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。

预掘双回撤通道稳定性机理及控制技术研究

为解决预掘双回撤通道贯通时回撤通道围岩稳定性问题,通过理论分析、数值模拟和现场实测相结合的方法,研究分析了回撤通道贯通时围岩破坏机理、通道间合理煤柱尺寸、工作面贯通不同位置时围岩塑性区分布与应力分布规律。结果表明:主、辅回撤通道间煤柱理论宽度为20 m,此时煤柱内部应力分布呈现双峰状,辅助回撤通道围岩应力较小;20 m煤柱条件下,工作面进入末采期,主回撤通道围岩逐渐破坏,辅助回撤通道围岩塑性区范围较小,因此确定主、辅回撤通道间煤柱宽度为20 m。工作面末采期主回撤通道采用垛式支架加强支护,现场实测主回撤通道帮部最大变形量180 mm,巷道完整性较好。

瑶渠煤矿大巷间煤柱尺寸确定及支护优化

为研究大巷过剥蚀区时大巷间煤柱合理尺寸及围岩稳定性,以瑶渠煤矿西采区Ⅱ回风大巷为研究对象,采用理论分析、数值模拟等研究方法,建立了煤柱尺寸计算模型,揭示了煤柱在8 m、10 m、12 m、14 m条件下巷道围岩应力、位移及塑性区的分布规律,确定了过剥蚀区大巷间煤柱的合理尺寸,并优化了西采区Ⅱ回风大巷的支护参数。研究结果表明,瑶渠煤矿西采区Ⅱ回风大巷与辅运大巷之间煤柱尺寸由14 m减小至8 m时,巷道围岩内的垂直应力由1.381 MPa增加至1.465 MPa、最大位移量增加了12.52%,塑性区逐渐贯通煤柱。当煤柱尺寸为10 m时,煤柱塑性区处于贯通的临界区域,煤柱内部具有一定的弹性核区域,且煤柱尺寸大于理论计算的9.23 m,能够满足巷道围岩的稳定性。综合考虑,确定煤柱最小合理尺寸为10 m。对10 m煤柱尺寸下西采区Ⅱ回风大巷进行支护优化,采用帮部3根锚杆支护后巷道围岩应力、位移和塑性区均显著改善,保证了巷道围岩的稳定性。

强动压松软煤体条件下沿空掘巷护巷煤柱尺寸研究

针对强动压松软煤体条件下综采工作面沿空巷道围岩变形量大、稳定性差的难题,本文以赵庄煤矿5328工作面为研究背景,通过理论计算,得到了沿空掘巷煤柱尺寸的留设范围;然后通过建立数值模拟模型对多种宽度煤柱的围岩应力和塑性区进行分析,确定煤柱的合理尺寸为8 m。现场矿压监测结果表明,留设宽度为8 m的煤柱可以满足工作面安全生产要求。

煤柱群回采沿空掘巷护巷煤柱尺寸研究

以赵庄煤矿五盘区煤柱回收工作面为研究背景,通过理论计算得到了沿空掘巷煤柱的留设尺寸应不小于4.1 m,并采用数值模拟对掘巷及回采期间不同宽度煤柱的围岩应力及塑性区进行了分析,数值模拟方案设计了4 m、5 m、6 m、17 m、18 m、19 m、20 m及25 m共8种煤柱尺寸留设方案,最终确定了煤柱的最优合理尺寸为19 m。现场矿压监测结果表明,留设宽度为19 m的护巷煤柱且进行合理支护后,沿空巷道围岩稳定性得以提高,可以满足工作面安全生产要求,实现五盘区残余煤柱的安全高效回收。

深部煤层沿空掘巷小煤柱合理尺寸留设研究

采用实验室实验、数值模拟、现场实验等方式进行研究,确定深部煤层的沿空掘巷小煤柱合理尺寸。通过物理力学实验,获得了淮南矿区丁集矿1121(3)工作面煤岩的密度、单轴抗拉强度、单轴抗压强度、弹性模量、泊松比、内聚力、内摩擦角等参数。测量了该区域的地应力,为后续的理论计算、数值模拟提供了可靠的数据。采用数值模拟的方法研究,综合考虑沿空留巷煤柱的应力、竖向位移、塑性区分布特征情况,兼顾煤炭采出率及预防冲击现象,初步确定煤柱宽度为5 m较为合适。工业性实验监测数据显示顶板的位移范围最大值为86 mm,两帮最大范围为145 mm。在一定程度上达到了巷道围岩的控制要求,5 m煤柱尺寸具有一定的科学性与合理性。

浅埋厚煤层大巷保护煤柱尺寸留设研究

留设煤柱护巷道目前仍是中国许多矿井的主要护巷道方式,但同时也损失了巨大的煤炭资源。煤柱留设的长度也是影响煤柱稳定性和巷道围岩稳定性的关键所在,其安全长度的留设,更有利于改变围岩应力分布条件,隔离工作面采空区,维护巷道围岩稳定具有重要的作用。区段煤柱留设宽度与煤矿采区埋置深度、工作面倾角、煤层高度、巷道顶底板围岩等具有相关联系。不同煤矿开采条件不同,不同矿区都有自己留设煤柱的宽度方法。因此,本论文针对某煤矿西翼带式运输大巷煤柱安全宽度等问题展开研究,分析煤柱内的应力分布、变形特征和塑性区分布,最终得出安全煤柱宽度留设,论证该尺寸煤柱下,确保被保护的巷道在掘进过程中不引起失稳,这对于煤矿的安全生产来说至关重要。

沿空掘巷窄煤柱留设及围岩控制技术实践

为了缓解矿井采掘接替的紧张局面,改善巷道维护状况,最大限度提高资源回收率,针对花草滩煤矿实际生产条件,结合极限平衡理论及窄煤柱留设原则,通过理论计算及FLAC^(3D)软件数值模拟,确定合理的窄煤柱宽度为6 m。通过现场调研相似地质条件矿井的回采巷道围岩变形特征、围岩力学分析、围岩损伤和破裂分析、围岩破坏机理,并根据花草滩煤矿1109工作面地质资料及围岩状况,模拟分析部分支护参数对1109回采巷道围岩支护应力场的分布特征的影响,经现场试验的数据整理和验证,综合对比后确定了合理的支护参数,制定了窄煤柱掘进期间顺槽的合理支护方案。

云岗矿小煤柱工作面煤柱尺寸及围岩支护研究设计

云冈矿为解决煤矿存储量大、服务年限有限、采掘接替紧张的问题,在12号煤层404盘区推行小煤柱工作面开采工艺。为合理设计工作面小煤柱工艺下煤柱宽度及小煤柱围岩支护办法,借助FLAC3D计算软件,对8413工作面进行建模,模拟分析掘进中不同宽度煤柱内的垂直应力分布情况、水平位移场分布情况,综合考虑,确定设计小煤柱宽度为6 m。此外,对于具有一定埋深的巷道,还需进一步做支护设计,文章采用“锚杆+锚索+钢带+钢梁+金属网+喷浆”支护方案对8413工作面沿空巷道进行支护设计,巷道断面为3.6 m×2.8 m(宽×高),现场实际应用表明,采用该设计小煤柱工作面开采工艺及巷道支护方案,实现了12号层404盘区8411、8413工作面安全高效的回采工作。

浅埋工作面区段煤柱留设尺寸优化研究

为了掌握浅埋煤层矿压变化规律,同时解决因煤柱留设不合理而造成的煤炭资源浪费问题,以榆林双山煤矿308工作面与306工作面为工程背景,通过理论计算、数值模拟及工业性试验等方法,对306工作面区段煤柱合理留设尺寸展开研究。研究结果表明:极限平衡理论分析得出,煤柱内部弹性核区的宽度为3.8 m,区段煤柱极限宽度为11.4 m;数值模拟结果与现场实测数据相吻合。结合工作面实际生产地质条件,确定306工作面合理煤柱留设尺寸为11.5 m,并提出相应的巷道围岩支护方案。研究成果为浅埋煤层区段煤柱的尺寸留设提供了理论支持和技术指导,有助于有效提高煤炭回采率。

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。

煤柱型冲击地压启动应力条件判别与防治措施研究

针对我国鄂尔多斯矿区顶板岩层厚、煤柱留设宽度大以及500~700 m埋深导致的较高地应力引发的煤柱型冲击失稳现象,建立煤柱内应力计算力学模型并针对不同应力表现特征的煤柱进行分类讨论,基于弹性力学叠加原理结合岩石力学以及材料力学的构件内应力计算,推导出煤柱内部任一位置的三向应力换算后从而得到最大最小中间主应力的计算公式。其次以门克庆煤矿3102工作面为背景进行理论计算和FLAC^(3D)数值模拟实验以现场实测数据为准,验证推导得到的煤柱内应力计算公式准确性。最终,根据内应力计算公式得出的煤柱型冲击地压启动临界条件作为指导现场防控煤柱高内应力导致的冲击显现现象的有效措施和手段。

铝土矿开采矿柱参数数值模拟分析

矿柱参数的合理设置对煤下铝土矿安全高效开发利用至关重要。以山西娄烦铝矿Ⅲ号铝土矿矿体开采系统为工程背景,通过理论分析和数值模拟相结合的研究方法,对铝土矿矿柱参数进行合理设计分析。研究结果表明:房柱法开采煤下铝土矿时,合理设置矿柱参数可在实现保护煤层的同时高效开发铝土矿资源;随着矿柱宽度和间距的增大,矿柱承载应力及顶板位移量增大。研究结果可用于铝土矿矿柱尺寸设计,探究矿柱尺寸与矿柱应力分布的关系,能为山西省铝土矿高效开发利用提供理论支撑。

深部沿空掘巷窄煤柱宽度留设及围岩控制技术研究

以邢东矿11214运输巷为背景,应用内外应力场及极限平衡理论、工程实践的方法,确定深部沿空掘巷窄煤柱合理宽度,并针对性地提出了“巷帮全螺纹锚杆支护+顶板螺纹钢超强锚杆支护+冷拔丝金属网配合菱形金属网双网护巷+钢绞线锚索补强支护”的围岩控制技术。理论计算显示窄煤柱合理宽度范围为6.47~9.77 m,最终确定为8 m。工程实践表明,8 m宽度窄煤柱及围岩控制技术可有效控制沿空巷道围岩变形,巷道掘出35 d后巷道收敛变形趋于稳定,稳定时顶底板、煤柱帮以及实体煤帮最大变形量分别为67、57、64、62 mm,变形处于合理范围内,巷道岩体的控制效果良好,能够达到安全生产的要求。

浅埋煤层沿空掘巷煤柱尺寸优化研究

本文以杨家村煤矿5煤层沿空巷道为研究对象,针对实际生产过程中提出的煤柱尺寸优化问题,依据极限平衡理论和弹性核理论,通过理论计算与数值模拟,确定了该沿空巷道留设的合理煤柱尺寸为7.5 m。经现场试验,顶板离层量为51 mm,此煤柱尺寸能够满足围岩控制安全生产要求。

盛平煤业煤柱回收工作面沿空掘巷小煤柱留设技术研究

为了提高资源回收率,保障巷道围岩稳定性,以盛平煤业煤柱回收工作面沿空掘巷小煤柱留设宽度为背景,通过理论计算、数值模拟以及现场观测等方法对小煤柱合理尺寸进行了研究。研究结果表明:小煤柱合理尺寸为8 m,巷道变形量小,能够保障巷道围岩稳定性,满足现场安全生产要求。

近距离下伏煤层区段煤柱合理尺寸优化方法研究

针对近距离下伏煤层区段煤柱留设不合理导致的煤柱资源损失问题,文章采用理论分析与数值模拟相结合的方法,对近距离下伏煤层区段煤柱合理尺寸优化方法进行了研究。结果表明:煤柱宽度越小,煤柱所受载荷越集中,峰值应力向内转移,塑性区宽度随之增大;利用下煤层应力极限平衡区宽度理论修正式,计算得到区段煤柱保持稳定的最小宽度为17.17 m;结合数值模拟分析,下伏煤层区段煤柱宽度不应小于17 m,据此提出将辅运巷向运输巷方向移动6.8 m布置在低应力扰动区,确定合理煤柱宽度为17.2 m,有效释放了煤柱资源。

浅埋近距离煤层下区段煤柱尺寸动态优化方法研究

针对近距离下伏煤层区段煤柱留设大造成资源浪费问题,采用理论计算、数值模拟与现场监测相结合的方法对下区段煤柱尺寸动态优化方法进行了研究。结果表明,随着下伏煤层煤柱宽度减小,将增加煤柱内部应力集中显现程度,降低煤柱承载能力,需通过合理分析确定煤柱留设宽度;理论计算得到上伏遗留煤柱影响系数为1.13,对下伏煤层煤柱实施动态优化后,确定区段煤柱位于遗留煤柱下合理宽度为17.5 m,位于采空区下的合理宽度为15 m,与理论计算结果相吻合。在此基础上,研究提出了调整后的四盘区辅运巷采用“锚杆+锚索+钢筋梯子梁”联合支护方法,通过现场实践,变形趋于稳定后,顶板最大下沉量为165 mm,煤柱帮最大位移量为154 mm,回采帮最大位移量为145 mm,整体稳定性较好,释放煤柱资源的同时,保证了工作面安全高效回采。研究结果可为类似条件矿山合理区段煤柱尺寸确定提供指导与借鉴。

动载冲击作用下煤柱动力响应特征数值模拟研究

煤柱的稳定性对矿井安全生产起着至关重要的作用。针对动载冲击下煤柱的动力响应特征,以某矿保护煤柱为工程背景,基于FLAC 3D模拟软件研究了保护煤柱的应力和塑性区扩展规律。研究表明,增大煤柱尺寸能够提高煤柱的稳定性,提高煤柱的支护能力;煤柱内部会出现应力集中现象,煤柱尺寸的增大会降低应力集中程度。研究结果为煤柱的破坏失稳提供了理论指导,为实现深部矿井的安全生产提供了理论依据。

综放工作面煤柱尺寸对顶板破断结构及裂隙发育的影响规律

煤层开采后基本顶破断结构直接影响上覆岩层裂隙区的范围和发育程度,运用理论分析和数值模拟相结合的方法,对不同煤柱条件下基本顶破断结构以及由此带来的顶板裂隙发育区演化规律进行了研究。上工作面侧向破断"三铰拱"结构使下工作面基本顶破断由固支悬臂梁结构变为铰支结构,煤柱两侧形成不对称裂隙发育区。研究结果表明:中小煤柱时,岩块铰接回转,岩块长度大于基本顶悬臂极限断裂长度且随煤柱尺寸增加逐渐增加,裂隙发育区范围随之增加;大煤柱时,下工作面基本顶破断超出上工作面侧向结构影响范围外,岩块长度不变。回转角度由岩块长度和下沉量共同决定,并通过理论分析得到了相应的计算公式。