煤帮变形量为400 mm,两帮呈现不对称性变形,底板局部底鼓量为1400 mm;深部特厚煤层综放开采沿空掘巷采用5 m小煤柱护巷方案设计正确,极大改善了巷道围岩的应力环境,整体设计满足生产要求,现场应用良好。130203工作面小煤柱沿空掘巷技术成功应用,为矿井开采提供了可靠的科学依据。

西部大采高工作面保护煤柱宽度优化研究

保护煤柱尺寸一直是三下开采研究的热点问题,特别是在西部大采高软弱覆岩特厚煤层开采条件下,其对地表建筑物安全的影响有待进一步研究。以榆树湾井田20119工作面为例,综合利用数值模拟和概率积分法确定了合理保护煤柱宽度,并进行现场验证。结果表明:随着煤柱宽度的减小,地表沿X方向的水平移动呈现倒“S”型趋势,沿Y方向的移动呈现倒“U”型趋势,地表的最大下沉量随煤柱宽度的减小而不断减少;结合概率积分法对保护煤柱宽度进行预计,确定优化后的煤柱宽度为180 m;对现场村庄进行实时监测,地表下沉和倾斜值均满足现场施工要求,验证了保护煤柱宽度的合理性。

大采高工作面回采地表移动规律分析

为了准确保护井田范围内的建筑物,需要准确掌握工作面回采导致的地表移动规律。本文通过数值模拟方法分析不同煤层采深、基岩厚度、煤层采厚工作面开采对地表下沉的影响,并对某矿201大采高工作面地表布置位移观测线进行地表沉陷位移实测。研究结果表明:工作面回采过后地表下沉量随煤层采厚、基岩厚度和采深的增加而增加,对地表下沉量影响最大的为开采厚度,其次为采深和基岩厚度,工作面的回采会产生地表移动盆地,工作面回采导致的地表沉陷面积大于工作面的回采面积,研究所得该工况下地表移动基本参数,可为该区域及类似工况下地表建筑保护提供理论参考。

煤层隐伏露头附近工作面开采水害安全性研究

张集煤矿浅部煤层隐伏露头区域工作面开采受到上覆松散含水层的威胁,1306工作面原设计采用分层开采,工作面产量和效率难以提高,通过FLAC^(3D)数值模拟、类似地质条件矿井综放或大采高综采的覆岩破坏规律进行分析,选取较大的垮采比和裂采比预计“两带”高度,并与综放开采“两带”高度经验公式预计进行对比,采用“最小安全厚度”法选取保护层厚度,确定了防砂安全煤岩柱的高度以及开采厚度。结果表明,1306工作面开采区域最小基岩厚度大于全厚综放开采所需最小防砂煤岩柱厚度,工作面可采用全厚综放开采至设计停采线结束,有利于矿井实现高产高效安全开采。

余吾煤矿井下矸石巷道充填技术研究与应用

为提高岩巷的施工速度,余吾煤矿采用盾构机掘进,由此产生了大量的矸石。在对比综采矸石充填、综采膏体充填和巷道充填3种不同矸石井下处理方式优缺点的基础上,确定采用巷道充填。建立了掘进巷道应力分布的模型,推导了煤柱宽度的计算公式,采用等效采高计算得出煤柱的宽度为15 m。结合现场的实际情况,确定了矸石物料的运输路线以及主要设备。实践结果表明,采用巷道充填的方式井下就地处理矸石,经济社会效益显著,可为类似条件下的矸石处理提供借鉴。

大采高工作面小煤柱沿空掘巷煤柱宽度优化及围岩控制技术研究

以马泰壕矿3103辅运顺槽为研究对象,采用现场监测、内外应力场和极限平衡区理论、数值模拟等相结合方法,对大采高工作面小煤柱沿空掘巷煤柱宽度进行研究。研究表明:现场监测煤柱支承压力分布规律,最终初步设计沿空掘巷留设小煤柱宽度为6~10 m;理论计算显示,小煤柱宽度合理范围为6.0~8.1 m;数值模拟表明,煤柱宽度大于6 m时,煤柱具有一定承载能力,煤柱上方和巷道顶板出现核心弹性区,有利于发挥锚固作用,煤柱宽度越大,应力集中现象越明显,综合考虑小煤柱宽度为6 m。基于此,提出了“锚网索支护+卸压+滞后沿空侧注浆加固+回采期间周期来压附近补强支护”围岩控制技术,现场应用效果良好。

永红煤矿大采高综放开采小煤柱沿空掘巷技术的实践

永红煤矿以往传统留设38~45 m区段大煤柱造成资源严重浪费,以15102特厚煤层大采高综放面为工程背景,采用理论分析、数值模拟和现场观测方法,对小煤柱沿空掘巷技术进行实践研究。计算得到小煤柱宽度上下限,确定合理的小煤柱宽度为6m,对掘进和回采期间小煤柱沿空巷道支护进行设计。结果表明:采用6m小煤柱沿空掘巷技术能有效控制掘进和回采期间围岩稳定性,可显著提高资源回收率。

一种基于弹性理论的大采高区段煤柱合理尺寸计算方法

不同工况下区段煤柱两侧支承压力分布及岩体变形存在显著差异,考虑煤柱两侧不同支承压力对煤柱整体稳定性的影响,基于大采高区段煤柱的弹性力学计算模型,分析了支承压力下煤柱任一单元岩体的应力应变分量。通过建立大采高煤柱弹塑性界面上岩体的柱条模型,确定在0.65倍煤柱高度处单元岩体将首先发生水平拉伸破坏,利用虎克定律提出了该单元岩体极限拉应变与煤柱极限平衡区宽度的关系式。依据煤柱破裂区岩体的受力特征,运用摩尔库伦准则推导了煤柱破裂区宽度的计算公式。结果表明:①煤柱极限平衡区宽度与岩体极限拉应变和弹性模量反相关,与煤柱埋深和煤柱高度正相关;②煤柱高度及其与顶底板的界面摩擦角是影响破裂区宽度的关键性因素;③煤柱两侧不同工况下,煤柱岩体极限拉应变与其所受侧压呈正变关系,区段煤柱采空区侧所受侧压较巷道侧偏大,采空区侧岩体的极限拉应变也相应较大,表现为采空侧极限平衡区宽度较巷道侧偏小。最后,将上述理论公式应用于陕北某矿30109工作面大采高区段煤柱极限平衡区和破裂区宽度的分析计算,给出了该工作面两侧区段煤柱的合理宽度及其支护方案。工程应用表明,30109工作面区段巷道围岩变形控制效果良好,满足现场生产需求。

近距离煤层错层位切顶卸压护巷技术

针对近距离煤层开采时,上层煤开采会对下层煤产生采动影响,导致下层煤邻近回采巷道围岩变形等问题,提出了近距离煤层错层位切顶卸压护巷技术。分析了错层位切顶卸压护巷技术原理,推导出近距离煤层错层位切顶高度的计算公式,给出错层位切顶的关键参数,研究了错层位切顶卸压护巷效果。结果表明:通过错层位切顶主动调控顶板断裂位置可缩短悬臂梁长度,同时切落后的岩石因受到采空区与夹层的缓冲作用减少能量向下传递,有效保护了下层巷道的围岩稳定;错层位切顶高度的确定需考虑顶板垮落的矸石对本层位空区与下分层空区的充填效果,以及层间岩石的垮落影响。现场工业性试验发现,错层位切顶后,动压巷道底鼓量由3.0 m降至0.5 m左右,降幅为83%。

小煤柱开采煤柱宽度确定及支护设计

针对大采高综合机械化采煤工作面留设煤柱开采方式对应的支护方案开展研究,在对3045综采工作面地质条件分析的基础上,基于数值模拟手段确定了适用于该工作面的合理煤柱宽度;对所设计煤柱宽度巷道的锚杆+锚索的联合支护参数进行设计,并通过实践生产验证了支护参数对巷道围岩控制的有效性。

预留煤柱形状对煤矿工作面稳定性的影响研究

煤矿开采过程中常需预留煤柱支撑上部岩体,预留煤柱的径高比和大小不尽相同,对工作面的稳定性影响较大。通过对煤体及煤岩组合体进行不同径高比下的单轴压缩数值模拟试验,分析煤体和煤岩组合体的力学性质及破裂过程,研究不同径高比预留煤柱对工作面稳定性的影响。结果表明:(1)随着径高比逐渐增大,煤体和煤岩组合体峰值强度同步增大,煤体先由脆性向延性转变,随后又由延性向脆性转变,煤岩组合体也由脆性破坏向延性破坏转变,延性逐渐降低;(2)随着径高比逐渐增大,煤体及煤岩组合体主要以劈裂破坏为主,且引起煤体裂纹破坏的扩展方向动态变化,煤岩组合体随煤体的劈裂破坏而破坏;(3)随着径高比逐渐增大,煤岩组合体与煤体的峰值强度差值也变大,煤体峰值轴向应变随着径高比的增大无明显变化,煤岩组合体峰值轴向应变呈一定程度增大,且当D/L=0.8时,峰值轴向应变较高。

采空区侧超前切顶沿空掘巷围岩稳定特征研究

沿空掘巷可以有效缓解煤炭开采过程中的浪费问题,提高采出率。窄煤柱的合理尺寸将会影响到工作面的安全高效开采。基于某矿井221上01工作面轨道巷工程地质条件,通过理论分析与数值模拟,研究确定了轨道巷留窄煤柱沿空掘巷的合理煤柱尺寸,提出了采空区侧向顶板超前预裂断顶,优化区域应力环境,并分析了深孔预裂爆破切顶的技术参数,确定了最终的实施方案。结合采场侧向支承压力分布规律及锚杆安设原则,理论计算出窄煤柱的合理宽度在4.47~5.52 m。采用FLAC3D数值模拟分析了煤柱宽度为分别为3 m、4 m、5 m、6 m、7 m条件下的围岩状态,从应力、位移、塑性区3方面综合分析,确定最佳煤柱尺寸为5 m。结合FLAC3D有限差分软件,分析对比了不同切顶角度以及高度的情况下,巷道围岩的应力状态,垂直位移以及塑性区分布;选取了切顶高度15 m,切顶角度10°为切顶的最佳参数;结合深孔预裂爆破裂缝的形成机理,并依据大部分爆破工程经验给出本次爆破切顶所涉及的相关爆破参数。结果显示选择恰当的切顶参数可使得煤柱尺寸应力集中越小,验证了爆破参数的可行性。

软弱煤层大采高工作面区段煤柱留设研究

该文以长平煤业4203大采高工作面为背景,通过FLAC数值模拟软件,分析煤柱内部应力及塑性区分布情况,最终确定区段煤柱留设宽度为25 m。经现场实测,回采工作面推进前方侧向支承压力呈“马鞍形”稳定分布,4203工作面回风顺槽巷道表面变形观测顶底板最大移近量57 mm,两帮最大变形量38 mm,满足维持巷道稳定要求。

四台矿综采工作面煤柱宽度优化研究

针对四台矿80315工作面留设煤柱宽度大导致的煤炭资源浪费问题,采用公式计算法以及煤柱应力分布分析法,确定煤柱合理宽度为17.62~23.34 m。矿压监测以及钻孔煤柱结构观察分析结果显示,优化煤柱宽度后巷道围岩和煤柱均能保证稳定。

厚煤层大采高工作面双巷一次自成巷支护技术研究

无煤柱自成巷技术对于缓解采掘衔接紧张、减少煤炭资源浪费具有重要作用,然而目前无煤柱自成巷多用于薄及中厚煤层且一般为单留巷,为此,开展了厚煤层大采高工作面双巷一次自成巷支护技术研究,结果表明:在厚煤层无煤柱自成巷中,切顶深度达到3倍采高以上,能够显著改善巷道侧位移和应力;厚煤层大采高工作面无煤柱自成巷临时补强支护采用单元支架较采用单体液压支柱巷道顶底板移近量降低47.8%,两帮移近量降低53.8%;厚煤层大采高双巷一次自成巷主体支护采用切顶卸压结合恒阻大变形锚索,自成巷滞后采空区不同区段补强支护采用单体液压支柱和单元支架,能够有效控制留巷变形,取得了良好的效果。

无煤柱自成巷切顶高度与切顶角度参数研究

无煤柱自成巷的关键技术在于控制聚能预裂爆破的切顶高度与切顶角度,在理论层面上对比分析了传统非聚能爆破与聚能爆破的作用机理及裂纹扩展范围。以郭屯煤矿4306工作面为案例,通过UDEC软件模拟了不同切缝高度和切缝角度对顶板垮落形态与支承压力演化趋势的影响。结果表明:聚能预裂爆破的优势在于有效控制了应力波的传播方向,增加了能量利用效率。增大切顶高度可以增加采空区矸石对顶板的支撑效果,但会增加对巷道顶板的力学传递作用。增加切缝角度有利于顶板垮落,但对巷道的封闭性较差。同时指出切顶高度越高,巷道围岩卸压程度越好,切顶角度与顶板卸压效果无明显关系。

大采高回采巷道保护煤柱局部变形特征监测分析

回采巷道煤柱的局部变形是巷道失稳和破坏前兆,由于地下水对保护煤柱的侵蚀作用,在一定程度上影响巷道的稳定性。本文以斜沟矿18503大采高综采工作面为工程背景,采用数值模拟软件COMSOL对煤柱在无支护、有支护条件下的孔隙水压力进行模拟计算,总结出回淹巷道保护煤柱的水流动规律。实验结果表明:在巷道中布置疏水孔,有利于煤柱水的疏导和排放,能有效缓解水流对保护煤柱的侵蚀,尤其是当钻孔长度能够穿透保护煤柱回淹层主裂隙面时,更加有利于煤柱水的疏放;对煤柱施加支护阻力,可在一定程度上减缓水的渗透作用,减缓地下水巷道围岩的侵蚀破坏,根据回淹巷道煤柱水流动规律,为采取科学的疏排水技术措施提供理论依据,同时也为采动影响下大采高回采工作面保护煤柱的稳定性控制提供了参考。

大采高煤层采动状态下小煤柱留巷矿压显现规律

合理缩减采区保护煤柱的留设尺寸是提高资源回采率的有效措施。为探究采动状态下缩小煤柱的采区巷道围岩的矿压显现规律,以黄陵二号煤矿原综采工作面35 m保护煤柱优化为17.5 m小煤柱的技术工程为例,通过对工作面推进过程中的辅运巷道顶底板与两帮的移进量、锚索的外露长度与载荷变化情况、煤柱内部的支承压力演化趋势进行全方位、多尺度的监测,对巷道围岩变形与采动应力进行了实测分析与研究。结果表明,工作面进入小煤柱区域1300 m区段,除底鼓外未出现大的变形和强矿压显现;辅运巷受采动影响区域为超前工作面220 m至工作面推进后的350 m;辅运巷煤柱帮部深度13 m的位置为煤柱围岩应力最大集中区域;围岩变形与应力变化随着工作面的推进趋于稳定,初步判断辅运巷应力场与位移场的扩展达到相对均衡的稳定阶段。该研究为缩小煤柱留设宽度和优化巷道支护参数提供了理论依据。