坚硬顶板高压磨料射流侧向切顶煤柱卸荷技术研究

针对坚硬顶板下临空巷道存在的高应力、大变形、难支护等问题,分析了磨料射流能量分布情况,研究了磨料颗粒及高压水射流的冲击破岩作用。基于“砌体梁”原理,建立不同岩性条件下的岩层周期破断力学模型,研究了巷道侧向切顶条件下上覆岩层断裂情况,采用数值模拟分析切顶前后煤柱应力变化情况,提出了磨料射流侧向切顶煤柱卸荷技术。现场试验结果表明,采用磨料射流切顶后巷道高度变形量减小38.7%,宽度变形量减小45.8%,巷道变形得到有效控制。同时,切顶后每日最大总能量降低85.5%,平均每日总能量降低82.6%。验证了磨料射流侧向切顶对坚硬顶板的弱化效果,为坚硬顶板弱化治理提供了一种新的技术手段。

高强度采动影响下巷道非对称性加固技术与试验研究

以湾图沟煤矿3号煤层13405、13406工作面巷道大变形为工程背景,综合采用现场调研、工业性试验等方法,总结得到工作面采动支承压力扰动、巷道围岩强度低、巷道支护强度低和巷道支护质量差等是试验巷道变形破坏的主要影响因素。基于此,提出了巷道非对称性加固思路,开发了高强度采动影响下巷道非对称性加固技术,并进行了现场工业性试验,监测了巷道围岩变形量、锚杆受力状态、煤柱应力分布等矿压显现特征,分析了试验巷道采动影响规律和变形破坏特征,矿压监测结果验证了加固技术和支护参数的合理性。

近距离煤层下行跨煤柱开采巷道的合理布局

为了探究遗留区段煤柱对下伏回采巷道布局的影响,以煤峪口矿为工程背景,通过最大主应力集中系数判别底板应力增高区,采用理论解析、编程计算、数值模拟的方法,研究了不同开采阶段底板应力增高区的演化特征.结果表明:区段煤柱宽度、埋深、煤柱边缘至峰值区的距离及其垂直应力峰值控制着应力增高区的发育,采空区应力恢复特征对应力增高区的影响可以忽略;对比各模拟方案中煤柱-巷道错距与应力增高区对下煤层的影响范围峰值,并结合采空区应力逐渐恢复及工作面矿压显现的区域化特征,认为煤柱-巷道错距10~15 m为优选区间.选择12 m错距进行工业试验,取得了良好效果.

高应力煤体小煤柱护巷围岩稳定性控制技术研究

高应力环境临空小煤柱巷道面临围岩稳定性差,巷道维护难度大等问题,以福达煤矿15#煤层5 m小煤柱应用现场为背景,针对影响小煤柱巷道围岩稳定性的关键因素,包括:地应力水平高、围岩稳定性差、煤柱内部遗留钻场空区等,提出了侧向水力压裂卸压、临空巷道围岩稳定性控制及煤柱内隐蔽钻场高水材料充填技术方案,并开展现场应用,结果表明:(1)水力压裂关键层位起裂压力峰值为26.5 MPa,各孔最大压力均值22.3 MPa,孔内原生裂隙受高压水挤压作用逐渐张开,对顶板完整性的弱化作用显著;(2)基于巷道矿压数据分析结论,顶板锚杆应力峰值为108 kN,帮锚杆应力峰值为86 kN,均远低于锚杆的屈服载荷,未出现断锚现象。巷道两帮及顶板下沉量均在可控范围内,巷道收缩量较小,围岩整体稳定性得到有效控制;(3)隐蔽钻场充填高水材料总体积682.9 m3,高于钻场空区总体积,每个充填钻孔均保证返浆后停止注浆,钻场充满率较高,残留1.5 m煤柱稳定性较好,达到了预期效果。

王庄煤矿高应力综放面巷道围岩控制技术

以王庄煤矿2202工作面9106回风顺槽高应力条件切顶卸压后留设窄煤柱为工程背景,基于煤岩体岩石力学实验,通过现场调研、理论分析及数值模拟相结合的研究方法,对深井高应力条件下回采巷道的联合控制技术进行研究。最终确定合理的切顶角度为30°,水力压裂长度为21 m,留设窄煤柱宽度为7.5 m时可以获得较好的留巷效果,实现资源回收和回采巷道掘进速率的最大化;在9105工作面运输顺槽切顶后,进行91062回风顺槽掘巷,采用十字布点法对巷道变形量进行检测,巷道顶底板及两帮的最大变形量分别为231 mm、198 mm,能够满足巷道使用需求。

临空宽煤柱超高压水力割缝卸压防冲技术研究

为解决葫芦素煤矿21105工作面临空宽煤柱冲击地压治理难题,提出了超高压水力割缝卸压防冲技术。采用理论分析研究了高压水射流对煤层的切割深度,以及煤柱切割后的应力转移规律,提出了基于卸荷减载、增加塑性屏障区的超高压水力割缝卸压防冲机制。通过FLAC 3D模拟了临空煤柱在不同割缝工艺条件下的煤岩体应力分布规律,获得了煤柱区域割缝工艺参数。在葫芦素煤矿21105工作面进行了工业性应用,试验区域内微震事件、应力水平及钻屑量较相邻对比区域均得到明显降低。研究结果表明:采用超高压水力割缝技术切割煤层能有效改变煤岩体应力分布状态,使高应力区向深部煤岩体转移,增大采掘空间附近的塑性屏障区范围,有效防治煤矿冲击地压事故。

深部高应力区段煤柱留设合理性及综合卸荷技术

为避免深部矿井高应力煤柱对巷道产生的不利影响,基于塑性滑移场理论、极限平衡理论,结合数值模拟方法,以葫芦素矿井2-1煤首采区为背景,研究区段煤柱集中载荷作用下底板承压破坏范围及其对巷道围岩稳定性的影响程度。结果表明:目前葫芦素2-1煤留设的30 m区段煤柱在侧向支承压力作用下对底板岩层的影响较大,其承压破坏带覆盖整个巷道底板范围,造成巷道底臌严重。为此,提出了"一高一低"的高应力区段煤柱综合卸荷技术,即高位"钻、切、压"一体化技术切断覆岩应力传递,低位煤层小孔径爆破技术释放煤柱内的集聚载荷。现场实验结果表明:卸荷后煤柱内部应力峰值由22. 5 MPa降至15. 7 MPa,压降明显,巷道变形得到有效控制。

深部巨厚砾岩层下高应力煤柱冲击地压防治技术

为解决深部巨厚砾岩层下高应力煤柱附近工作面冲击地压防治问题,以华丰煤矿2410工作面和2409工作面遗留煤柱为研究对象,从采掘布置、原岩应力和采动应力等方面分析其对诱发冲击地压的影响。结果表明:2410工作面过2409煤柱期间冲击危险性较高,局部具有高冲击危险性,该条件下的冲击地压主因以遗留煤柱或区段煤柱周围形成的高应力冲击地压为主,同时伴随着煤柱失稳或采动引发巨厚砾岩层运动产生矿震诱发冲击地压。据此提出在掘进期间采用煤层大直径钻孔卸压为主的边卸压边掘进的防冲措施和工作面回采期间煤柱多轮大幅度卸压的防冲措施,与此同时采用煤粉监测、微震监测等方法进行冲击地压综合监测,从而降低了冲击地压危险性。

煤柱留巷定向水力压裂卸压机理及试验

针对煤柱留巷支护问题,提出一种控制坚硬厚顶板煤柱留巷变形的新方法——定向水力压裂留巷卸压技术,旨在转移护巷煤柱上的高采动应力,改善留巷的应力状态,并提出定向水力压裂煤柱留巷卸压机理。以余吾煤业公司S1206煤柱留巷瓦排巷为研究对象,确定了定向水力压裂钻孔方案、钻孔布置参数及施工工艺。压裂结果显示,横向切槽机械钻头可以在预定位置预制开槽;21~28 m分段压裂时间占总压裂时间48%,是整个钻孔的压裂关键位置;采用间接方法判断裂隙的扩展范围20 m左右。对压裂段和非压裂段进行了表面位移、煤柱垂直应力、工作面超前支承压力、压裂段煤柱上方三向应力等监测。监测结果表明:压裂段两帮收缩量降低30.5%,顶底板移近量降低50.2%;超前压力的影响距离不超过50 m,距离工作面超过15 m左右时,出现应力峰值;超前工作面10 m左右范围内出现塑性破坏;采动影响最显著的作用来自垂直应力;采空区造成应力扰动方向与最大相对主应力方向一致。监测与评估表明卸压效果明显。压裂及卸压结果表明,采用定向水力压裂留巷卸压技术可以消除或减弱坚硬顶板形成的悬顶效应,达到留巷的目的。

高应力软岩缓斜煤层沿空掘巷窄煤柱宽度研究

为研究在高应力软岩条件下窄煤柱留设问题,以曙光矿2~#煤层开采为工程背景,采用理论分析与数值模拟相结合的方法,得出错层位外错式沿空掘巷窄煤柱的确定方法,即从上区段采空区侧向支承应力分布规律、护巷煤柱宽度的理论计算、煤柱垂直应力和煤柱塑性区分布4个方面综合考虑护巷煤柱的宽度。理论计算得出破裂区为3.35 m,塑性区为5.76 m,利用数值模拟得出煤柱合理留设宽度为3.37~5.13 m。通过对不同煤柱宽度下巷道围岩应力分布进行数值分析,结果表明:当煤柱宽度为4 m时,巷道围岩变形小。

煤柱稳定性的微震监测研究

为了监测李雅庄煤矿深部采区采场及覆岩运动,建立了SOS监测系统,采用"D值理论"方法,在李雅庄煤矿深部采区布设11个监测台站,给出了井下波速测定方法,对李雅庄煤矿深部采区工作面覆岩运动进行研究,发现受采动影响工作面煤柱及覆岩在高应力作用下,发生大量微震事件,煤柱表现出不稳定性。根据覆岩的层状结构建立了煤柱及其顶板覆岩的力学模型,分析了煤柱覆岩破坏的机理。利用微震系统监测煤柱及顶底板岩层活动,为煤柱的稳定性进行了评价。

顶板砂岩含水“三软”破碎煤层小煤柱护巷技术研究

在地质力学现场测试、岩石成分分析和井下可锚性试验的基础上,指出顶板砂岩含水、胶结性差,小煤柱侧煤体破碎严重、采空区积水渗漏,底板强膨胀是造成巷道破坏的主要原因;提出了自承拱、强化护表能力、全长高预应力锚固、支护系统相互匹配、锚固层位选择等支护理念,采用高预应力全长锚固锚杆和锚索成功支护了顶板砂岩含水"三软"破碎煤层小煤柱护巷巷道。在回采期间,巷道煤柱侧帮平均移近量为388.9mm,顶板下沉量最大为261mm,基本杜绝了巷道维修,工作面平均推进速度达到7.5m/d。

煤柱体应力松弛特性的试验研究

为了研究高宽比对煤柱应力松弛现象随时间变化规律的影响,制作了高宽比不同的煤柱体试件,通过分级应变加载的单轴压力试验,对高宽比不同的煤柱进行了应力松弛试验研究。结果表明:应力松弛过程分为3个阶段:骤降阶段、缓慢下降阶段、稳定阶段。应变级别一定时,随着高宽比的增大,应力松弛现象持续的时间增长,初始应力和残余应力均变小,而应力松弛量和松弛比均变大;高宽比一定时,增大应变级别,应力松弛量随之增加,而应力松弛比却减小。此研究可为煤柱的安全性和延长使用寿命提供一定的试验依据。

密集锚注支护技术在孤岛区石门套修中的应用

基于吕家坨矿-950二采运输石门处于深井孤岛煤柱区域,通过采用原岩应力实测和理论分析的方法评定石门周边采动应力影响范围,结果表明,石门侧方留设50m煤柱可避开应力叠加影响。同时运用FLAC^3D模拟分析了初掘架棚支护失效机制和密集锚注支护方案可靠性,结果显示后者在收敛位移、塑性区发育方面效果明显。通过工程实践表明,"两层次锚杆+锚索+注浆"支护方案最大收敛位移13.5cm,实现了套修安全和支护稳定,为类似条件软岩支护提供了借鉴。

阳泉矿区综放面不同护巷煤柱下应力分布规律实测研究

针对阳泉矿区高应力综放面沿空掘巷煤柱宽度留设不合理的问题,采用现场实测研究的方法对阳泉二矿80801及80509综放工作面不同宽度护巷煤柱及其所对应工作面实体煤内应力分布规律进行分析。实测结果表明,留设5.5 m煤柱时上覆岩层大部分载荷转移至工作面实体煤中,沿空掘巷巷道避开了侧向支承压力高峰区,维护了巷道稳定性,保证矿井高效安全生产。

老虎台矿高应力煤柱区巷道掘进冲击地压防治技术

从生产实践出发,客观、详实地阐述了老虎台矿高应力煤柱区63007#综放工作面防治冲击地压技术攻关与手段;该措施具有针对性强,防冲实效性好的特点。技术的应用为今后高应力煤柱区、构造带、高应力巷道安全掘进在防治冲击地压方面积累宝贵经验。

孤岛工作面护巷煤柱宽度及支护技术研究

针对潞宁煤业21109孤岛工作面运输巷受未稳定采空区影响及围岩破碎条件,采用理论计算和数值模拟分析,研究了不同煤柱尺寸下围岩变形和受力变化规律,确定22109运输巷采用10m煤柱较合理;分析了该类巷道支护对策,提出采用高预应力锚杆锚索组合支护系统,进行该类巷道支护。井下实践表明,设计支护方案能有效控制围岩变形,回采期间两帮最大移近量为269mm,浅部离层量为45mm,深部几乎没有离层,无底鼓,巷道整体稳定。

深部沿空掘巷变形破坏机理及控制技术研究

为解决阳泉矿区深部开采15号煤层沿空掘巷围岩变形量大的问题,分析了其工程地质特点、地质力学参数特征及原支护方案,揭示了深部沿空掘巷初期相对稳定—靠帮顶板弯曲下沉—倒梯形大变形—顶板失稳的变形规律,研究了巷道变形破坏机理,指出原岩应力高、主应力差大、多次采动是影响巷道稳定的基础因素,初期支护强度低和弱帮支护是决定性因素。结合煤柱尺寸与围岩应力关系分析,提出了以强帮支护为主、顶帮协调支护的高预应力控制技术。结果表明:初期支护强度提高了149%,断面收敛率降低48%,保证了巷道整体稳定,满足安全生产要求。

高应力复合顶板沿空掘巷煤柱留设研究

以某矿沿空掘巷为背景,采用FLAC^(3D)数值模拟软件对巷道围岩稳定机理深入剖析,基于煤柱尺寸留设原则,分别模拟煤柱在不同宽度下的应力分布特征和变形规律,确定该矿地质条件下煤柱的合理尺寸。结果表明:二_(1)煤层的顶底板属于软岩类,巷道围岩塑性区呈现蝶形分布特征,垂直应力和水平应力主要影响巷道浅部的围岩,其中侧压系数主要影响水平应力的大小,对垂直应力的影响主要表现在应力增速。煤柱的尺寸在满足原有原则下,还需考虑现有的工程地质条件和不同尺寸煤柱的应力分布和位移变化,结合巷道围岩的变形量,确定巷道和煤柱能够保持长期稳定的合理宽度,并利于采取支护措施。

窄小煤柱沿空掘巷围岩控制技术研究

针对巴彦高勒煤矿,采用理论分析、数值模拟等综合方法对沿空掘巷小煤柱的物理力学特性、破坏模式、受动压影响的覆岩运动规律和支承压力分布规律等进行研究,确定煤柱最佳尺寸,对沿空掘巷合理煤柱尺寸提供理论依据。研究结果表明随着煤柱宽度的不断增加,煤柱集中应力峰值先增大后降低,宽度为10 m时煤柱所受应力峰值最大。随煤柱宽度的增加,煤柱承载能力提高,而巷帮实体煤所受的应力逐渐转移到煤柱。巷道实体煤内应力峰值小于煤柱内的应力峰值,此时煤柱起主要的承载作用。