晋北煤业综采工作面高强锚索超前支护技术研究

为解决传统单体液压柱进行超前支护时出现的钻底问题,以晋北煤业3-503综采工作面为工程背景,进行高强锚索代替单体柱进行超前支护研究,通过矿压监测、数值模拟手段分析方案的可行性,并确定合理的支护参数,在3-503工作面回采巷道进行实践应用。实践表明,采动影响下巷道围岩变形得到有效控制,锚索工作性能良好,提高了工作效率,降低了工作强度,研究成果具有较好的借鉴和推广意义。

煤矿巷道快速掘进临时支架结构应用实践研究

对当前市场上已公布的超前支架进行研究分析,可以发现这些支架的设计、选型和生产主要是为了应对围岩的剧烈变化、高矿压和较低的保护力。因此,这类支架通常具有较重的质量、较大的体积、较高的保护力和较小的灵活性,应用局限于良好的巷道环境,而对于地质状况相对复杂的巷道,其应用范围会受到限制。因此,提出了一种全新的弱支护和强防护的支架设计方案,创新设计一种新型机载式的预先临时支架。

大倾角俯斜开采综放运输和回风巷超前支护技术

以葛亭矿2325大倾角伪倾斜综放工作面为例,针对俯斜开采运输和回风巷（简称两巷）的受力与变形特点,采用围岩结构探测、数值模拟和理论分析方法,对大倾角两巷在综放面回采期间可能出现的破坏方式与破坏范围、超前支护强度与迎山角度等进行了研究.探测结果表明,两巷上部118 m及下部42 m为稳定性较差的弱顶板结构区域,而中间42 m为较完整顶板结构区域,顶煤厚度平均为4m、破碎直接顶范围为0～4m.数值模拟结果表明,大角度两巷顶底板均存在较大的倾斜位移,存在沿倾斜滑移的可能性;煤壁前方30 ～ 40 m范围内两巷顶板为重点支护区域,而前方3～5 m为底板重点支护范围.根据探测及模拟结果,估算了回采期间两巷顶板载荷及原有顶板支护残余强度,由此给出了超前支护强度及单体支护密度;按力平衡原则及抵消顶底板倾斜位移差等两种方法,估算了超前支护合理迎山角度.按照上述设计参数进行了现场应用试验,取得较好效果,验证了本方法的科学性及可行性.

隧道喷射混凝土支护的曲线结构单元模拟

将一种新的曲线结构单元引入到块体一弹簧算法中，对圆形断面隧道围岩表面喷射不同混凝土衬砌的支护作用机理以及开挖速度对喷射混凝上材料早期强度的影响等进行分析，得出了一些有意义的结论。

近距离煤层群重复采动下端面冒顶影响因素分析及防治

现有对于端面顶板冒漏的研究多针对单一煤层,而近距离煤层群开采下的端面顶板稳定性不同于单一煤层,在近距离煤层群开采过程中,由于相邻煤层间距较小,上位煤层开采后会使下位煤层开采区域的顶板结构和应力环境发生变化,容易出现端面冒顶、煤壁片帮和顶板压架等灾变问题。以发生过3次大范围冒顶事故的某矿井17101工作面为工程背景,根据煤壁、液压支架与端面顶板稳定性关系,建立了近距离煤层群重复采动下的“端面顶板-煤壁-支架”模型,确定了近距离煤层群重复采动下端面冒顶的影响因素主要为顶板-围岩强度、支架工作阻力、推进速度和端面距。利用UDEC模拟软件模拟不同影响因素对重复采动下端面冒顶的影响,得出以下结论:①重复采动过程中顶板与煤体都受到了损伤破坏,顶板与煤壁强度降低,容易出现支架前端顶板冒落,引发顶板冒落与煤壁片帮等灾害,顶板-围岩强度越大,顶板的稳定性越好。②液压支架工作阻力偏低是造成工作面端面冒顶的重要原因之一,液压支架工作阻力越大,端面顶板越稳定。③工作面推进速度对端面顶板稳定性具有明显的影响,工作面推进速度越慢,采场顶板下沉现象越严重。④端面距为端面冒顶的重要影响因素,端面冒顶与端面距呈线性相关,冒落高度随着端面距的增大而增加,端面距越小,端面顶板越稳定,但是端面距太小也会影响到工作面的正常开采,应根据实际情况来确定。针对4个主要影响因素,提出了重复采动下端面冒顶的防治措施,即增加顶板与围岩的强度、提高液压支架工作阻力、合理控制推进速度和减小端面距。上述防治措施可为近距离煤层群重复采动下端面冒顶提供有效的解决方法。

破碎顶板迈步滑移超前支护设备可靠性研究

为解决巷道围岩开采过程中由于支护不及时导致顶板易发生坍塌、冒顶事故等问题,提出迈步滑移式超前支护设备,应用仿真模拟方法分析超前支护设备的可靠性。首先,介绍滑移式超前支护结构组成及原理,明确超前支护设备支护效果的功能可靠性;然后,仿真分析超前支护设备在全支撑状态和迈步过程状态的整机结构强度,验证超前支护设备设计的合理性。最后,利用ANSYS Workbench模态分析超前支护设备,获得设备不同振型特征。结果表明:在全支撑状态下超前支护设备最大变形发生在纵梁前端部位(22.139 mm)、最大应力位于前后支撑纵梁的铰接处(205.45 MPa)、等效应变集中的位置位于拱形横梁与支撑纵梁的相交区域(11.624×10^(-4));在迈步过程状态下超前支护最大变形发生在副支撑组前纵梁上(13.411 mm)、支护最大应力出现在支撑纵梁与拱形横梁的铰接处(187.65MPa)、推移油缸的最大位移出现在活塞杆头与副支撑组铰接部(5.6332 mm)、最大应力则发生在与主支撑组铰接处(187.65 MPa);整机的一、二、三、四阶固有频率分别为41.7152、44.591、60.826和62.789 Hz,发生形变的部位分别位于副支撑组前支撑立柱上与副支撑组后支撑立柱上。

大步距超前支护液压支架设计分析

在煤矿井下作业过程中,煤矿工作面的安全出口与巷道接口处的20 m范围内,必须有工作面的支护装置。提出了一种大步距超前支护液压支架的设计方案,从而解决断面两端和矩形、梯形的平巷等复杂断面的支护问题。通过对支护强度与承压的模拟实验测试,对设计的有效性进行了验证,达到了预期的设计目标,提高了井下作业的工作效率,保证了安全生产的需求。

基于Terzaghi理论的综采面超前液压支架静力学分析

为研究在巷道围岩垮落这类危险工况下的超前液压支架支护性能,基于Terzaghi理论计算围岩应力,并推导出超前液压支架最大支护强度,采用Pro/E构建了超前液压支架的三维实体模型,利用ANSYS软件对超前液压支架顶梁施加围岩压力并进行静力学分析,仿真结果表明:超前液压支架的顶梁、底座、前后立柱的最大应力值分别为392 MPa、17 MPa、104 MPa和154 MPa,均远小于超前液压支架主要材料Q690的屈服强度,说明超前液压支架支护性能满足在这种危险工况下的使用条件。

极软厚煤层工作面超前支架应用技术

针对煤矿孤岛采煤工作面两巷超前支护段巷道压力大,反复修复、维护困难,修复维护人员多,影响回采效率的问题,通过加强工作面超前支护段支护强度,增加支护受力面积,变被动支护为主动支护,进行了孤岛工作面超前支护段使用超前支架技术的应用与研究。通过理论计算与现场技术应用,较原有的单体柱超前支护工艺,支护强度相对提高了1.25~1.40倍,巷道变形量减少50%,现场巷道修复维护人员大大减少,同时在运输巷综采机械设备布置受影响的区域,根据现场情况提前刷扩支护,保证超前支架的使用空间,同时为工作面运输巷综采设备的运行提供可靠安全空间;孤岛工作面两巷超前支架的使用,对于两巷的支护技术是一项重大改革,改变原有的单体柱被动反复支护,支护强度不足的问题,降低了职工劳动强度,增加了支护的可靠性,保证了孤岛工作面安全顺利的回采。

综采顺槽超前支护支架单跨架有限元分析

综采顺槽超前支护支架的研制替代传统的单体液压支柱,可以解决煤矿综采工作面顺槽出口20 m处的超前机械化支护。设计过程中采用Solid Works Simulation对设计的ZFDC4420/22/43支架进行三维干涉校核及有限元分析,按照MT312-2000《液压支架通用技术条件》强度试验标准,对综采顺槽超前液压支架主体结构件的强度进行模拟试验,模拟标准要求的危险工况对支架进行加载得出分析结果,对各部件结构强度及材料提出合理化建议。

豫西地区“两软一硬”煤层综采工作面超前支护研究

随着综采工作面下超前支护的装备升级,在使用过程中反复升降对原有巷道顶板及沿空留巷加强支护的锚索进行了破坏,并且在使用过程中存在很多弊端和安全隐患。针对存在的问题及隐患,通过对综采工作面超前支护工艺进行调整,把被动支护改变为主动支护,成功解决了顶板支护容易被破坏的难题,也为豫西地区地质条件类似的矿井在综采面超前支护提供了参考。

断层带强度对采动应力影响的数值模拟

以工作面沿断层走向推进为工程背景,采用FLAC3D数值模拟软件,根据岩体强度指标GSI确定断层带弹性模量,并分析了不同断层带岩体强度指标GSI条件下,断层带对采动应力分布的影响。研究表明:工作面沿断层走向推进时,下盘工作面断层煤柱以及工作面超前支承应力集中较上盘工作面回采时更高,断层对下盘工作面回采时采动应力分布的影响更明显。断层带岩体质量指标GSI值越小,断层煤柱以及工作面超前支承应力集中更明显,即断层岩体裂隙越发育对采动应力的阻隔作用越强。

自移式大采高综采工作面超前支护液压支架的分析

基于目前国内一些大型矿井综采工作面超前支护现状,通过三维建模、强度校核等设计出一种综采工作面超前支护液压支架,该设备具有一定的突出优点,能够很好的解决单体柱支护工艺存在的一系列问题。

超前支护液压支架非等强支护技术及自动控制装置研究

煤矿运顺和回顺巷道采用锚杆锚索或金属棚支护,超前支护液压支架在推进过程中对顶板反复支撑作用,使巷道顶板结构受到破坏,引起顶板破碎,不利于巷道顶板管理和煤矿安全生产。根据巷道顶板条件和压力分布情况控制超前支护液压支架的初撑力,在巷道不同的相对位置实现非等强支护,而支架的工作阻力和其他功能不受影响,最大限度保证巷道顶板完整,实现对巷道顶板的安全科学管理。

屯兰矿顺槽超前液压支架选型及维护的探讨

为提高屯兰矿综采面工作效率,减少工人劳动强度,增大工作面的安全系数,拟采用顺槽超前液压支护技术对18401工作面进行支护技术改进,在现有超前液压支护理论的基础上,计算出18401工作面顺槽回转角和合理支护强度值,选用型号为ZTC30000/25/50的液压支架。探讨超前液压支架支护技术的效果,并对液压支架出现的"压死"问题提出了解决方案,对超前液压支架的日常维护提供合理的建议,以期为屯兰矿支护技术改造作参考。

开采扰动下非等强超前支护巷道围岩响应

开采扰动对超前巷道围岩稳定性的影响是研究超前液压支架非等强控制策略的重要方面。首先通过EDEM仿真获得了采煤机滚筒与煤岩间的截割载荷,通过数据拟合方法建立了滚筒载荷扰动数学模型,再运用Flac3D软件建立非等强支护条件下的超前巷道模拟仿真模型,将采动扰动模型引入非等强支护模型中,仿真分析了滚筒截割扰动对超前巷道围岩稳定性的影响规律,并通过相似性实验对仿真模型的准确性进行了验证,试验结果表明,在非等强支护下,各点起始应力为-0.1~0 MPa之间,顶板围岩内应力值小,有利于顶板稳定;滚筒截割扰动对0~5 m内顶板垂直应力波动明显,10~20 m内顶板垂直应力变化基本一致,只需对靠近采空区的第一组支架的控制方式进行调整,即可削弱开采扰动对围岩稳定性的影响。

孤岛工作面窄煤柱掘巷过临空硐室治理技术

延安市禾草沟煤矿50113工作面为孤岛开采,50113工作面南侧50115工作面回风巷施工期间,倒车硐室布置于工作面保护煤柱内。考虑到孤岛开采所存在的冲击危险,采用窄煤柱沿空掘巷使巷道处于邻近工作面采空区侧向应力降低区以内,从而降低冲击地压危险。50113回风顺槽窄煤柱掘进期间过临空硐室段存在揭露采空区、区段煤柱变窄导致“临空硐室”附近瓦斯积聚、超限,有毒有害气体涌出异常及“临空硐室”段水害、支护困难等问题。通过采用超前瓦斯抽放、超前探放水、超前注浆等方法,实现水与瓦斯超前治理、保证临空硐室充填的密实度强度,确保工作面安全生产。

莒山矿回风顺槽超前支护技术研究

以莒山矿9103回风顺槽为研究背景,在分析巷道开采技术条件和支护方案的基础上,通过理论分析确定超前支护强度不低于192.27 kPa,通过相邻工作面巷道超前实测数据分析确定超前支护长度不低于28 m,同时结合巷道锚杆支护参数确定使用ZQL2×3200/18/35型分体式超前支护支架组,并给出了主要技术参数。实践表明,使用新型超前支架组后,巷道围岩得到了较好的维护,可满足回风顺槽超前支护要求。

主动式超前支护下巷道围岩关键控制技术与稳定性评价

双龙煤矿采用锚索+钢带对109工作面的回采巷道进行了提前强化支护,以解决原有排距过大影响井下人员安全和生产效率低的问题。为验证补强后的支护方式是否满足要求,对支护强度进行了校核和可行性研究。研究结果表明,在超前主动支护方案下,巷道顶板的支护安全系数达到了强度要求,分别为12.59和11.12,远高于原超前支护的安全系数7.43和6.69。根据双龙煤矿现场实际情况和围岩特征,结合理论分析和数值模型等方法,对109工作面的围岩安全潜在危险进行了分析,并提出了技术性的安全保障方案,分析了所存在的潜在危险,并且进一步给出了安全保障的技术性方法,得到了实用的潜在危险控制思路,在巷道容易破碎的时侯选择采用合理有效的支护方式,从安全层面上选择采用锚索+钢带的补强支护方式是完全可以保证双龙煤矿的安全高效开采。

超前液压支架群组-锚固耦合支护力学特性研究及实验验证

为了研究超前液压支架群组与锚杆(索)耦合支护围岩的力学特性,采用中厚板理论对围岩力学特性进行描述,结合能量泛函对等效支架群组支撑力和锚杆(索)作用进行描述,建立超前液压支架群组-锚固耦合支护围岩力学模型,引入罚函数对模型边界条件进行约束,基于Hamilton原理变分获得系统控制方程。依据山西阳泉集团平舒公司温家庄煤矿15106工作面回采巷道超前支护参数,运用Ritz法对模型求解,获得锚固支护、等强支护、非等强支护三种策略下顶板变形量、弯矩、应力分布情况。通过对比3种支护策略下支护效果表明:超前液压支架群组耦合支护下顶板最大位移相对比锚固支护降低36.87%、弯矩降低35.85%、应力降低47.81%,耦合支护能够有效的维护顶板的稳定性;非等强耦合支护相对比等强耦合支护顶板最大位移降低10.29%、弯矩降低12.2%、应力降低29.53%,证明了非等强耦合支护策略对维护围岩稳定的有效性,进而提出超前液压支架群组-锚固耦合“连续渐变”非等强支护策略。采用辽宁省教育厅矿山沉陷灾害防治重点实验室设计的三维相似模拟实验台进行物理实验分析,验证“连续渐变”非等强耦合支护策略的有效性,并将实验结果与理论结果对比分析,等强支护位移最大误差7.2 mm,最大应力误差0.48 MPa,非等强耦合支护位移最大误差5.9 mm,应力最大误差0.19 MPa,考虑实验的复杂性认为误差在控制量范围内,验证所建立的超前液压支架群组-锚固耦合支护围岩力学模型的准确性和揭示耦合支护力学特性的有效性。最后,在温家庄煤矿15106工作面对“连续渐变”非等强支护策略进行现场应用实验,验证研究结果的有效性,研究结果为深部矿井围岩的安全稳定维护和智能化支护控制提供理论支撑。