区段煤柱变形光纤光栅监测应用研究

针对近距离煤层下伏工作面过上覆遗留煤柱时,发生动静载叠加诱发强矿压显现,导致区段煤柱发生变形失稳造成人员伤亡和设备破坏。为探索基于光纤光栅实时监测区段煤柱变形发育特征,分析进、出遗留煤柱阶段矿压显现机理,将FBG、光栅应力计的光测方法相结合,结合现场实测的区段煤柱变形应力应变水平参量变化规律,研究煤柱应变空间分布规律及回采过程中工作面前方煤柱内部应变时域响应特征,验证光测方法在煤体应变水平观测的可行性。结果表明:工作面回采经过上覆遗留煤柱期间,区段煤柱顶板受集中应力影响,上部岩层块体破断并发生回转导致煤柱载荷增加,随着工作面推进覆岩断裂进一步向上传递,关键层断裂回转发生导致工作面来压,最终导致区段煤柱变形失稳。根据现场光栅应变增量幅度判断煤柱内局部变形的剧烈程度,在集中应力作用下,区段煤柱变形时发生最大应变为650×10^(-6),上覆岩层集中应力造成煤柱应变水平峰值位置为煤柱宽度11.5 m,沿煤柱宽度方向应变表现出先增加后减小然后趋于稳定的趋势,内部应变随采动过程中影响范围在5 m左右。综合研究工作面回采经过上覆遗留煤柱时应变对区段煤柱发生变形失稳的特点和规律,以及应变水平变化和煤柱物理力学性质,得到煤柱破坏的前兆特征,在外力作用下达到变形峰值前对煤柱提前进行卸压和防护的安全处理。

非对称载荷作用下倾斜区段煤柱稳定性分析及控制技术

为解决工作面回采及巷道掘进影响下倾斜区段煤柱稳定性劣化的复杂问题,运用弹性力学半逆解法及摩尔-库伦准则建立力学模型,结合三维有限元数值模拟,深入分析了倾斜区段煤柱一侧受载结构形态特征,明确了倾斜煤柱失稳致灾力源及载荷的分布特性,探究了采掘扰动下倾斜区段煤柱塑性变形-失稳-破坏的动态演化过程,揭示了非对称载荷作用下倾斜区段煤柱临界失稳致灾机理,以此为基础优化了倾斜煤柱及周围巷道稳定性控制技术。结果表明:区段煤柱因煤层倾角导致的倾斜形态是煤柱所承受载荷呈非对称状的关键诱因,这一特性致使倾斜煤柱最底端区域覆载最大,且当此区域失稳破坏时,呈现由煤柱下端底角塑性区向煤柱上端底角塑性区扩展的运移过程,并因此得出倾斜区段煤柱临界尺寸随煤层倾角增大而增加的演化规律。由此,针对大南湖一矿倾斜区段煤柱及周围巷道变形失稳的问题,采用支护优化及注浆加固等措施,降低了倾斜区段煤柱侧巷道的变形速率,为类似矿井的煤柱稳定性控制提供了借鉴。

基于BOTDR的区段煤柱水平变形监测

针对煤柱内部微裂纹萌生、变形破坏等潜在安全隐患,利用布里渊光时域反射(BOTDR)分布式光纤传感技术进行煤柱水平变形监测。首先,根据煤柱破坏碎胀特性理论分析,建立了光纤轴向应变与水平变形的转化方法;其次开展室内试验确定了金属基索状传感光纤轴向拉伸响应情况,并根据煤柱变形破坏规律修正了应变系数,最后以陕西大柳塔煤矿活鸡兔井为工程背景,对22206工作面区段煤柱水平变形实现现场监测。监测结果表明:区段煤柱采动侧和未采动侧存在明显的水平变形差异,采动侧变形量最大,约为未采动侧的5倍,但煤柱整体水平变形较小,仅出现弹性变形,煤柱较稳定;煤柱变形分区明显,呈现中部为弹性核区,两侧为塑性破坏区的分区特征;工作面从测点前20m推进至测点后40m时,煤柱水平应变呈指数增长,远离测点之后变形趋于稳定,反映煤柱变形与采动应力扰动之间的动态关联;通过分析煤柱水平应变与垂直应力,发现两者呈指数相关关系,定量建立了煤柱水平应变与垂直应力关系式,说明煤柱变形与破坏很大程度上取决于采动应力的分布与演化。利用BOTDR技术对区段煤柱内部变形进行监测可以精确获取区段煤柱内部的微观变形信息,对于煤柱留设尺寸确定、围岩控制及采空区压力评估等具有重要指导意义。

变区段煤柱工作面诱冲机理及防治技术研究

针对某矿变区段煤柱工作面开采冲击危险性较高的问题,运用数值模拟方法对工作面采掘过程中煤柱区域垂直应力分布规律进行研究,分析了不同宽度区段煤柱应力积聚特征,揭示了变区段煤柱工作面诱冲机理,并制定了“近场-远场”协同卸压方案。研究结果表明,较宽的区段煤柱(30 m和55 m)受采空区侧向支承压力和超前支承压力影响,煤柱应力集中程度较高;受“近场高静载+远场动载”叠加影响,变区段煤柱工作面回采期间易诱发冲击地压;采取近场高承压煤体强卸压+远场高位坚硬顶板超前预裂断顶卸压协同控制方案后,微震能量事件始终维持在104J以下,表明控制方案能够有效降低工作面采掘期间的冲击危险性。

区段煤柱下大断面回采巷道不同成巷方式分析研究

为了探究在区段煤柱下大断面巷道在掘进时受到扰动最小的一种成巷方式,以乌兰色太煤矿掘进52202工作面运输顺槽为研究背景,针对该工作面实际地质资料,通过数值模拟分析了大断面巷道在不同成巷方式条件下的塑性区形态、应力场及位移场分布规律。结果表明,先掘进5.4 m宽正常巷道,后扩帮2 m的成巷方式为最优成巷方式,将其应用于工程实践,为同类型区段煤柱下大断面巷道提供参考依据。

综放面“双硬”煤层临空煤柱宽度及承载强度校核

具有“双硬”特征煤层的工作面其护巷煤柱的极限尺寸确定与常规工作面有所不同。以榆树岭煤矿505工作面沿空掘进巷道为背景,首先测试了煤岩样的力学性质和不同高径比煤样的抗压强度,得到了不同高径比煤样峰值强度曲线;其次分析了沿空掘巷覆岩结构模型,建立了沿空掘巷护巷煤柱顶板力学模型,得到了不同宽度煤柱所受的载荷应力;建立了不同高宽比煤柱的数值模型,得到了不同高宽比煤柱的极限强度校核公式;最后通过对比不同宽度煤柱所受的载荷应力和极限强度,得出4m宽度的煤柱即可满足支护要求,并在此基础上提出了沿空掘进巷道支护工艺。现场监测结果表明,煤柱宽度为4m时,巷道整体变形量较小,巷道稳定性得到有效维护。研究结果可为小煤柱护巷宽度的确定提供参考。

煤柱承载计算方法改进及尺寸优化

以禾草沟一矿为工程背景,通过监测相邻工作面区段煤柱侧向支承应力分布、内应力场分布范围,分析了工作面采动应力影响范围及程度,研究了不同区段煤柱宽度下采空区应力分布特征、区段煤柱载荷分布形态及演化特征。为15214工作面与15216工作面区段护巷煤柱留设提供依据。综合理论分析,得到结论:改进煤柱支承能力计算公式,并考虑煤柱尺寸效应对煤柱尺寸进行优化,将15214工作面与15216工作面之间的区段煤柱从之前的20 m调整到5 m。

多次采掘扰动下小煤柱失稳特征及控制技术研究

以某矿7 m小煤柱为研究对象,通过理论分析、相似材料模拟、数值模拟和现场实测等方法发现,一次掘进扰动后,煤柱破坏区宽度为2 m,二次掘进扰动后,煤柱破坏区宽度为2.2 m,一次回采扰动后,煤柱基本已发生完全破坏,二次回采扰动后,破坏程度进一步加剧,提出基于“树形骨架结构”围岩改性的区段小煤柱稳定性控制技术,通过现场试验发现,围岩改性后,顶底板移近量从60 mm/月降低至24 mm/月,且围岩完整性有明显提高,证明可以有效提高小煤柱稳定性。

深埋薄基岩下区段煤柱工作面综放开采可行性研究

赵固二矿在对二1煤层回采过程中,使用分层开采并留设较宽的区段煤柱。矿井拟对区段煤柱进行回采,以赵固二矿二盘区里侧煤柱工作面为工程背景,通过岩石物理力学测试、煤体裂隙观测及顶煤冒放性评价对工作面综放开采适应性进行综合分析,得出煤柱受临近工作面回采影响,裂隙发育,顶煤强度低,顶煤冒放性评价为好;针对深埋薄基岩等条件下煤柱综放开采进行了安全论证,得到了二盘区里侧煤柱工作面可实施综采放顶煤工艺的结论,并进行现场工业性试验,目前已实现安全回采。该研究可为实现区段煤柱综放开采提供成熟方案。

区段煤柱宽度变化下工作面矿压危险性分析

区段煤柱的宽度会影响工作面矿压变化从而导致冲击危险的发生。以某煤矿工作面为研究背景,由于受到相邻的工作面的影响,该工作面回风巷道侧预留保护煤柱宽度发生变化,因此将工作面沿走向划分为小煤柱、小煤柱-集中巷和大煤柱3个区域。分别沿倾向和走向分析不同区域工作面矿压分布特征,分区分级进行危险区的划分。结果表明:3个区域中小煤柱-集中巷区域危险区分布最大,危险等级排序为小煤柱-集中巷区域>小煤柱区域>大煤柱区域。分析结果可为后续工作面卸压防控提供依据,做到精准防控,节省人力物力。

厚煤层区段煤柱合理留设宽度及支护参数优化研究

采动影响下厚煤层区段煤柱的合理留设是煤炭高效安全回采的重要因素。针对该问题依托中能煤矿3号煤2309工作面回风巷区段煤柱留设进行研究。根据围岩极限平衡理论计算出煤柱合理宽度为8m,结合Flac3D数值计算分析不同宽度煤柱垂直应力及塑性区,验证煤柱留设宽度不应小于8m;针对留设煤柱巷道应用差异化支护方法,对煤柱侧采用帮部3道锚索补强的方法进行围岩加固;针对浸泡煤柱、漏风、有害气体涌入等隐患采取煤柱局部注浆和表面喷浆的方式控制。结合矿压监测反馈表明煤柱留设宽度合理,支护效果良好,为类似厚煤层区段煤柱留设提供技术参考。

上社煤矿双巷掘进巷道布置及支护设计研究

以上社煤矿9217双巷掘进工作面为研究对象,采用UDEC数值模型分析了双巷掘进阶段及首工作面回采过程中不同煤柱尺寸下裂隙扩展演化及围岩变形特征。确定了合理的煤柱宽度为12 m,并设计了9217回风顺槽锚索支护参数。将方案成功应用于上社煤矿的工程实践中,取得了理想的围岩控制效果,显著提高了开采效率,同时缓解了开采接替紧张的问题。

浅埋深采空区下孤岛工作面区段煤柱稳定性研究

为了揭示浅埋深采空区下孤岛工作面区段煤柱稳定,以榆家梁煤矿52302孤岛工作面为工程背景,采用数值模拟和理论分析相结合的方法,研究了孤岛工作面回采期间覆岩采动应力的分布特征,分析区段煤柱应力演化规律,理论校核区段煤柱稳定性。研究结果表明:结合采空区侧向煤体在动态支承压力形成极限平衡区,理论计算得出两侧支承压力峰值距离52302孤岛工作面边缘煤壁约为1.74 m,支承压力影响范围约为13.1 m。数值模拟得出初次来压步距约为60~70 m,周期来压步距约为15~20 m,孤岛工作面两侧煤柱最大应力为17.54 MPa,煤柱两侧塑性区范围为2~3 m。根据煤柱稳定性分析,区段煤柱核区宽度12.228 m,区段煤柱核区率81.52%,宽度15 m的工作面区段煤柱可保持稳定。研究结果可为类似条件工作面过平行煤柱开采提供参考。

特厚煤层综放开采区段煤柱合理留设宽度研究

为提高回采率,保证巷道围岩稳定,合理留出区段的煤柱宽度是工作面开采过程中至关重要的因素。以西北矿区某矿2盘区综放工作面区段煤柱留设为工程背景,通过理论计算得出区段煤柱留设宽度为7.18~7.98 m。通过数值模拟方法研究了工作面开采过程中不同区段煤柱宽度条件下影响下回采巷道的围岩变形与煤柱的垂直应力分布,研究结果表明,留10 m以上煤柱可有效减小巷道围岩变形,且10 m煤柱既能维持其本身的稳定,又能起到支撑顶底板与保护巷道的作用。在此基础上,通过对相关结果的综合分析,得到了合理的煤柱留设宽度,为类似条件下合理煤柱留设提供了依据。

南梁煤矿区段煤柱宽度优化研究

以南梁煤矿3-1煤层生产地质条件为工程背景,运用现场监测和物理相似模拟相结合的研究方法,研究了工作面回采以后煤柱上方基本顶岩梁破断结构以及留设不同尺寸区段煤柱时的压力分布规律,分析煤柱的稳定性,从而得到最优煤柱宽度。研究结果表明,当煤柱宽度从15 m优化至9 m的过程中,煤柱及其上覆岩层未发生明显变形,煤柱稳定性较好。当煤柱宽度为8 m时,区段煤柱不足以支撑上覆岩层载荷作用而被压碎,顶板结构发生明显改变。煤柱应力分布由“双驼峰状”向“单驼峰状”转变。现场监测结果表明,区段煤柱优化后围岩稳定性较优化前未发生明显改变,稳定性较好。

基于关键块破断特征的区段煤柱设计研究

为了快速确定布尔台煤矿42204工作面区段煤柱的宽度,通过数值模拟手段,分析了不同关键块体对煤柱承载特征的影响,结合极限平衡理论,共同确定了区段煤柱宽度为25 m是最佳设计。实际工程应用结果显示,25 m区段煤柱有效维持了巷道的稳定性,煤柱横向位移量在合理范围,保证巷道稳定性的同时,间接提高了矿井的经济效益,符合矿井生产需求。

浅埋近距离煤层区段煤柱合理错距研究

神东煤田主要赋存浅埋近距离煤层,多数矿井上煤层都已开采结束,进入下煤层开采阶段。上下煤层区段煤柱的布置方式会直接影响覆岩与地表的下沉和裂隙的发育,使原本脆弱的生态环境进一步恶化。为确定合理的煤柱错距,以石圪台煤矿2-2煤和3-1煤开采为工程背景,结合物理和数值模拟开展研究。研究表明:当煤柱错距小于40 m时,上下区段煤柱裂隙场叠加发育,上煤层区段煤柱沉降;当煤柱错距等于40 m时,上下煤层区段煤柱裂隙场分离,上区段煤柱达到充分沉降;当煤柱错距大于40 m时,地表下沉与覆岩裂隙发育变化不大。故石圪台煤矿2-2煤和3-1煤的合理煤柱错距应大于40 m。

孤岛工作面沿空掘巷合理煤柱宽度数值模拟研究

随着煤矿开采深度的不断增加,井下生产环境逐渐变得恶劣。为了保障生产的正常接续,煤矿经常采用跳采的方式,造成了孤岛工作面的存在。基于已有的研究发现,留设合理宽度的护巷煤柱是维持巷道稳定性的主要方法之一。为了获取柴里煤矿263_下17工作面区段煤柱的合理宽度,采用数值模拟方法,研究了不同时期、不同煤柱宽度条件下,区段煤柱内应力分布情况和围岩表面位移变化情况,确定了263_下17工作面合理的区段煤柱宽度为6 m。经过现场实践验证,263_下17工作面巷道围岩控制方案合理有效,相关经验可以为相似工作面巷道维护提供借鉴。

长薄壁钢筋混凝土支柱消除面间小煤柱和末采大煤柱——120-0采煤技术研究

为改变长壁综采工作面因留设面间小煤柱和末采大煤柱,大量废弃煤炭资源的普遍状况,提出了通过提前人为施工一道类似与小煤柱的人工长薄壁钢筋混凝土支柱,使用这道混凝土薄壁支柱代替面间护巷小煤柱,实现小煤柱各项功能,取消面间小煤柱。长薄壁钢筋混凝土支柱在宽巷掘进顺槽的前提下,施工一道大面积刚柔同具可延续的钢绞线绑扎式模板,同时利用煤壁本身做为一道模板,两模内浇注一道长壁钢筋混凝土薄壁支柱,下一相邻工作面沿混凝土支柱掘巷,钢筋混凝土薄壁墙替代煤柱,不保留长壁综采面间小煤柱。同样通过浇注一道中厚度倾向长壁钢筋混凝土支柱代替大末采煤柱,取消大末采煤柱。长壁综采由传统121小煤柱工法变为全面无煤柱120-0工法,进一步提高煤炭采出率。

安阳煤矿煤柱破坏机理及控制技术

综采工作面区段煤柱作为工作面安全通道的保护煤柱,既是本工作面回风巷道的组成部分,又是下一工作面辅助运输巷道的组成部分,其留设宽度的合理性,既关系着工作面顺槽的安全稳定,又影响着矿井回采率,是制约煤矿安全高效生产的难题之一。区段煤柱留设过大,既造成煤炭资源浪费,又使得区段煤柱上覆顶板在支撑作用下,靠采空区侧上方经常大面积悬顶,部分导水裂隙带也因此不能有效闭合;区段煤柱留设过小,煤柱不能起到支撑载荷的作用,工作面回采过程中顺槽容易发生变形破坏,引起采空区水及有害气体外泄。结合安阳煤矿实际,采用现场调研、理论分析和数值模拟的研究手段,提出合理的煤柱参数与煤帮支护技术,指导现场实际工作。结果对动压巷道围岩的维护、煤炭安全高效的生产和煤炭资源回采率的提高有着重要意义,同时对同类型矿井工作面区段护巷煤柱的合理留设具有一定参考作用。