近距离煤层区段煤柱集中应力传递特征试验研究

探究煤柱应力向底板传递特征对确定近距离煤层巷道围岩控制方法具有指导作用。以山西杜儿坪矿近距离煤层为原型,开展上煤层开挖相似模型试验,利用DIC技术采集底板深度不同水平层位应变数据,分析垂直、水平、及剪切三种应变的分布特征和应变峰值距煤柱边界水平距离的变化规律,探究上煤层开采后区段煤柱集中应力向底板的传递特征。结果表明:煤柱底板区,三种应变均以煤柱中心为轴呈非对称双峰分布特征,垂直、剪切两种应变峰值为先开挖面煤柱侧小于后开挖面煤柱侧,而水平应变峰值则恰好相反,三种应变峰值均随底板深度增加而减小;采空区底板,垂直、剪切两种应变远离煤柱边界逐渐趋于0,而水平应变则显现出反复增减多变特征。三种应变峰值距煤柱边界的水平距离表现为垂直应变为先开挖面煤柱侧大于后开挖面煤柱侧,但剪切应变则刚好相反,而水平应变则先后开挖面煤柱侧均相等,且三种应变距煤柱边界水平距离均随底板深度增加而增大。垂直、水平应力分别为压、拉应力,而先后采面煤柱侧剪切应力则不同分别为拉、压应力;垂直、剪切两种应力均显现为高应力水平,但水平应力甚小;垂直、水平两类应力峰值均位于煤柱底板区,而剪切应力峰值却位于采空区底板;垂直、剪切两种应力随远离煤柱边界均趋于0,水平应力则显现反复转化增减特征。选择近距离煤层巷道围岩控制方法既应重视垂直应力的作用,也应关注剪切应力对其失稳破坏的影响。

近距离下层煤开采区段煤柱合理错距研究

为了研究近距离煤层群开采形成的煤柱群合理错距问题,以山西甘庄煤矿8~#和11~#煤层为研究背景,采用理论计算的方法,构建了煤柱群合理错距的力学计算模型,利用数值模拟研究了区段煤柱的应力扰动特征和合理错距长度,并通过现场应用验证了研究的科学合理性。研究表明,煤柱群应力扰动范围可分为3个区,分别为应力集中区、应力扰动区、应力叠加区,应力分布范围受煤柱应力传递角、层间距和上煤柱留设宽度影响,且与层间距成线性关系,与煤柱应力传递角成三角函数关系,层间距对煤柱合理错距长度的影响最大。由数值模拟和理论计算得到,区段煤柱的合理错距长度为40 m,同时采用YHY30本安型钻孔应力计对现场展开监测,监测数据与理论分析结果接近,验证了研究的准确性。

增量荷载作用下沿空工作面冲击地压防治研究

深部沿空工作面容易发生冲击地压,造成矿井停产,治理难度大,煤柱留设的实际效果已成为影响矿井安全高效生产的重要问题。以鄂尔多斯地区深部开采为背景,在分析巨厚基岩地层结构、工作面大煤柱和沿空巷破坏等冲击地压发生特征的基础上,研究沿空侧向覆岩结构及荷载特征下冲击地压发生规律。根据实际条件,计算分析了侧向支承压力分布特征,数值模拟研究了工作面侧向支承压力分布及急增载破坏特征,得到小煤柱留设是减弱巨厚基岩地层下沿空工作面冲击危险的最优方案,并进行了实践,实现了石拉乌素煤矿小煤柱工作面的安全开采,结果可为类似条件工作面沿空开采提供借鉴。

沿空工作面终采线外错诱冲机理及防治技术研究

为掌握终采线外错开采时沿空巷道围岩应力的分布规律和冲击危险,基于崔木煤矿22307工作面工程背景,通过数值模拟分析了终采线内错、外错和平齐3种情况下的应力变化特征,提出采空区顶板联动是造成沿空巷道冲击地压的主要原因,并对顶板联动条件进行了研究。研究结果表明:工作面终采线外错后与侧向采空区发生的顶板联动会带来更高的冲击危险,而顶板联动同时受厚层坚硬顶板、区段煤柱和双工作面开采宽度的影响。通过对终采线外错区域采取顶板预裂爆破措施后,微震事件能量和频次得到了明显降低,保障了末采期的安全生产。

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。

区段小煤柱破坏规律及合理尺寸研究

为了防止煤柱冲击地压现象、改善工作环境并提高回采率，采用现场观测法，分析了沿空掘巷小煤柱以及工作面煤体内应力变化、超前支承压力的影响范围，以及小煤柱煤巷变形破坏规律，并通过数值模拟分析了4种不同宽度煤柱的塑性区变化范围．结果表明，煤柱的破坏情况受煤柱宽度影响较大．小煤柱外边缘，即临近上区段采空区部分受回采影响已基本呈塑性状态；内边缘即靠近本区段煤体部分，在距工作面4m左右开始进入塑性破坏状态；煤柱宽度在6～8m之间时中部存在一定范围弹性核．适合崔庄煤矿条件合理区段煤柱宽度应为6～8m．

大采高工作面区段窄煤柱合理尺寸研究

以亭南煤矿二盘区大采高工作面及区段煤柱为研究背景,采用理论计算、现场实测分析了煤柱中部核区宽度及破坏范围,并通过数值模拟分析了盘区已采工作面侧向应力的影响范围及四种不同尺寸煤柱塑性破坏情况。研究结果表明：煤柱破坏情况受采动影响较大;在距煤柱边缘0-3m范围内为破碎区,距煤柱边缘3-6m范围内发生不同程度的破坏,但仍具有一定的承载能力;采空区侧向低应力区为4-20m;当宽度为10-12m时煤柱中部破坏小,结构稳定,最终确定适合亭南矿区段窄煤柱合理尺寸为10-12m。

联合布置采区集中下山保护煤柱留设尺寸研究

为确定翟镇煤矿三采区集中下山巷道合理保护煤柱宽度,采用理论分析、UDEC计算机数值模拟的方法,分析了1401E工作面超前支承压力的分布规律,模拟了集中下山巷道在不同宽度保护煤柱条件下受采动影响的应力应变情况。最终确定合理的集中下山巷道保护煤柱宽度为20m,并且取得了良好的工程应用效果。

多煤层采区上山与煤柱之间的关系

根据平煤集团八矿多煤层开采地质条件 ,实测了各煤层移动支承压力显现 ,以及固定支承压力显现 ,指出巷道围岩有效载荷系数升高是底板巷道变形破坏的主要原因 ;研究了两侧采空时采区上山合理煤柱宽度 ,以及采区内不同煤组上山的布置问题 .研究成果对深部开采多煤层采区上山布置具有指导作用 .

冲击地压矿井采区下山保护煤柱合理宽度研究

留设合理宽度的采区下山保护煤柱是防范采区下山发生冲击地压的关键。为探讨冲击地压矿井采区下山保护煤柱宽度的确定方法,以李楼煤矿采区下山保护煤柱合理的宽度确定为工程背景,运用矿压理论研究了工作面向采区下山推采过程中覆岩运动规律、支承压力演化特征、冲击地压类型及其发生机制,分析了现场工作面推采过程中的微震监测数据和应力动态监测数据,综合确定了李楼煤矿工作面采动影响范围,提出了以防范各类冲击地压为原则的采区下山保护煤柱宽度的综合确定方法,并进行了工程验证。结果表明:①随着工作面向采区下山推进,采区下山保护煤柱宽度逐渐减小,工作面超前支承压力与采区下山侧向支承压力及两翼工作面超前支承压力将发生叠加、集中,震动附加应力与采区下山侧向支承压力叠加程度逐渐增大;②采区下山可能发生静动载叠加型、应力叠加型和蠕变型等3类冲击地压;③工作面超前、滞后采动影响距离为235 m,侧向采动影响距离为105.5 m;④从防范采区下山动静载叠加型、应力叠加型和延后蠕变型冲击地压的角度,综合确定李楼煤矿采区下山一侧保护煤柱宽度应不小于235 m。回采后期现场监测结果与收尾情况初步验证了当前李楼煤矿采区下山一侧保护煤柱240 m的合理性。

补连塔井田区段煤柱参数分析

介绍了补连塔煤矿的基本情况 ,着重对区段煤柱的参数作了分析 ,并进行了经济对比 ,若按本文优化参数 ,可多获利 15 5 5 8亿元。

华亭煤矿合理煤柱尺寸确定及分层巷道布置优化

在华亭矿地质条件基础上,利用数值模拟软件对特厚煤层分层综放开采煤柱的留设和分层巷道布置进行优化计算,得出了较优的区段煤柱尺寸和分层巷道的布置方式。并将所得的煤柱尺寸和实际进行比较,基本满足工程需要。

复合顶板沿空巷道煤柱宽度优化及围岩控制技术研究

复合顶板沿空巷道在回采扰动下,煤柱尺寸选取时应充分考虑其顶板结构的特殊性,巷道支护设计时应更注重复合顶板的控制,并尽可能增加巷道护表面积。以新源煤矿2203轨道平巷为研究对象,在理论计算最小煤柱尺寸范围在6.07~7.12m的基础上,通过数值模拟研究采动影响下不同尺寸煤柱受力及变形特征,得出区段煤柱为8m时,一次回采扰动后煤柱中部仍有弹性核心区,支护加固后可以保证二次回采超前动压影响下的巷道安全性,煤柱承载能力得到较大提升。研究成果在新源煤矿2203轨道平巷进行了工业性应用,围岩控制效果较好,保障了工作面的安全顺利生产。

煤矿地下水库相邻采空区水力联系及渗流规律研究

区段煤柱参数对相邻采空区间的水力联系具有显著影响,而在煤矿地下水库设计时,区段煤柱参数的确定缺乏科学理论支撑。针对上述问题,以万利一矿4-2煤盘区区段煤柱为研究对象,根据区段煤柱侧向支承压力演化规律设计煤(岩)样渗流试验,获得煤(岩)样渗透率随垂直应力的变化函数,揭示了采空区多孔介质渗透率的分布规律。在此基础上开展了区段煤(岩)柱水渗流特性的CFD数值计算,结果表明:随着采空区水位的降低、煤柱宽度的增大,采空区水流动范围和流动速度均不断减小,水位18.65、28.65、38.65 m条件下采空区水进入相邻采空区的临界煤柱宽度分别为30、50、70 m;当区段煤柱宽度小于10 m时,采空区水可以在底部煤层绕过弹性核区进入相邻采空区;当煤柱宽度超过20 m时,采空区水不能通过底部煤柱进入相邻采空区。

基于煤厚变化的分区域合理煤柱尺寸及控制技术研究

针对综放工作面煤层厚度变化较大,留设过大的区段煤柱会造成煤炭资源浪费的问题,以红树梁煤矿6107工作面为工程背景。基于煤层的厚度变化,将6107工作面分为3个区域,结合运用理论分析、数值模拟与现场试验等方法,分别得到6107工作面西侧区域、中部合并煤层区域和靠北翼大巷区域的最优区段煤柱的宽度分别为14m、19m和11m;辅运巷道需直线布置,综合研究3个区域的区段煤柱宽度,最终确定6107工作面的整体区段煤柱宽设计为17m;提出分区域支护技术控制巷道围岩的稳定性;研究成果成功应用于工程实践,为类似条件下巷道布置提供了有益借鉴。

耿村煤矿巨厚煤层区段煤柱综放复采可行性研究

为延长矿井服务年限、提高煤炭资源回收率和缓解矿井接替紧张状况,以耿村煤矿巨厚煤层区段煤柱为研究对象,提出复采巨厚煤层区段煤柱的综放开采技术,建立工作面覆岩破断模型,确定复采工作面布置在与区段煤柱相距30 m处的煤矸互层中,保障巷道的安全使用。通过判定工作面冲击地压等级,提出防控冲击地压、巷道支护失效、瓦斯超限爆炸和煤炭自燃发火等灾害技术方案。结果表明,复采区段煤柱及老空区遗煤是安全可行的,区段煤柱的复采延长了矿井服务年限,提高了煤炭资源回收率,缓解了矿井工作面接替紧张状况。研究结果可为类似条件矿井提供复采参考依据。

倾斜特厚煤层区段煤柱尺寸及分区围岩控制研究

为确定倾斜特厚煤层综放工作面沿空掘巷区段煤柱的合理尺寸,以孟家窑煤矿11503综放工作面沿空掘巷为工程背景,基于倾斜煤层基本顶破断之后的岩层结构,建立倾斜煤层工作面“大、小结构”力学模型,推导出适合小结构布置区域的低应力场范围表达式,并通过“尖点突变”理论分析区段煤柱发生失稳突变的充要条件。采用FLAC^(3D)模拟不同尺寸煤柱的受力及围岩变形规律。研究表明:受到煤层倾角和基本顶关键块回转挤压的影响,煤柱内部破坏形式主要为剪切破坏,破坏区域主要集中在其上部偏向采空区位置;随着煤柱宽度的增大,在沿空掘巷小范围内上覆岩层压力由实体煤承担逐渐转向由煤柱承担;结合应力场、位移场和塑性区变化情况,最终确定煤柱的合理尺寸为15 m。通过分析不同采掘阶段沿空巷道围岩应力分布和演化特征,提出适合不同阶段的围岩控制方案。结合现场工程实践表明,15 m煤柱宽度及围岩控制方案能够满足巷道稳定性要求。

矿震扰动下采区煤柱应力偏量集中区诱冲机制及防治方法

以张双楼矿西一采区生产地质条件为工程背景,基于应力偏量、等效应力、Mises强度准则、能量释放速率分析了煤岩冲击失稳的充要判别准则,揭示了采区煤柱覆岩结构、应力偏量、矿震事件随工作面回采演化规律,并探讨了矿震扰动下采区煤柱冲击危险防治方法.结果表明:煤岩冲击失稳充要条件为开采活动及矿震扰动引起的应力偏量超过煤岩体强度极限,且单位时间内煤岩系统释放弹性能量与矿震应力波输入能量之和大于煤岩系统稳态破坏消耗能量;随着采区工作面持续开采,采区煤柱两侧覆岩形成"T"型悬臂结构并不断损伤破坏;以标量应力偏量第二不变量J2表征应力偏量σ′_(ij),煤柱区应力偏量前期呈"M"型分布并逐渐向单峰型转变,屈服破坏区逐渐向煤柱中部扩展;以矿震频次、能量、震源位置表征应力波扰动σ_(ij)~d,矿震扰动以低能量事件为主,且主要集中于正回采工作面及采区煤柱区域.根据分析结果,提出矿震扰动下采区煤柱切顶爆破、扩大采区煤柱宽度、跨上山开采、大直径钻孔卸压等防冲方法.

特厚煤层下山煤柱区巷道冲击危险性实时监测预警研究

通过理论研究和现场实测,研究了特厚煤层煤巷下山发生冲击地压的原因和冲击危险性实时监测预警方法。研究结果表明,下山煤柱区地层结构与开采形成的"不对称工字形"覆岩空间结构是造成异常应力集中的根本原因。通过建立下山煤柱区上覆岩层空间结构模型和走向支承压力估算模型,得到了煤柱区域支承压力分布规律,该支承压力分布区域的移动和量值的变化是导致下山煤柱区巷道发生冲击地压的主要原因。提出了震动场-应力场一体化监测预警下山煤柱区巷道冲击地压方法,应用微地震系统监测覆岩断裂运动,通过微震冲量快速预测"冲击危险区",通过钻孔应力动态预警"冲击危险程度",实现了下山煤柱区巷道"区域与局部相结合"和"冲击危险区与冲击危险程度相结合"的冲击地压实时监测预警。经千秋煤矿21采区下山煤柱区现场应用,效果良好。