长春兴煤矿应力叠加区端头煤柱破碎机理及控制技术

长春兴煤矿307工作面受多重集中应力影响,尾端头煤柱垮落严重,应力区顺槽顶板下沉断裂、两帮煤柱收敛等,严重制约工作面安全快速推进。通过技术研究,分析了端头区围岩破碎机理,并根据生产现状,对端头区围岩采取卸压支护+柔性注浆+自移式钢棚联合支护技术。实际应用表明,采取联合支护技术后,端头区悬顶面积减小至1.2 m^(2),端头煤柱垮落长度减小至0.8 m,超前30 m范围内回风顺槽顶板下沉量减小至0.13 m,两帮收敛量减小至0.21 m,支护效果明显。

末采期相邻采区间煤柱对泄水巷应力影响研究

基于长城三矿两相邻采区开采为研究背景,采用FLAC^(3D)数值模拟方法,对工作面末采期间两采区间留设煤柱与相邻巷道内应力分布规律进行探讨;研究表明,工作面末采阶段,受超前与侧向支承压力影响,两采区留设煤柱及附近泄水巷道应力集中程度高,应力集中系数可达1.89,易积聚大量的弹性应变能,具备较明显的矿压显现与冲击地压危险性;应强化末采阶段工作面与煤柱应力与冲击地压危险性的监测,若发现异常矿压显现或冲击地压危险,应及时采取有效的卸压解围措施。

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。

综采工作面尾端头应力破坏区控制技术

为了控制211工作面尾端头煤柱垮落、顶板下沉破碎以及支架卸载等现象,分析了尾端头支护存在的主要问题,提出了“深孔卸压+端头超前深孔注浆+滑靴式恒压钢棚”等联合支护。实际应用效果表明:采取联合支护技术后,端头空顶面积减小至0.7 m~2,端头支架平均工作阻力为28 MPa,未出现支架卸载现象,取得了显著应用成效。

露天矿端帮煤柱回收井工开采工作面推进方向的优化

为科学优化井工开采工作面的推进方向,保证边坡稳定的同时进一步提高煤炭采出率,以平朔矿区平面露井协采工程实践为背景,采用相似材料模拟实验的方法,研究了露天矿端帮煤柱回收过程中顺坡开采和逆坡开采对边坡变形破坏影响的差异性,构建力学模型分析了引起工作面煤壁侧垮落角小于开切眼侧垮落角的根本原因。研究结果表明,平朔矿区类似地质与采矿条件下,上覆岩层破断机制的不同,导致开切眼侧垮落角与煤壁侧的垮落角相差约7°,且顺坡开采有利于边坡稳定。基于以上结论,若采用顺坡开采方式,不但可以减小井工开采对边坡稳定的影响,还可以进一步缩小露井协采边界参数,采出更多的端帮压煤。

侧向支承应力作用下6.0m小煤柱巷道加固技术研究

为了解决塔山煤矿三盘区6.0m小煤柱巷道围岩稳定性控制难题,利用数值模拟与现场实测研究相结合的方案,对8311工作面回采过程中煤柱应力的变化规律和侧向支承应力作用下小煤柱巷道加固技术进行了研究,提出了对穿锚索加固小煤柱配合顶板支护方案,有效的降低了6.0m小煤柱巷道的围岩控制技术难度。数值模拟研究表明,随工作面与测站相对位置变化,小煤柱先后承受超前支承应力与侧向支承应力作用,煤柱应力逐渐增大。通过现场工业性试验,采用对穿锚索加固小煤柱配合顶板支护方案后,巷道中央顶板的最大收敛量为241 mm,两帮移进量最大为521 mm,能够满足巷道服务期间的安全生产要求。研究结果表明,采用对穿锚索加固小煤柱配合顶板支护方案,解决侧向支撑压力作用下小煤柱巷道的维护难度是可行的。

急倾斜煤层石门保护煤柱合理尺寸研究

长沟峪矿-140m水平东一石门是开采-230^-310m水平4槽煤柱的惟一通道,通过数值模拟手段分析了4槽煤柱终采线"移动"后围岩的等效应力场,得到了沿-140m水平石门的等效应力和位移的变化曲线,分析了-140水平石门保护煤柱合理尺寸。

端帮采场覆岩移动破坏规律及边坡稳定控制方法

受工艺和安全因素限制,我国露天煤矿端帮边坡角较缓,正常情况下仅为20°~35°,全国范围内数十亿吨的煤炭资源被端帮边坡压滞,随着内排及复垦工作的完成,这些压滞资源多数将无法回收。随着煤炭资源的日益减少和采矿技术的不断进步,煤炭开采逐渐由易采资源开采向深部资源和复杂难采资源开采过渡,露天矿端帮压煤及残煤回收逐步得到重视。工程实践表明,端帮采煤机开采技术是一种快速灵活、安全高效、经济环保的露天矿端帮压煤开采工艺,该技术的实质是在边坡下部煤层出露位置沿煤层施工一系列垂直于边坡走向的巷硐,开采全程无支护,通过各巷硐之间保留的支撑煤柱来支承上覆岩土体重量,致使“露采”和“巷采”2种开采方式的采动效应相互叠加、相互影响,最终形成了一个动态的空间形态多元化的复合系统,一旦支撑煤柱发生破坏,很可能诱发煤柱群的连锁失稳,从而导致端帮采场的大面积滑坡。因此,端帮采场安全的重要性不言而喻,而支撑煤柱和采场边坡的稳定性问题是保证端帮采场安全的关键。针对以上问题,以鄂尔多斯地区端帮采煤为背景,综合考虑“露采”与“巷采”2种采动效应叠加对边坡稳定的影响,构建了近水平条件下端帮采场岩土体变形破坏的3DEC数值分析模型,模拟研究了端帮压煤开采全过程采场覆岩的变形移动和应力分布规律。研究结果表明,根据岩土体移动变形特征,可以将采动边坡变形破坏过程划分为表生改造、结构改造、时效变形和最终失稳(稳定)4个阶段,结构改造阶段是边坡发生变形破坏的关键阶段,边坡上部区域是端帮采场边坡发生变形失稳的关键区域,可能的失稳模式为散体物料内部的圆弧滑动或沿软弱岩层的顺层滑动。通过研究,揭示了巷道群上覆岩体“扩大压力拱”的形成过程及其演化规律,提出了基于巷间煤柱合理留设的端帮采场覆岩稳定控制方法和永久隔离煤柱尺寸参数的确定方法,结合数值分析与工程实践,对理论公式的适用性进行了验证。

地下连续开采技术的动力学原理及应用研究

为了解决地下开采留设煤柱带来的回采率与离散位移致灾等问题,提出了将井田内工作面之间保护煤柱、末采大巷或上山保护煤柱一并采出的连续开采新思路。在全面分析现有工作面间无煤柱开采技术特征的基础上,提出工作面推进方向上工作面末采实现无煤柱贯通上山或大巷的新技术;结合最低系统工作面的采煤方法与上一级系统的相关性,形成了"110/N00工法末采无煤柱贯通上山或大巷"在内的连续开采新技术,应用复动力系统理论揭示了连续开采的动力学原理。最后,通过工程案例证实了连续开采技术思路的科学价值和应用价值,从而为井工开采在科研、设计与生产等环节提供新的技术范式。

露天矿端帮采场边坡变形失稳特征与支撑煤柱稳定性判别方法

针对端帮煤开采引起的端帮采场边坡变形失稳问题,以我国鄂尔多斯地区露天矿端帮煤开采工程实践为背景,建立近水平条件下端帮采场边坡岩体移动破坏三维数值分析模型,模拟再现了煤层采出-采硐群形成-巷间煤柱破坏-边坡变形破坏全过程,揭示了端帮采场支撑煤柱与边坡岩体的移动破坏特征,探明了边坡发生变形失稳的关键部位和触发条件;在特征规律研究的基础上构建了端帮采场支撑煤柱承载模型,提出了基于尖点突变理论与安全系数评价法的支撑煤柱稳定判别方法。工程应用结果表明:该方法可在保证边坡稳定的前提下进一步提高端帮压煤回采率至60%以上。

工作面顺序接续下综放沿空掘巷窄煤柱稳定性控制

为解决窄煤柱沿空侧因支护失效导致的侧向约束弱化问题,提出了基于上区段端头垮落煤岩体注浆充填/加固的窄煤柱稳定性控制方法。通过施工穿透煤柱的钻孔,窥视了山东济宁鲍店煤矿6302综放工作面窄煤柱沿空侧煤岩体垮落堆积状态,直接摄像观测了工作面端头区煤岩体垮落堆积过程,分析了巷旁注浆加固的可行性。根据注浆加固前后煤柱的受力环境,建立了窄煤柱双面侧限(注浆前)及三面侧限(注浆后)的力学模型,并开展了窄煤柱承载力恢复实验,揭示了其承载力恢复机制。研究结果表明:①由于工作面端头不放煤或少放煤,窄煤柱沿空侧基本被上区段端头垮落的煤岩体及巷道坠落的破碎顶煤充填严实,以垮落煤岩体为骨料进行注浆充填具备可行性。②可以通过双面侧限转三面侧限的方式模拟巷旁注浆充填条件下的窄煤柱承载力恢复效果。在煤柱压缩过程中,注浆加固体与煤柱表面需要一定的着力时间才能紧密接触;紧密接触后,在充填体的侧向约束下,煤柱整体承载力稳步提高。③在双面侧限轴向压缩条件下,窄煤柱表现出“人”字形剪切破坏;注浆加固后,煤柱由原来对称的“人”字形剪切破坏转变为向自由面扩容的破坏形式,煤柱趋于稳定。④对垮落煤岩体注浆后,理想条件下可使煤柱残余承载能力提高30%左右。现场工程显示,侧向注浆加固后的窄煤柱整体比较完整,得到了有效的控制,虽然窄煤柱裂隙比较发育,但是由于巷旁充填体同时具备堵漏风的作用,在开采过程中并未发现采空区发火等现象。

平朔东露天矿端帮开采技术

分析了平朔东露天矿4#、9#煤端帮采煤的可行性,通过计算端帮煤柱整体安全系数,结合东露天矿生产条件,得出4#、9#煤采取单排采巷,4#、9#煤支撑煤柱宽度分别为5 m与6 m,隔离煤柱宽度分别为20 m与24 m,隔离煤柱间支撑煤柱数量都为10,通过采取端帮采煤,可多采出原煤28.47 Mt。分析端帮采煤与矿坑生产时空关系,保证端帮采煤上覆岩层安全厚度,使得端帮开采不影响矿坑正常生产与设备安全作业。

端帮开采煤柱应力分布动态演化过程研究

为了解决目前露天煤矿端帮探入式开采工艺中,留设煤柱应力随时间和空间位置不同,分布特征与规律不明确的问题,以源通长富露天煤矿为研究对象,采用理论研究与FLAC3D数值模拟相结合的研究方法,分析采深与煤柱宽度对临界载荷影响、单侧煤壁与支撑煤柱的应力动态分布、区段内煤柱应力分布特征与永久煤柱的应力分布特征,得出相关规律。研究结果表明:随采深的增加,临界载荷呈类似于幂函数逐步降低,初采50m以内减弱较为迅速;随着煤柱宽度的增加,临界载荷呈类似于指数型函数关系增加;单侧煤壁处于工作面侧向支承压力增高区内;支撑煤柱前方出现应力集中,应力分布呈现"驼峰"型;区段开采结束后,区段间内的煤柱应力随采深的增加,应力呈逐渐减低;永久煤柱在开采过程中应力分布呈现"峰型"趋势,煤柱中部存在弹性核区。

房柱式采空区影响下露天端帮煤开采安全控制技术

为了保障房柱式采空区影响下露天端帮煤的安全高效开采,采用瞬变电磁探测技术探明房柱式采空区与边坡的空间关系,运用自主研发锚固式多点位移计对端帮煤开采过程中的房柱式采空区顶板岩体进行了立体监测,并采用数值模拟对边坡临空面卸荷应力和顶板岩体垂直应力耦合作用下的岩体稳定性进行了分析,对端帮煤的开采方案进行了优化。研究结果表明:瓷窑塔矿南端帮存在复合采空区,其稳定性主要受3-1煤采空区影响,采空区距离2-2煤工作帮纵向埋深为30 m,嵌入露天采场横向距离为50 m;横向上各监测点呈现出"稳定-增长-再稳定"的位移趋势,远端帮监测点位移变化较为稳定;纵向上端帮煤的开采对采空区顶板浅层15 m以内的岩体影响较大,浅层顶板位移出现急剧增大的离层现象,离层区域出现是采空区顶板活化移动的前兆;端帮煤的开采使边坡出现滑移趋势,煤柱帮角岩体由边坡内及外出现"链式集中效应",采空区上部岩体出现明显的卸荷应力区域,埋深为15 m,端帮煤开采应采取保留端帮煤区段2,将台阶高度由15 m降为12 m的开采方案。

窄煤柱对穿锚索注浆加固技术应用

凤凰山煤矿一五一盘区变电所受综采工作面动压影响,两帮煤体破碎发生移近,严重影响变电所安全使用和整个盘区的正常生产,通过分析变电所变形情况和煤体内部结构,采用注浆配合对穿锚索对煤体进行加固处理,成功解决了窄煤柱变形问题。

露天矿端帮采煤机应用分析

对我国近年来出现并引起重视的端帮压煤情况进行了研究与分析。针对我国内蒙西部某露天煤矿的实际开采情况,采用FLAC3D软件对采硐稳定性进行了动态模拟,根据MarkBieniawski公式对永久煤柱、支撑煤柱的合理宽度进行了验算。分析研究了该矿端帮开采顺序、端帮采场开采布置、给出开采参数。

大采高综采工作面不同条件下的矿压显现规律

为解决下层煤综采工作面过上层煤集中煤柱时压架的问题、过薄基岩富水区溃水溃沙问题和初末阶段采矿压异常问题,以神东哈拉沟煤矿22208综采工作面为研究对象,分析其在不同地质条件下矿山压力规律、支架工作阻力、动载矿压显现特征,据此分析5 m采高综采工作面矿压显现的规律,为设备配套选型,工作面布置长度,特殊条件下采取的防范措施提供一定参考。据此提出了高压水预裂、疏放水、调整周期来压、合理控制煤机牵引速度、工作面推进速度和采高等技术措施,预防了综采工作面压架事故,保证矿井安全生产。

露天矿特厚煤层端帮采煤分层开采研究

为研究白音华一号露天煤矿南帮特厚煤层赋存区域端帮分层开采工艺,采用理论分析与数值计算相结合的方法研究特厚煤层端帮采煤工艺及坡体覆岩破坏特征。研究结果表明:加强煤柱每隔5个采硐留设一个,分层开采厚煤层隔层厚度不小于3 m,采用自上而下的方式对厚煤层进行开采。覆岩破坏特征呈现中间区域留设煤柱完整性较好,但位于自由面侧出露煤侧水平隔离层破坏较严重,变薄区层间遗留煤柱完全进入破坏状态,若不对破坏区域采取有效措施,层间煤柱发生垮塌,连采机跌落,有造成事故的可能。

串草圪旦煤矿末采煤柱宽度合理留设

在工作面开采的情况下,末采煤柱宽度的合理留设是保持巷道稳定的关键因素,合理的煤柱留设不仅可以有效提高煤炭资源的回收率,还可以维护大巷的稳定性。本文以串草圪旦煤矿6102工作面为研究对象,运用数值模拟和理论分析相结合的方式,对末采煤柱的留设尺寸进行研究,通过对煤柱进行极限平衡计算,确定合理的煤柱尺寸上下限在15.00~32.54 m之间,并结合数值模拟对末采煤柱宽度为30.0 m、25.0 m、22.5 m、20.0 m和15.0 m等5种方案的巷道围岩应力及塑性区分布状态进行研究,确定了末采煤柱宽度为23 m。此时工作面的超前支承应力对联络巷的影响较小,且煤柱内存在10 m左右的弹性核区,可保证煤柱的稳定性和阻止采空区内的瓦斯涌入联络巷内。研究成果成功应用于工程实践,为类似条件下煤柱留设提供了有益借鉴。

复采煤层末采煤柱合理留设宽度研究

为优化煤柱留设宽度,提高采区煤炭采出率,确保工作面的回采推进速度,结合薛虎沟煤矿2-106工作面实际开采条件,运用理论分析与数值模拟相结合的方法对2-106B工作面停采护巷煤柱尺寸进行研究,通过对护巷煤柱进行极限平衡计算,确定留设合理煤柱尺寸应不小于20.32 m;通过FLAC^(3D)数值模拟分析保护煤柱宽度为25,22,20,15,10 m条件下巷道围岩变形情况,得出留设保护煤柱宽度为22 m时,煤柱内集中垂直应力逐渐向稳定非对称拱形分布形态过渡,煤柱两侧产生一定剪破坏和拉破坏,但煤柱中部未破坏区域范围扩大,煤柱稳定性较好;煤柱留设宽度为22 m时,对2-106B工作面液压支架拆除的时间段护巷煤柱应力进行监测,结果表明,巷道围岩得到有效维护,并处于稳定状态。