沿空留巷密集钻孔切顶机理及关键参数确定方法

为实现密集钻孔切顶条件下沿空留巷顶板结构安全稳定,研究正常情况与密集钻孔条件下顶板岩层结构受力状况,基于岩石断裂理论和弹性理论分析回采前后顶板密集钻孔孔间围岩受力分布及其破断过程,明确密集钻孔切顶机理及相邻钻孔的孔间集中应力相互作用机制,推导工作面端头弧形三角板结构巷道侧边界密集钻孔孔间围岩的拉剪应力计算公式。在此基础上,分析不同参数对孔间围岩所受拉剪应力的影响作用,提出沿空留巷密集钻孔切顶关键参数确定方法。研究表明:密集钻孔主要通过回采前后钻孔周围应力条件改变来增加钻孔围岩拉剪应力集中程度,引起孔间裂隙扩张联通,形成切缝线破断关键岩层。回采前钻孔主要受水平挤压应力影响,回采后钻孔受力逐渐转变为采空区顶板回转下沉产生的拉剪应力为主,钻孔孔间围岩状态随之由孔间围岩弱化阶段过渡到孔壁裂纹成形阶段,再转变为孔间围岩破断阶段。密集钻孔孔间围岩所受拉剪应力大小主要取决于关键岩层厚度及钻孔孔径与孔间距之比,与钻孔高度及间距成负相关,与角度及直径正相关。据此提出了密集钻孔关键参数确定方法,并根据龙滩矿3124 N工作面坚硬顶板条件设计了密集钻孔切顶留巷方案,确定钻孔长度为8.3 m,角度为15°,钻孔直径为48 mm,间距为500 mm。留巷后巷道顶帮变形可控且整体稳定性较好,由此可证明密集钻孔布置参数较为合理,密集钻孔关键参数确定方法有效可行。

孤岛工作面长水平深孔全长水力压裂卸压机理及多参量效果分析

为了解决深井孤岛工作面回采巷道面临的强动压问题,分析了孤岛工作面存在的工作面侧向采空区顶板悬顶、后方采空区侧顶板悬顶以及上部高位岩层结构悬顶3种类型,对深孔压裂类型进行了分析,提出了基于长水平孔的全长水力压裂布置方式,在某矿3203孤岛工作面进行了应用;通过在不同层位的目标岩层施工长水平孔压裂,实现了对于孤岛工作面强动压巷道卸压的全长处理。分别在采场和巷道进行矿压观测并选取评价指标,通过多参量、分阶段的分析,可以发现:这种卸压方式能在顶板构筑弱化条带,达到改善本工作面端头和采空区上方顶板空间结构形态、缩短工作面周期来压步距、降低工作面超前支承应力峰值的作用,从时间和空间上优化工作面超前区域应力场的分布状态,转移煤柱与巷道围岩的高应力,减小采动应力的影响,显著降低回采期间的巷道变形量,实现孤岛工作面的安全高效回采。

黔北煤田矿井顶板水害特征及防治措施研究

黔北煤田近年来发生了22起工作面顶板涌水事故,对该地区矿井安全生产造成了很大威胁。为了研究黔北煤田矿井顶板水害特征及防治措施,以黔北煤田某片区为研究对象,分析了研究区域顶板水害的充水水源、水化学特征、突水通道、水害特征,并提出了相应的顶板水害防治措施。研究发现:长兴组含水层的水质类型为SO_(4)^(2−)、HCO_(3)^(−)-Na^(+),玉龙山段含水层的水质类型为HCO_(3)^(−)、SO_(4)^(2−)-Ca^(2+)和HCO_(3)^(−)、SO_(4)^(2−)-Na^(+)、Ca^(2+);区内各含水层的pH值以弱碱性为主,范围为7.63~8.18。开采9号煤层时,顶板水害的充水水源主要为长兴组灰岩含水层;顶板涌水特征主要表现为:涌水突发性强、水头值大、衰减速度快、涌水持续时间较短,涌水出现的位置绝大部分处于工作面下三分之一位置。针对黔北煤田顶板水害问题,提出了控制工作面开采速度,避免工作面长时间停采;加强顶板初次来压和周期来压期间水害防治,以及提前施工顶板水疏放孔等防治水措施。研究结果为黔北煤田顶板水害防治工作提供借鉴。

深孔聚能预裂爆破切顶卸压机理与应用

为解决悬顶导致的煤柱及邻近巷道高应力和大变形问题,结合工作面顶板地质条件,提出深孔聚能预裂爆破切顶卸压专项方案,采用数值模拟及现场试验对卸压效果开展综合研究。研究结果表明,煤层顶板在切顶后垂直应力减幅为21.62%,预裂切顶措施可显著降低煤柱及邻近巷道围岩应力水平。试验发现,炮孔内轴向贯穿裂缝明显,可实现采空区顶板及时垮落。顶底板在切顶后累计位移量减幅达59.27%,巷道两帮及顶底板移近变形得到有效控制,煤柱垂直应力增量显著降低。实践证明,采用深孔聚能预裂爆破切顶卸压效果显著,可大幅提高作业效率,为类似矿压防治工程提供借鉴。

煤层顶板深孔预裂爆破新型封孔材料及填塞效果研究

针对爆破作业时传统黏土炮泥填塞深孔炮孔环节存在劳动强度大、填塞进度慢、炮泥运输费用高等问题,研制一种输送方便、固结时间短、封孔效率高的新型填塞材料,同时以黏土炮泥的封孔性能为对比对象,研究新型填塞材料的基本性能和封孔效率。研究结果表明:新型填塞材料的凝结时间随着水灰比的增大而增大,且材料水化反应最大放热温度为65.6℃,该温度对于炮孔封堵来说是安全的;新型填塞材料的单轴抗压强度随水灰比的增大而减小、随龄期的增长而增大,且其强度远高于黏土炮泥材料;在静载压缩作用下,新型填塞材料和黏土炮泥材料的填塞能力都随填塞长度的增加呈指数函数趋势增加,但新型填塞材料的填塞效果远高于黏土炮泥;新型填塞材料的填塞能力随填塞长度增加的速率远大于随龄期增长的速率。研究成果可为深炮孔高效封孔工艺提供一定的理论参考。

高家堡煤矿顶板深孔爆破致裂半径数值模拟及试验研究

冲击地压灾害是制约高家堡煤矿安全高效回采的难题之一,顶板深孔爆破作为一种有效的冲击地压灾害控制手段,已被应用于高家堡煤矿的冲击地压防治。顶板深孔爆破致裂半径是设计爆破方案的重要参数之一。为探究高家堡煤矿顶板深孔爆破的致裂半径,以高家堡煤矿二盘区205工作面地质条件为工程背景,采用数值模拟和现场试验方法进行研究。首先,基于Hoek-Brown破坏准则的应变软化模型数值模拟了岩石柱状爆破,数值结果表明该条件下顶板深孔爆破钻孔径向方向粉碎区半径为0.58 m,裂隙区半径为3.00 m。然后,在高家堡煤矿205工作面回撤通道开展顶板深孔爆破致裂半径测定现场试验,采用束管分析技术对检测孔在顶板爆破前后的气体成分进行测定。结果表明,距离爆破孔2.95 m处的3号检测孔中氧气和二氧化碳含量降低,氮气含量增加,且检测到一氧化碳气体,说明爆破试验孔产生的爆破裂隙导通了3号检测孔,可确定高家堡煤矿顶板爆破致裂半径可达到2.95 m,该结果与数值模拟基本一致。研究结果能够为类似条件下顶板深孔爆破方案设计提供指导。

坚硬灰岩顶板破断对煤层底板破坏特征

为研究坚硬灰岩顶板破断对煤层底板变形破坏的影响,以黄河北煤田邱集煤矿111107工作面为背景,基于顶板岩体破断动载应力函数,运用FLAC^(3D)模拟了坚硬灰岩顶板破断对采空区底板的破坏过程,对比了不同动载幅值下采空区底板破坏特征,基于深孔聚能爆破预裂技术,设计了爆破切顶方案,为坚硬灰岩顶板工作面安全开采提供保障。模拟结果表明:动载作用前后底板破坏范围和深度有明显增加,底板最大破坏深度达12 m,动载作用结束以后,残余应力波仍持续影响采场底板,直到灰岩顶板破断150 ms后,采场底板的动力响应才全部结束;随着动载幅值增大,底板破坏范围逐步增大;在持续时间相同的条件下,当幅值小于10 MPa时,动载作用前后底板破坏变化不明显;当幅值大于10 MPa时,动载作用前后底板破坏有明显变化。

超前深孔预裂爆破有害气体产生规律及治理

煤层顶板坚硬不易垮冒,导致工作面开采时面临较为严重的冲击地压灾害。为防治冲击地压灾害,矿井采用超前深孔断顶爆破方法进行治理,爆破后产生的CO、NO、NO_(2)等有毒气体干扰了煤炭自然发火预测预报的准确度。为研究宽沟煤矿工作面超前深孔断顶爆破后有害气体产生规律,首先,对矿用乳化炸药成分、爆炸产生有害气体含量进行测定,掌握乳化炸药有害气体产生机理;然后,通过现场测定爆破前后工作面回风流不同区域CO气体浓度,探明了爆破后有害气体在工作面分布情况及影响时长。研究结果表明,工艺巷与煤层预裂爆破后,回风流内的CO浓度增长最高,影响CO浓度平均影响时长4.07 h。基于矿井瓦斯抽采截流技术,提出了CO气体抽排技术方案。

注浆技术在断层破碎带的应用

在煤矿巷道掘进过程中揭露地质构造后,往往会出现顶板破碎、炸帮、底鼓等情况,当顶板破碎严重时,顶煤便留不住。通过注浆加固,可以有效控制顶板,并且使顶板处于稳定状态。以山西省南阳坡煤矿为研究背景,采用注加固材料等方法研究了治理破碎顶板的技术。研究表明,注加固材料并加强支护后效果良好,所选用的方法可以有效增强顶板的稳定性,进而加快掘进速度,保证工作面的有序衔接。研究可以为顶板管理提供宝贵的经验,为行业内顶板破碎治理提供理论依据。

龙岩市非煤矿山顶板事故分析与管理措施

顶板事故在非煤地下矿山事故中占比最多,顶板管理是非煤地下矿山安全管理的重点和难点。统计分析龙岩市2008—2023年共15a的顶板事故情况,总结非煤矿山顶板事故的特点。研究得出,矿井爆破工艺技术水平低及在大暴露空间下进行作业是顶板事故原因。提出改善措施,将中深孔爆破分段崩落采矿法代替空场法,但受到矿石价格影响,该方法成本高,当前可行性低;通过推广应用凿岩台车、撬毛台车等机械工具,严格控制井下采掘作业空间宽度和高度等措施,加强顶板管理,努力实现顶板零事故。

深部地堑构造区域沿空工作面冲击地压分析及防治措施

针对地堑构造区域容易发生冲击地压灾害的问题,以山东某矿6305工作面为工程背景,采用现场调研、理论分析和数值模拟等方法,深入研究了深部地堑区沿空工作面冲击危险性,并提出了相应的卸压措施。研究结果表明:6305工作面回采至FL37断层时,工作面前方距离地堑构造带处15~30 m超前支承压力明显,最大应力为34 MPa,而当回采至地堑构造区域时,FL39断层处应力变化不大,即地堑构造区域应力变化不明显。根据6305工作面回采期间应力云图及微震数据,针对高应力集中区可采取大直径深孔卸压、顶板致裂以及爆破卸压方案进行卸压解危措施。经过钻屑法的卸压监测,实现了对6305工作面的安全开采,对其他类似工作面的安全生产具有重要意义。

充填体下切割天井一次爆破成井技术研究与应用

爆破成井是中深孔或深孔采矿方法中关键的一个工艺,主要包括分次或一次爆破成井方式。在中深孔采矿工艺中,切割天井是重要的采切工程,通常采用普通法、吊罐法或爬罐法进行施工,存在较大的安全隐患,并且掘进效率较低,严重影响矿山生产。近年来,三山岛金矿下向中深孔分段采矿面临充填体下中深孔采场切割天井的施工难题,研究了直孔掏槽法切割天井的一次爆破成井技术及应用效果。通过爆破参数计算,选用装药孔直径Φ65 mm、补偿空孔直径Φ110 mm的钻孔孔径,综合考虑确定了装药孔与空孔之间的距离为0.3 m,能够满足爆破补偿空间及自由面的要求。结合矿岩稳固条件,选用9孔掏槽方式,进而制定了炮孔布置方案,即掏槽孔设计1个中心装药孔,12个空孔作为补偿孔,辅助孔4个,周边孔12个,共计29个孔。在确定炮孔堵塞长度、炸药选择、装药结构、微差时间、起爆顺序等工艺参数之后,开展了切割天井的现场工业试验。试验表明:切割天井一次爆破成井方案是可行的,爆破块度均匀,无大块和过粉现象,爆破扰动小,爆破成形规格满足设计要求,爆破效果良好,为其它类似条件的切割天井一次爆破技术应用提供了参考依据。

黑山铁矿井下爆破工艺优化与悬顶处理方法研究

针对黑山铁矿巷道掘进及中深孔爆破中存在的巷道成巷效果差、大块产出率高及悬顶等问题,对井下爆破工艺优化与悬顶处理技术进行了研究,提出将原“三角形”掏槽方式改为“梅花形”掏槽,增加掏槽孔数目,改进爆破网络,采用通讯电缆替代脚线串联起爆的爆破工艺优化方法;在此基础上,提出了双凿岩中心切割井拉槽爆破,基于爆破参数优化的大块处理及无需补孔的井下悬顶爆破处理技术体系。通过现场实践,井下大块及悬顶得到了有效控制,巷道成巷效果良好,矿石回收率提高了2个百分点,整体创收效益达约623万元,可为类似条件矿山爆破工艺优化提供指导与借鉴。

大巷高位爆破切顶控制综采工作面采动压力方案研究

山西长榆河煤业在回采15号煤层时采动动压和采空区岩层移动均对东翼胶带大巷和东翼辅助运输大巷有较大的压力显现,出现顶板下沉、底鼓、两帮收敛、工字钢棚变形等现象。针对这一问题,为了保证该矿东采区15108工作面安全顺利开采,决定进行切顶卸压工程。通过分析研究,决定在东翼辅运大巷进行超深孔高位切顶爆破,并对关键层、爆破钻孔布置和参数等进行了研究设计。实践表明,设计的切顶爆破方案实施效果良好,工作面的回采动压被有效阻断,回采期间几乎没有压力显现。

复杂顶板定向钻孔穿层段大直径套管护孔技术及应用

针对煤矿井下复杂顶板瓦斯抽采大直径高位定向钻孔存在的穿层孔段轨迹偏斜、孔壁坍塌、施工效率低等问题,提出基于复合强排渣钻进技术与跟管下放套管技术的大直径套管护孔技术,分析了复合强排渣钻进技术原理,设计并试制了套管下放钻具串。在山西晋城矿区王坡煤矿进行了现场试验,完成了3个复杂顶板高位定向钻孔穿层孔段大直径套管护孔施工,套管下放深度35 m,套管直径为244.5 mm,综合施工效率提高30%以上。结果表明,大直径套管护孔技术能够成功突破复杂破碎地层,确保护孔套管顺利下放,对穿层孔段孔壁形成可靠支护,为顶板高位定向钻孔的顺利实施提供了技术保障。

坚硬顶板群临空巷道强矿压显现特征及控制

为解决局部坚硬顶板群破断,致临空巷道强矿压显现的顶板安全问题,以酸刺沟煤矿6_(上)207工作面为研究背景,精准测定了坚硬顶板群分布范围与巷道强矿压显现特征,开展了巷道临空侧坚硬顶板群深孔定向爆破压裂卸压,并揭示了卸压机理。结果表明:坚硬顶板群分布于工作面采位2240~2840 m,强度均大于53 MPa,其失稳破断是造成6_(上)207辅运巷强矿压显现的根本原因。采用深孔定向爆破技术对22~55 m坚硬顶板群进行了压裂,使得破断块体回转挤压转变为滑移垮落,卸压效果显著。保证了酸刺沟煤矿安全生产。

掘进工作面顶板富水区超前疏放治理技术

为解决吕梁山煤电有限公司3-3032综掘巷道顶板富水区对掘进安全及巷道支护的影响,保证安全掘进,采取物探手段明确低阻异常区域划分范围,利用定向钻机向异常区施工顶板疏放水钻孔,待孔口放水量稳定在5 m^(3)/h及以下时,对钻孔实施全段注浆封孔,充填导水裂隙,掘进期间通过注浆锚杆与螺纹钢锚杆对顶帮围岩补强加固,加固后的巷道顶板最大移近量为164 mm,未出现明显离层空顶现象。

引洮二期工程八干渠饱和浅埋土塌方洞段处理方案比选

引洮二期工程八干渠后段地质条件较差,施工过程中经常发生掉块、塌方等地质灾害,特别是八干渠22#隧洞。文章对工程实例进行对比研究,得到了切合实际、经济可行的处理方案。文章针对引洮二期工程八干渠后段22#隧洞新增斜井上游浅埋饱和洞段运用对比分析法讨论洞顶浅埋洞段塌方处理的几种方案,通过分析得到适合该地质条件、投资上经济、技术上可行、效果更佳的施工方案。研究结果表明浅埋饱和土塌方洞段适合运用高压旋喷桩方案处理。文章可为今后类似工程的施工提供有效的参考。

司马矿顶板预裂爆破工艺参数设计与应用

为了解决司马矿顶板硬度大而导致顶板难以松动和垮落的问题,对顶板岩层进行了深孔爆破切顶卸压。根据煤矿井下实际地质情况,设计了钻孔参数、爆破参数等,确定了顶板预裂爆破的关键参数。应用结果表明,采用顶板预裂后,顺槽支架的平均工作压力比采面中部支架降低7.2%以上,来压步距降低26.6%,有效地解决了采场压力波动大、安全性差等问题。

高应力坚硬顶板深孔爆破卸压及见方效应分析

高应力坚硬顶板条件下工作面推进至采空区见方,极易引起上覆岩层结构失稳,诱发顶板事故。顶板深孔爆破是高应力坚硬顶板卸压的重要手段,目前顶板深孔爆破对见方区卸压的影响研究不足。以余吾煤矿N2107工作面坚硬顶板为工程背景,开展顶板深孔爆破技术,采用微震监测、钻孔应力、钻屑监测等方法评价两次采空区见方的卸压效果。结果表明,顶板深孔爆破对坚硬顶板卸压起到积极作用,两次采空区见方期间微震监测未出现大能量事件,钻孔应力监测和钻屑监测稳定在安全值范围。采空区见方表现出见方效应的压力显现特征,局部区域微震事件能量接近预警值,钻孔应力保持上升趋势。在此基础上,提出了采空区见方的卸压优化建议,以确保及时掌握动压信息,提高卸压效果。