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。

围岩加强支护留窄煤柱护巷的可行性研究

为了减少煤矿井下资源浪费现象的发生,研究了留设不同宽度保护煤柱时,围岩塑性区及垂直应力在施工“支护-卸压-砌墙”协同控制技术前后的数值模拟对比分析。数值模拟结果表明:未采取围岩加强支护措施时,随着停采线与回风大巷之间距离的减小,煤柱垂直应力峰值呈先增大后减小的趋势,且回风大巷围岩破坏变形严重;施工“支护-卸压-砌墙”协同控制技术后,随着保护煤柱的回采,煤柱与回风大巷围岩的塑性形变区域面积占比都显著减小,且回风大巷的垂直应力峰值平均减小了25.32%,应力集中系数平均减小了27.03%;在保证煤柱及大巷围岩稳定的前提下,可适当的缩减保护煤柱的宽度,以减少煤炭资源的浪费,并可为煤矿带来较大的经济效益。

综采面沿空巷道超前动压区煤柱失稳效应与锚注加固技术

为探究综采面沿空巷道超前动压区煤柱对巷道围岩整体稳定的影响规律,综合采用数值模拟、工程应用等方法,建立沿空巷道超前巷道数值分析模型,研究综采面回采期间不同煤柱宽度下沿空巷道围岩力学和变形响应特征。研究结果表明:护巷煤柱宽度小于5 m时,工作面帮为采动应力主要承载结构,其内部应力及变形均大于煤柱帮,此时工作面帮应作为超前动压区重点加固对象,随着护巷煤柱宽度增加,煤柱承载应力逐渐增加、变形增大,护巷煤柱宽度增加至5 m以上时,煤柱承载应力显著增加,采动应力由沿空巷道两帮围岩共同承载,超前动压区应同时加强两帮支护,基于此开发超前动压区沿空巷道锚注加固技术,并进行工程应用。研究结果可为平顶山矿区类似条件沿空巷道超前控制提供一定参考。

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。

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。

龙华煤矿浅埋煤层区段煤柱合理宽度研究

为减少煤炭资源浪费,保障工作面开采期间巷道的稳定性,本文采用现场监测、数值模拟和理论分析相结合的研究手段,对龙华煤矿30203工作面区段煤柱的合理留设宽度进行研究。结果表明:30203工作面区段煤柱塑性区宽度为1.8 m,运输顺槽超前支承压力影响范围为25 m;辅运顺槽侧超前支承压力影响范围为20 m,随着工作面的推进,回采巷道顶底板移近量为50 mm,两帮位移量为5 mm。理论计算得出区段煤柱合理宽度为14.86~15.26 m;采用数值模拟验证了优化后的15 m宽区段煤柱能够满足工作面安全生产的要求,区段煤柱能够保持良好的稳定性,研究成果为类似条件矿井安全生产提供借鉴。

《“三下”开采规范》中安全煤(岩)柱留设问题探讨

针对《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中安全煤(岩)柱设计以及水压对顶板突水控制作用等问题进行探讨。首先分析了规范的附表4-3表头文字,指出保护层厚度的有关规定仅适用于松散含水层(含地表水体),至于基岩含水层下采煤应如何确定保护层厚度则未明确;进而以泥岩与黏性土层均具有阻水功能为桥梁,推导出基岩含水层下采煤可参照“松散层下黏性土层累计厚度大于采厚”条件执行,遵照“就高不就低原则”,基岩含水层下保护层厚度统一取采厚的4倍为宜;既然规范适用条件为单层采厚不大于3.0 m,则附表4-3中“松散层厚度小于采厚”的规定难以理解,建议删除。其次,基于“保护”一词的科学内涵对“保护层”重新定义,即导水裂缝带顶界面到含水层底界面之间的隔水岩层均具有“保护”功能,应统称为保护层H_(b);进而提出了保护系数B_(s)概念,即保护层厚度与单层采厚的比值;松散含水层下保护系数分区阈值(B_(i)=2、3、4、5、6、7),基岩含层下保护系数分区阈值B_(i)=4,据此对顶板水害风险进行等级划分:突水区(B_(s)≤0)、危险区(0<B_(s)<B_(i))、安全区(B_(s)≥B_(i))。此外,借鉴底板突水系数概念,将单位厚度保护层承受的水头压力称为保护层承压系数(T=P/H_(b)),通过对3种煤水结构条件下承压系数的分析,得出第4系松散含水层、非煤系基岩含水层下采煤可以不考虑水压,煤系基岩含水层下采煤随着开采深度增加、水压随之增大而带来突(涌)水风险。最后,分析了底板含水层顶部存在被泥质物充填隔水带时,《“三下”开采规范》给出的底板防水安全煤(岩)柱表达式(h_(a)≥h_(1)+h_(2)+h_(4))与附图相矛盾,正确的表达式应为h_(a)≥h_(1)+h_(2)-h_(4)。

煤柱应力区的巷道破坏特征及控制技术研究

在连续煤层开采过程中,上部采空区残余煤柱常导致下伏长壁开采工作面产生强应力,应力积累会造成回采巷道严重破坏变形。为此,以隆泰煤矿巷道的应力破坏变形过程为例进行了研究,分析了采矿巷道围岩的破坏变形过程,运用FLAC3D模拟了应力分布特征以及巷道周围垂直应力和破坏带的演化过程。结果表明,支护煤柱以下工作阻力普遍较高,平均值为9726.6kN,采空区以下普遍较低,平均值为7 655.5 k N;受影响,回采巷道在距工作面30 m以外变形破坏程度相对中等,在距9+10号工作面30 m以内变形破坏程度相对严重;基于残留煤柱集中应力分布特征,采用水力压裂控制其力学特性,改善了回采巷道应力环境。

浅埋煤层双回撤通道保护煤柱合理宽度确定

保护煤柱的宽度对于回撤通道的围岩稳定和提升工作面搬家倒面的效率具有重要意义。为合理确定浅埋煤层双回撤通道的煤柱宽度,以凉水井煤矿42206工作面预掘双回撤通道为工程背景,通过理论分析和数值模拟,研究分析了回撤通道变形机理、工作面煤柱的超前影响范围,最终确定通道间合理煤柱尺寸。结果表明,理论计算得出回撤通道保护煤柱宽度为15.8 m,数值模拟得出回撤通道保护煤柱宽度在14 m与在20 m处的应力差值仅为0.11 MPa,且大于14 m时稳定,而与20 m相比顶板下沉量差值仅为1 cm。综合考虑,最终确定将煤柱尺寸优化为15 m。

大采高孤岛工作面沿空护巷煤柱合理宽度研究

针对转龙湾煤矿二采区孤岛工作面沿空掘进巷道煤柱留设难题,采用数值模拟,对2号工作面运输巷在不同煤柱宽度下煤柱应力分布和围岩变形程度进行了研究,最终确定了合理的煤柱宽度为19 m,并对合理的煤柱宽度进行围岩稳定性验证。结果表明,在煤柱宽度为19 m的范围内,可以有效控制围岩变形,实现巷道围岩的稳定性。该研究成果对沿空掘巷煤柱合理宽度的确定及巷道围岩控制技术的应用具有重要的理论意义和参考价值。

Theories and techniques of coal bed methane control in China

Coal bed methane control with low permeability is a hot issue at present. The current status of coal bed methane control in China is introduced. The government-support policies on coal bed methane control are presented. This paper proposes the theories of methane control in depressurized mining, including methane extraction in depressurized mining, simultaneous mining technique of coal and methane without coal pillar, and circular overlying zone for high-efficiency methane extraction in coal seams with low permeability. The techniques of methane control and related instruments and equipments in China are introduced. On this basis, the problems related to coal bed methane control are addressed and further studies are pointed out.

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。

孤岛煤柱巷道围岩大变形破坏机理研究

针对刘庄矿120502孤岛煤柱巷道回采期间出现的大变形破坏情况,通过现场监测、理论分析、数值模拟等方法研究巷道围岩塑性区发育特征,从塑性区的形成和演变过程阐释孤岛煤柱巷道大变形破坏机理。结果表明:巷道围岩塑性区发育形态受双向主应力比影响,当主应力比较大时,塑性区形态呈蝶形分布且成蝶前后对主应力比敏感程度不同;塑性区形态成蝶后蝶叶旋转角度与主应力方向相关;相对于普通工作面,孤岛工作面回采期间受采空区侧向及工作面超前应力集中的叠加影响,主应力比增大,在巷道周围形成高偏应力环境,且最大主应力向采空区一侧偏转,使蝶叶旋转至巷道顶底和两帮位置,造成巷道围岩大变形破坏。

热力耦合作用下煤炭地下气化地表沉陷预测方法

煤炭地下气化是煤炭低碳绿色开采技术体系的重要组成,煤炭行业“双碳”目标的实施使得煤炭地下气化迎来良好的发展机遇。然而煤炭地下气化也会引起岩层移动及地表变形,导致利用地下气化回收井工难以开采的“三下”压煤时,严重威胁地面建(构)筑物安全。如何兼顾煤炭地下气化特点准确的预测其地表沉陷,已成为制约煤炭地下气化产业化应用的重要瓶颈之一。基于此,结合“条采-面采”后退式地下气化工艺特点,探究了热力耦合作用下煤炭地下气化引起地表沉陷的诱因,得出地下气化产生地表沉陷的根源是岩层挠曲与焦化隔离煤柱压缩变形。在此基础上,建立了热力耦合作用下煤炭地下气化顶板挠曲变形计算方法以及基于D-P准则的气化煤柱屈服模型与压缩计算方法,进而根据等效下沉空间原理构建了热力耦合作用下煤炭地下气化地表沉陷精准预测模型,并通过乌兰察布煤炭地下气化地表沉陷的实测数据验证了新方法的有效性和准确性。

端帮采场支撑煤柱峰值应力及塑性区宽度确定方法

为了保证边坡安全的同时回收更多的露天矿边帮压煤,首先采用离散元仿真软件模拟再现端帮煤开采全过程,监测并分析采硐群支撑煤柱受力和变形特征;然后构建不同采硐深度下的3种支撑煤柱竖向荷载分布模型,建立端帮采场采硐与围岩力学分析模型。结果表明:沿采硐延深方向,支撑煤柱竖向受力与变形呈现出典型的分段特征;自采硐口向内,随着采硐深度的增加,竖向应力首先呈线性增大,达到峰值后,在采硐末端前、后约3倍采硐宽度范围内骤然减小至坡体初始应力并保持不变;基于采硐施工前、后采场上覆岩体竖向应力恒定原理,得到不同采硐深度下的煤柱峰值应力确定方法;基于极限平衡理论和Mohr-Coulomb强度准则,推导出峰值应力作用下的煤柱单侧塑性区最大宽度估算公式。

深部倾斜厚煤层区段煤柱尺寸设计优化

以2610工作面轨道巷为工程背景,利用理论分析和数值模拟方法研究区段煤柱合理尺寸,基于弹性力学和岩体力学建立矿井深部倾斜厚煤层煤柱分区力学模型,进行煤柱分区划分,依据不同区域煤柱支承压力分布规律建立煤柱塑性和弹性区解析式,确定上侧塑性区煤柱尺寸1.65 m,下侧塑性区煤柱尺寸2.24 m,弹性区分布范围5.28 m,煤柱理论留设尺寸9.17 m,利用数值模拟进行垂直应力和塑性区分布验证,论证煤柱留设的合理性,相关结论可应用于矿井实际生产。

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。

单侧工作面沿空留巷全生命周期围岩稳定性控制研究

为了研究单侧工作面沿空留巷围岩变形破坏规律,以高河煤矿W2306、W2307工作面为工程背景,采用理论分析、数值模拟及工程实测相结合的研究方法,分别对W2306工作面单侧双留巷掘进、留巷、复用三个阶段围岩变形破坏规律进行了研究。研究结果表明:在掘进阶段围岩变形和应力变化基本以顶板中心为对称结构;留巷期间巷道存在着超前支承应力作用,留巷稳定性被破坏的程度最高,围岩发生的塑性变形最大;复用阶段留巷平衡遭受二次破坏,直到工作面后方一定距离逐渐减小消失。

近松散含水层下浅部煤层开采安全煤柱合理留设研究

基于祁南煤矿312工作面的水文地质及开采条件和“四含”抽水试验成果,判定研究区“四含”水体采动等级为Ⅱ类水体,应留设防砂煤(岩)柱开采。采用《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》推荐公式、实测类比分析、数值模拟的综合研究方法,分析得出工作面回采过程中的垮落带高度分别为:21.07 m、16.32 m和20 m,在判断覆岩坚硬程度为中硬型的基础上,计算出工作面安全回采的临界防砂煤(岩)柱尺寸为31.27 m,小于312工作面内钻孔实揭的最小煤(岩)柱尺寸,因此工作面回采较为安全。研究成果可为解决相似地质与开采条件下工作面的安全煤柱留设问题提供参考。

保护层不对称卸压工作面分区防冲技术

为有效防控保护层不对称卸压工作面冲击地压的发生,以唐山矿0291工作面为工程背景,采用理论分析和数值模拟等方法,分析了工作面发生冲击地压的影响因素及发生区域。结果表明:煤层开采深度、煤层及其顶板的冲击倾向性、上保护层遗留煤柱、本煤层采空区煤柱及厚硬顶板是诱发冲击地压的潜在影响因素;工作面回采前,受上保护层遗留煤柱及本煤层采空区影响,0291工作面两巷应力呈不对称分布,回风巷高应力区主要位于0250采空区切眼及终采线下方,运输巷高应力区主要位于0251采空区切眼下方;工作面回采阶段具有明显的分区特性,回采初期,运输巷围岩超前应力高于回风巷,应加强运输巷的监测并及时采取防冲措施;当工作面进入0251采空区下方时,运输巷围岩应力迅速降低,防治重点应由运输巷转移至回风巷。依据数值模拟分析结果,划分了冲击危险区,提出了工作面回采过程中的分区防治措施。现场监测结果表明,采取的措施可以有效降低冲击地压的发生。