管道作用下急倾斜煤层稳定性分析

近地表荷载与急倾斜煤层老采空区的“活化”有着紧密的关联,采空区覆岩中裂隙带底部的岩块在荷载作用下极易发生回转失稳和滑落失稳,这些岩块对采空区的稳定性起到至关重要的作用,被称为关键岩块,当荷载作用使得关键岩块失稳时,采空区将发生“活化”。基于采空区覆岩“砌体梁”结构力学模型对关键岩块进行力学分析,构建荷载作用下采空区上覆岩土体失稳判断依据,进而对荷载作用下急倾斜煤层上覆岩体稳定性进行定量分析,研究发现:当作用于土体截面处最大摩擦力大于该土体所受最大剪切力时,该块体不会发生滑落失稳;只有关键岩块与岩块之间的平均挤压应力小于岩块在边角处的挤压强度,关键岩块才不会发生回转失稳。将推导结果应用于广东省某急倾斜煤矿,计算结果表明:在茶山煤矿4煤和6煤采空区上方铺设输气管道并不会引起采空区的“活化”;荷载作用下的关键岩块力学分析在急倾斜煤层上覆岩体稳定性中应用效果较好,对实际工程有一定指导作用。

倾斜煤层群覆岩“三场”非对称特征及靶向抽采机制

倾斜煤层群“三场”(应力场、位移场和裂隙场)演化规律较为复杂,对卸压瓦斯运移和储集具有重要意义。为了探究倾斜煤层群“三场”演化规律,研究以新疆1930煤矿为对象,开展了倾斜煤层群多重采动相似模拟实验。分析了上覆岩层垮落形态,获得了覆岩应力演化特征,分析了覆岩位移分布和移动方向特征,阐明了采动裂隙分布特征。进而探究了三场演化规律对瓦斯运移的影响,并开展了定向钻孔瓦斯抽采现场试验进行验证。研究结果表明:倾斜煤层群多重采动下,采动裂隙矩形梯台呈现明显的非对称特征。低位侧覆岩应力变化较大,随开采次数增加,卸压效应更为明显,而高位侧覆岩应力变化较小;结合重力−倾角效应,高位侧覆岩更易破坏,垮落次序优先,呈非对称特征。覆岩位移分布呈非对称特征,高位侧位移显著且移动方向变化较大。高位侧裂隙区网格内采动裂隙频数明显高于低位侧;高位侧裂隙区破断裂隙分布更多,且开度较大;采动裂隙呈“高位扩展−低位压缩”的非对称特征。多重采动使得“三场”非对称特征更为显著。此外,覆岩贯通度存在“慢速减小−快速减小”的现象。基于“三场”演化特征和瓦斯运移的关系,揭示了瓦斯抽采靶向优选机制。结合试验结果,构建了基于“三场”演化规律的裂隙带瓦斯抽采靶点区判定流程。现场瓦斯抽采效果良好,保证了工作面安全高效回采。研究结果为倾斜煤层群卸压瓦斯精准抽采提供了理论参考,旨在提高倾斜煤层群瓦斯抽采量,防止上隅角瓦斯超限,实现倾斜煤层群安全高效开采。

远距离斜交工作面上行开采上组煤垂直应力演化规律

为探究平煤八矿远距离煤层群斜交工作面上行开采过程中上组煤层垂直应力演化规律,采用数值模拟计算的方法展开研究。研究结果表明,己_(15)-21030工作面回采过程中与上覆戊_(9.10)-21070工作面依次形成相离、相交和重叠的空间关系,因此会使上组煤层应力增高或降低。相离区域为应力升高区,受下组煤采动影响应力整体呈升高趋势,应力集中系数最大为1.18;相交区域为卸压过渡区,戊_(9.10)-21070工作面应力由增压变为卸压,最大卸压值较原始应力降低了25%,倾向卸压影响范围为55 m;重叠区域为卸压区,受己_(15)-21030工作面采动影响卸压效果及卸压范围均进一步增大,最大卸压值较原始应力降低了40%,倾向卸压影响范围增大至180 m。将戊组煤层戊_(9.10)-21070工作面根据应力分布云图依次划分为增压区、应力过渡区、卸压区和稳定卸压区。通过现场瓦斯含量测试验证了卸压区残余瓦斯含量比原始区域残余瓦斯含量降低32.9%,远距离煤层群上行开采形成卸压区有利于瓦斯治理工作的开展。

倾斜煤层条带开采煤柱群长期稳定性研究

在“三下”条带采煤法等留煤柱开采方式中,煤柱群的长期稳定性对于矿井安全高效绿色开采至关重要。基于煤柱与围岩的相互作用关系,建立了倾斜煤层留设煤柱的平面应变模型,并采用Rits法推导了煤柱应力场与位移场的解析表达式。在此基础上,结合某村庄条带开采实际,建立了倾斜煤层煤柱群流变的FLAC3D数值计算模型,并基于Burgers组合蠕变黏弹塑性本构模型与数值模拟结果,探讨了时间效应对煤柱群长期稳定性的影响。理论与数值研究结果表明:受煤层倾角的影响,单个煤柱的水平位移约为其竖向位移的2倍以上;在上覆岩层重力长期作用下,各煤柱两帮在蠕变1 d时即进入塑性屈服状态,并呈现出剪切破坏形式;煤柱埋深越大,任意时刻煤柱塑性区范围、应力及位移峰值越高,且煤柱达到稳定蠕变阶段所需的时间从75 d逐渐增大到120 d以上。

缓倾斜煤层群开采辅助运输系统改造及开拓优化设计

针对缓倾斜煤层群开发过程中由于辅助提升及运输系统复杂引起的一系列问题,提出以无轨化辅助运输系统为改造目标,以新建缓坡斜井为改造方式,对沙吉海一号矿井进行辅助提升及运输系统改造。结合井筒布置情况,对矿井进行开拓优化设计,采用缓坡斜井兼做采区辅助运输上山的方式开发煤层群,减少采区个数,延长各采区服务年限,有利于缓解矿井采掘接续紧张的局面。对于新疆地区煤层群开发,沙吉海一号矿井开拓优化思路有一定的借鉴意义。

覆岩应力-漏风综合影响下浅埋煤层群下煤层开采巷道布置研究

针对浅埋近距离煤层群上部遗留煤柱影响下的下部工作面巷道合理布置位置确定问题,以活鸡兔井为例,采用离散元方法(DEM)模拟研究了遗留煤柱底板应力分布与上、下煤层开采采空区裂隙发育特征。结果表明:12号煤层开采过后,22号煤层水平距上覆煤柱20 m内为垂向应力与主应力差增高区,22号煤层水平应力在区段煤柱内侧较低;下煤层巷道布置采用外错式与重叠式时,巷道两侧围岩主应力差较大,且外错式与重叠式布置方式下22号煤层工作面开采时夹层与上部老空区覆岩二次运移剧烈,采空区两侧斜向裂缝带发育与贯通较好;采用内错式,巷道两侧围岩主应力差随与煤柱距离增大先降低、后升高,在距煤柱25~35 m处主应力差达到最低,且该布置方式下上部采空区覆岩沉降均衡,裂缝带闭合性较好,极大阻止了地表与层间贯通漏风通道的发育。

低透气性突出煤层群首采层水力割缝卸压抽采技术研究

针对中近距离松软低透气性突出煤层群抽采防突难题,以皖北矿区任楼煤矿突出煤层群瓦斯地质条件为工程背景,在对松软煤层水力割缝卸压增透机制、首采层割缝工艺参数等研究的基础上,提出了首采层煤巷条带水力割缝卸压增透、煤层群瓦斯联合抽采的综合治理技术,优化了钻孔布置方式,并进行了工程应用。结果表明:割缝实施后钻孔的瓦斯抽采浓度、单孔日均抽采纯量分别是常规钻孔的4.27倍、3.94倍,煤层透气性提高了22~31倍,首采层72号煤层割缝后的防突有效半径可提高至5 m以上,检验抽采半径5 m处的瓦斯含量指标为4.13 m 3/t,在有效解决首采层煤巷条带瓦斯灾害的同时,钻孔工程量降低了2/3以上。

近距离薄煤层群首采层卸压瓦斯协同抽采技术研究

为有效解决近距离薄煤层群开采首采层上、下邻近层大量卸压瓦斯涌入的治理问题,以某煤矿为研究对象,采用理论分析和数值模拟的方法,研究近距离薄煤层群开采条件下卸压瓦斯运移规律,并根据富集特征确定卸压瓦斯抽采钻孔的空间位置。研究结果表明:首采层开采覆岩导气裂隙带最大发育高为10.3~23.2 m。设计超大直径顺层预抽钻孔高0.8 m,宽2.08 m;顶板定向长钻孔终孔最优抽采位置为垂直距离开采层顶板15.0~23.0 m,水平距离回风侧20.5~27.5 m;2条埋管抽采最佳错距为距底板高1.1,1.7 m,深入采空区11.3,20.8 m。优化后的布置参数应用于现场实践,试验工作面回采期间上隅角瓦斯体积分数保持在0.7%以下。研究结果能够实现近距离薄煤层群开采条件下卸压瓦斯高效抽采,保证矿井安全高效生产。

缓倾斜近距离煤层群重复开采“两带”高度研究

以四川省石屏一矿缓倾斜近距离开采工作面为工程背景,针对重复开采中缓倾斜近距离煤层的“两带”高度发育问题,采用FLAC^(3D)数值模拟与经验公式计算的方法进行研究。对工作面开采之后引起上覆岩层塑性区的变化特征进行了分析;确定了重复采动下“两带”的高度;并与经验公式进行对比验证;得出在重复采动情况下“两带”高度并不是简单的相加,而是存在一种叠加效应。通过该研究,进一步探索了缓倾斜近距离煤层群重复开采情况下“两带”高度的发育问题,为缓倾斜近距离煤层群安全开采提供了依据。

近距离煤层群重复上行开采岩移规律初探

为解决近距离缓斜煤层群受重复采动影响的上行开采可行性问题,根据新安煤矿南区煤层群工程地质情况,综合运用理论分析、物理相似模拟等方法,对2^(-3)号煤下部煤3、煤4、煤5不同顺序开采后2^(-3)号煤的连续性和完整性进行探究,分析煤层群开采后覆岩垮落特征及岩层下沉变形规律,论证煤层群上行开采的技术可行性。研究结果表明,2^(-3)号煤位于下煤层裂隙带范围内,在重复采动影响下仍能保持较好的连续性,未产生台阶错动,满足上行开采所需的条件。

近距离采空区下大断面切眼支护技术应用

以9101采煤工作面为工程实例,该采面切眼跨度为8 m,且上覆为8^(#)煤层采空区及煤柱。切眼拟采用分次掘进方法施工,首先掘进巷道宽度4.5 m,后刷扩3.5 m;在掘进期间,通过探测切眼顶板与上覆8^(#)煤层采空区层间距,再设计切眼顶板支护方案;现场应用后,切眼顶底板、巷帮变形量分别为60 mm、73 mm,实现了近距离采空区下大断面切眼围岩变形有效控制。

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。

极近距离煤层群下煤层开采巷道支护技术研究

极近距离煤层群开采导致下煤层顶板破坏严重,支护难度增大。为了研究下煤层巷道顶板支护最佳方案,以甘庄煤矿11和14号煤层开采为背景,通过岩石力学实验、现场窥视和理论计算得到了巷道的理论支护方案,采用数值模拟的方法对理论支护参数进行模拟分析,并在现场展开监测。研究表明,14号煤层理论计算支护参数为锚杆φ18 mm×2 000 mm的螺纹钢,间排距1 200 mm×1 100 mm;锚索φ15.24 mm×4 000 mm的钢绞线,间排距为2 400mm×1 100 mm,根据巷道垂直应力和垂直位移云图得到最优支护方案,并进行现场监测验证。该研究为后续巷道的支护提供了理论依据,并为类似地质条件提供了一种解决方案。

高位钻孔在黄白茨煤矿瓦斯治理中的应用

以黄白茨煤矿020913综采工作面为研究对象,通过分析近距离煤层群采空区瓦斯涌出来源及采动覆岩裂隙场分布规律,针对性地选择高位钻孔作为工作面瓦斯治理的主要措施。通过理论计算,初步得到高位钻孔布置参数。为了将进一步得到高位钻孔最佳布置参数,通过对比分析不同层位高位钻抽采浓度变化规律,根据现场考察结果,得到了020913综采工作面高位钻孔最佳布置层位。现场实践结果表明,在距煤层顶板25 m层位布置高位钻孔抽采效果最佳,采用高位钻孔抽采后,020913工作面回采期间回风流瓦斯浓度最大为0.52%,上隅角瓦斯浓度不超过0.6%,达到了预期的瓦斯治理效果,切实保障了矿井的安全生产。

急倾斜煤层群保护层开采条件下采场应力演化规律

急倾斜煤层群开采存在复杂的岩层运移过程并易导致强矿压事故的发生。为保障兴安煤矿煤层群的安全开采,采用保护层开采技术对主采煤层进行卸压优化,依托FLAC^(3D)数值模拟软件建立急倾斜煤层开采数值模型,探究保护层开采条件下的采场应力、位移与被保护煤层应力、位移的分布演化规律,利用理论计算方法分析了有效卸压保护范围,验证保护层开采技术的可靠性。研究结果表明:急倾斜煤层保护层开采条件下会出现位移与应力扩展的不共轴现象;保护层推进过程中,采场应力与位移演化呈现出初始增长、快速增长、逐渐稳定的3阶段演化规律;保护层开采的有效卸压范围超过80%。

智能化开采技术在煤矿的实践与应用

本文建立在智能化采煤工作面的工艺研究和放顶煤开采工艺的理论基础上,结合当前国内先进的智能放顶煤开采工艺,以新疆某矿智能综放工作面开采为研究对象,对该采煤工作面在中山区侏罗纪煤层群和倾斜特厚煤层的智能化开采工艺、智能综放设备应用和功能发挥、智能化开采技术以及智能放顶煤开采过程中的煤炭资源回收等方面开展综合性实践研究。得出,智能化开采技术在开采过程中在减人、提效、增安方面取得效果,在提高资源回收率方面所取得的经验做法以及下一步需要持续改进的方向。

近距离煤层群开采下位煤层回采巷道合理布置的研究

为探究近距离煤层群开采下位煤层回采巷道合理布置位置,运用理论分析和数值模拟相结合的方法,分别对上位煤层开采后底板破坏深度、残留煤柱在其底板中的应力分布、下位煤层回采巷道合理布置参数及巷道围岩变形量进行研究。结果表明:上位6#煤层开采后其支承压力对底板破坏深度可达21.24 m,其破坏已经达到下位8#煤层底板;上位煤层遗留煤柱边缘与下位煤层应力降低区的水平距离为10.45 m,下位煤柱支承压力峰值处与其巷道边缘的距离为4.47 m,从而确定8#煤层开采巷道内错15 m的布置方案;根据巷道围岩位移监测,其顶底板和两帮移近量最大为0.356 m和0.183 m,表明该布置方案下巷道变形较小,易于控制。

近距离突出危险煤层群卸压瓦斯抽采技术研究

近距离煤层群赋存分布较为广泛,开采条件下工作面回采期间瓦斯涌出来源多,瓦斯运移规律较单一,煤层开采更为复杂,亟需采取有针对性的技术措施。针对近距离突出危险煤层群开采时面临的“一层采动,多层卸压”和瓦斯治理困难等问题,本文以屯兰煤矿2号煤层为工程背景,利用FLAC3D软件模拟了工作面回采时的围岩应力场、位移场和塑性区分布情况,并以此为依据确立了上邻近层定向长钻孔的施工方案。研究成果表明,O形圈的宽度随煤层开挖的增加而增大。当屯兰2号煤层工作面开采进尺达到30 m时,O形圈范围已达15 m。卸压瓦斯大量解吸,且垮落带和裂隙带沟通了上覆煤层,并对上邻近层定向长钻孔抽采效果进行了考察,定向长钻孔瓦斯抽采量由最低的0.35到最高的1.03增加了65%、上隅角最高处浓度为0.58%相较最低处的0.16%下降了72%,由此可知,上邻近层定向长钻孔可有效减少上邻近层卸压瓦斯向采场空间涌出,实现煤与瓦斯高效安全共采。

大桥沟煤矿近距离煤层群开采巷道支护设计

近距离煤层开采时巷道受重复扰动的影响会出现不稳定的情况。结合大桥沟煤矿的实际地质条件,对与9号煤层距离较近的10号煤层和11号煤层的回采巷道进行设计。当10号煤层与9号煤层的间距大于4.5m时,采用锚杆+金属网+短锚索联合支护的方式;当层间距小于4.5m时,采用锚杆+金属网+工字钢棚的联合支护方式。11号煤层宜采用以被动支护为主的架棚支护方式,并辅助以锚杆补强。

工作面邻近层超大直径钻孔瓦斯治理技术研究

在煤矿开采中,瓦斯仍然是影响矿井安全生产的关键性因素。万峰矿所回采的1号煤层距离邻近层较近,工作面回采后上邻近层直接垮落于采空区当中,成为采空区瓦斯主要来源,回采期间容易造成瓦斯超限。为了最大程度解决瓦斯涌出问题,选用三轴联动式双向螺旋钻机,在回采工作面邻近层布置22个大直径螺旋钻孔,钻孔宽×高为2 080 mm×800mm,孔深60 m,钻孔施工结束后及时封闭及预埋抽采管,利用顶板裂隙带对开采煤层采空区瓦斯进行抽采。通过该项技术的应用,能有效地将回采工作面回风流及上隅角中瓦斯浓度控制在安全范围内。