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Innovation and future of mining rock mechanics 被引量:49
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作者 Manchao He Qi Wang Qunying Wu 《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》 SCIE CSCD 2021年第1期1-21,共21页
The 121 mining method of longwall mining first proposed in England has been widely used around the world.This method requires excavation of two mining roadways and reservation of one coal pillar to mine one working fa... The 121 mining method of longwall mining first proposed in England has been widely used around the world.This method requires excavation of two mining roadways and reservation of one coal pillar to mine one working face.Due to considerable excavation of roadway,the mining roadway is generally destroyed during coal mining.The stress concentration in the coal pillar can cause large deformation of surrounding rocks,rockbursts and other disasters,and subsequently a large volume of coal pillar resources will be wasted.To improve the coal recovery rate and reduce excavation of the mining roadway,the 111 mining method of longwall mining was proposed in the former Soviet Union based on the 121 mining method.The 111 mining method requires excavation of one mining roadway and setting one filling body to replace the coal pillar while maintaining another mining roadway to mine one working face.However,because the stress transfer structure of roadway and working face roof has not changed,the problem of stress concentration in the surrounding rocks of roadway has not been well solved.To solve the above problems,the conventional concept utilizing high-strength support to resist the mining pressure for the 121 and 111 mining methods should be updated.The idea is to utilize mining pressure and expansion characteristics of the collapsed rock mass in the goaf to automatically form roadways,avoiding roadway excavation and waste of coal pillar.Based on the basic principles of mining rock mechanics,the“equilibrium mining”theory and the“short cantilever beam”mechanical model are proposed.Key technologies,such as roof directional presplitting technology,negative Poisson’s ratio(NPR)high-prestress constant-resistance support technology,and gangue blocking support technology,are developed following the“equilibrium mining”theory.Accordingly,the 110 and N00 mining methods of an automatically formed roadway(AFR)by roof cutting and pressure releasing without pillars are proposed.The mining methods have been applied to a large number of coal mines with different overburdens,coal seam thicknesses,roof types and gases in China,realizing the integrated mode of coal mining and roadway retaining.On this basis,in view of the complex geological conditions and intelligent mining demand of coal mines,an intelligent and unmanned development direction of the“equilibrium mining”method is prospected. 展开更多
关键词 mining rock mechanics Equilibrium mining theory Short cantilever beam model automatically formed roadway without PILLARS Intelligent mining
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朱家峁煤矿厚层砂岩顶板切顶成巷技术研究与应用 被引量:1
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作者 郭中安 李相通 +3 位作者 张星星 姜海滨 尚建学 高玉兵 《中国矿业》 2023年第S01期303-308,共6页
针对厚层砂岩顶板切顶留巷的难点问题,以榆横矿区朱家峁煤矿为工程背景,采用数值模拟、现场试验等方法开展了厚层砂岩顶板无煤柱自成巷综合技术研究与应用。为使厚层砂岩顶板及时充分垮落,提出了替代炸药的瞬时胀裂破岩技术和厚层砂岩... 针对厚层砂岩顶板切顶留巷的难点问题,以榆横矿区朱家峁煤矿为工程背景,采用数值模拟、现场试验等方法开展了厚层砂岩顶板无煤柱自成巷综合技术研究与应用。为使厚层砂岩顶板及时充分垮落,提出了替代炸药的瞬时胀裂破岩技术和厚层砂岩顶板垮落调控方法,实现了对厚层砂岩顶板围岩的近域有效卸压和平衡控制。矿压监测数据表明:采用厚层砂岩顶板综合切顶技术后,留巷围岩变形较小,能够满足矿井安全生产要求;留巷侧顶板较工作面中部和未切缝侧来压强度减小,留巷效果良好。研究成果对榆横矿区以及陕晋蒙相似顶板条件矿井具有一定的借鉴价值。 展开更多
关键词 厚层砂岩顶板 无煤柱自成巷 胀裂切顶 平衡开采
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切顶卸压无煤柱自成巷开采与常规开采应力场分布特征对比分析 被引量:74
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作者 何满潮 王亚军 +3 位作者 杨军 周鹏 高庆 高玉兵 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第3期626-637,共12页
为了探索切顶卸压无煤柱自成巷开采与常规留煤柱开采应力分布的区别,以国内外首个切顶卸压无煤柱自成巷开采工业性试验为工程背景,运用FLAC3D数值模拟软件建立了大煤柱开采,小煤柱开采Ⅰ(相邻工作面回采巷道未掘),小煤柱开采Ⅱ(相邻工... 为了探索切顶卸压无煤柱自成巷开采与常规留煤柱开采应力分布的区别,以国内外首个切顶卸压无煤柱自成巷开采工业性试验为工程背景,运用FLAC3D数值模拟软件建立了大煤柱开采,小煤柱开采Ⅰ(相邻工作面回采巷道未掘),小煤柱开采Ⅱ(相邻工作面回采巷道已掘),无煤柱开采4种不同开采方式的数值计算模型,并对其应力分布特征进行了模拟和对比分析。得出如下规律:在工作面前方,平行于工作面长度方向,煤柱留设方式对应力分布的影响存在一定范围,在影响范围内垂直应力大小关系为:小煤柱开采Ⅱ>大煤柱开采>小煤柱开采Ⅰ>无煤柱开采;留大煤柱,小煤柱开采时,靠近本工作面回采巷道附近均存在明显的应力集中,而无煤柱自成巷开采由于取消了超前掘进巷道,从而消除了掘巷引起的应力集中;在工作面侧向,大煤柱开采应力集中位置始终位于大煤柱内部,小煤柱开采Ⅱ位于下区段工作面实体煤内部,小煤柱开采Ⅰ和无煤柱开采则位于巷道煤帮内部,应力峰值位置与巷道距离大小关系为:无煤柱开采>小煤柱开采Ⅰ>小煤柱开采Ⅱ和大煤柱开采;大煤柱开采时侧向应力峰值最大,小煤柱开采时次之,无煤柱开采最小,其峰值较大煤柱开采降低18.1%~20.3%,较小煤柱开采Ⅱ降低11.8%~17.3%,采空区顶板稳定后,无煤柱开采和小煤柱开采Ⅰ峰值较为接近。 展开更多
关键词 切顶卸压 无煤柱自成巷 大煤柱开采 小煤柱开采 应力场分布
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掘进机智能型自动成形恒功率截割控制系统的研究与应用 被引量:20
4
作者 魏景生 吴淼 刘建功 《工矿自动化》 2009年第7期118-121,共4页
掘进机是煤矿巷道机械化掘进中最重要的设备,目前仍由司机手动操作。由于掘进环境恶劣,工作条件差,粉尘、水雾等影响司机的视野,造成掘进巷道断面成形质量差、劳动强度大。针对上述问题,文章介绍了一种掘进机智能型自动成形恒功率截割... 掘进机是煤矿巷道机械化掘进中最重要的设备,目前仍由司机手动操作。由于掘进环境恶劣,工作条件差,粉尘、水雾等影响司机的视野,造成掘进巷道断面成形质量差、劳动强度大。针对上述问题,文章介绍了一种掘进机智能型自动成形恒功率截割控制系统,详细介绍了智能型自动成形恒功率截割控制系统中掘进巷道断面自动成形控制和截割头恒功率自动牵引调速控制的设计与实现,并介绍了该系统在EBZ200型掘进机上的应用情况。实际应用表明,该系统实现了远程在线监视、诊断与控制功能,使操作人员远离工作面迎头,减少了人员伤害事故,对实现安全、高效自动化巷道掘进具有一定的现实意义。 展开更多
关键词 煤矿巷道 掘进机 断面 自动成形 恒功率调速 截割
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无煤柱自成巷采空区顶板碎胀系数测定方法 被引量:1
5
作者 杨军 张家宾 +3 位作者 周帅 马新根 王亚军 侯世林 《煤矿安全》 CAS 北大核心 2020年第4期142-146,共5页
以宝山煤矿6302工作面垮落细砂岩顶板碎石帮为研究对象,对岩石碎胀系数的现场实测方法及其对巷道顶板变形的影响展开研究;通过分析碎胀系数的机理,结合工程实际,建立了自然标定准线法测量碎胀系数模型,确定了碎胀系数现场实测的方法。... 以宝山煤矿6302工作面垮落细砂岩顶板碎石帮为研究对象,对岩石碎胀系数的现场实测方法及其对巷道顶板变形的影响展开研究;通过分析碎胀系数的机理,结合工程实际,建立了自然标定准线法测量碎胀系数模型,确定了碎胀系数现场实测的方法。现场实测结果表明:采空区顶板垮落后至压实稳定经历3个阶段,快速压实阶段碎胀系数由1.83~1.88迅速降至1.37~1.42,初步稳定阶段碎胀系数变化速度减缓,为1.35~1.39,在缓慢压实阶段,碎胀系数变化值≤0.01;巷道围岩变形规律与采空区矸石碎胀系数变化规律呈现一定相关性,同样存在3个区段,最终巷道顶底板的移近量为296 mm,两帮移近量为135 mm;根据采空区矸石碎胀系数和巷道围岩变形规律,切顶卸压自动成巷期间需要进行巷内临时补强支护,且支护距离≥120 m。 展开更多
关键词 无煤柱自成巷 碎胀系数 垮落矸石 围岩变形 巷道支护
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无煤柱自成巷N00工法采留一体化装备与围岩控制关键设计 被引量:8
6
作者 王亚军 何满潮 +4 位作者 王琦 杨军 王建文 刘辉 陈菲 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2022年第11期4011-4022,共12页
无煤柱自成巷N00工法是我国自主创新的采煤新工法,其在提高资源采出率、降低巷道掘进量、消减煤柱引起的应力集中等方面具有一定优势。为进一步推进该工法发展,以陕煤柠条塔煤矿N00工法工业性试验为工程依托,从采掘布局、围岩控制、装... 无煤柱自成巷N00工法是我国自主创新的采煤新工法,其在提高资源采出率、降低巷道掘进量、消减煤柱引起的应力集中等方面具有一定优势。为进一步推进该工法发展,以陕煤柠条塔煤矿N00工法工业性试验为工程依托,从采掘布局、围岩控制、装备系统3个方面梳理了N00工法核心设计思路。针对N00工法成巷围岩结构特征,考虑围岩空间结构整体稳定和运动全过程稳定性,提出了“碎胀平衡降压+动静耦合支护”围岩控制设计思路,明确了3个控制对象、4种控制技术、8项设计标准及相关设计内容。基于N00工法“采留一体化”采掘布局设计理念,形成了N00工法采煤装备系统和成巷装备系统布局新设计,明确了N00装备系统关键结构和功能设计内容。工程试验结果表明,采用N00工法设计,采煤装备系统可实现工作面前无巷采煤,成巷装备系统可实现工作面采后同步成巷,突破了传统采掘分离式装备布局模式,实现了采煤过程中无提前掘巷和无留设煤柱。柠条塔煤矿试验工作面留巷长度2 344 m内,巷道顶底板移近量最大145 mm,巷道围岩控制效果良好,完全满足安全生产要求。无煤柱自成巷N00的成功应用,验证了N00工法采留一体化装备和围岩控制关键设计的可行性,为提高矿井采出率、节约煤炭资源,减少巷道掘进、降低开采成本以及缓解采掘接续问题提供了新途径。 展开更多
关键词 采留一体化 围岩控制 N00工法 无煤柱自成巷 切顶卸压
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薄煤层“110工法”成巷质量影响因素分析 被引量:4
7
作者 何文帅 党辉 +1 位作者 梁思哲 李磊 《陕西煤炭》 2021年第1期68-72,共5页
为解决留巷过程中遇到的局部巷道成形差的问题,提高留巷效果,以便于更好地服务于下区段综采工作面,进行了切顶卸压自动成巷设计并完成了工程实践。通过分析成巷质量的影响因素,提出了相应的应对方法和管理措施。切顶卸压自动成巷无煤柱... 为解决留巷过程中遇到的局部巷道成形差的问题,提高留巷效果,以便于更好地服务于下区段综采工作面,进行了切顶卸压自动成巷设计并完成了工程实践。通过分析成巷质量的影响因素,提出了相应的应对方法和管理措施。切顶卸压自动成巷无煤柱开采技术首次在黄陵矿业瑞能煤业公司实施,并得到成功应用,填补了黄陇矿区无煤柱开采技术的空白,为类似工程提供了参考经验。 展开更多
关键词 切顶卸压 自动成巷 无煤柱开采 预裂爆破
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无煤柱自成巷短臂梁顶板补偿支护力设计方法及其影响因素分析 被引量:4
8
作者 杨军 刘奔 +5 位作者 周鹏 黄龙 张俊 侯世林 王亚军 陈菲 《岩石力学与工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第4期798-809,共12页
为实现无煤柱自成巷开采条件下短臂梁顶板结构安全稳定,研究短臂梁顶板结构平衡机制及其动态演化机制,明确锚索的补偿支护作用机制,利用Hoek-Brown强度准则和塑性力学中的上限分析方法分析锚索支护作用下短臂梁顶板围岩的冒落破坏机制,... 为实现无煤柱自成巷开采条件下短臂梁顶板结构安全稳定,研究短臂梁顶板结构平衡机制及其动态演化机制,明确锚索的补偿支护作用机制,利用Hoek-Brown强度准则和塑性力学中的上限分析方法分析锚索支护作用下短臂梁顶板围岩的冒落破坏机制,推导短臂梁顶板在摩擦垮落、动压影响、成巷稳定3个阶段的锚索补偿支护力计算公式,形成无煤柱自成巷短臂梁顶板补偿支护力设计方法。在此基础上,建立敏感性分析指标,分析不同参数对锚索补偿支护力的影响程度。研究表明:围岩应力、切缝参数、巷道宽度是锚索补偿支护力的主控因素,其中围岩应力为最敏感指标,据此提出短臂梁顶板稳定性控制相关工程建议。研究成果在新泰煤矿N00工法5101工作面运输巷进行了应用,现场应用效果良好。 展开更多
关键词 采矿工程 无煤柱自成巷 切顶短臂梁 上限法 锚索设计 影响因素
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无煤柱自成巷动压承载支护作用机理与设计方法 被引量:4
9
作者 杨军 闵铁军 +3 位作者 王亚军 刘奔 侯世林 陈奎奎 《中国矿业大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第3期457-465,共9页
为探究切顶卸压无煤柱自成巷开采动压影响期间巷内临时支护的设计方法,分析了自成巷道顶板结构的演化过程与变形特征,阐明了动压承载临时支护的作用机理,基于Hoek-Brown强度准则,建立了切顶短臂梁顶板破断力学模型,利用极限分析上限法,... 为探究切顶卸压无煤柱自成巷开采动压影响期间巷内临时支护的设计方法,分析了自成巷道顶板结构的演化过程与变形特征,阐明了动压承载临时支护的作用机理,基于Hoek-Brown强度准则,建立了切顶短臂梁顶板破断力学模型,利用极限分析上限法,推导出了短臂梁在临界位置断裂时的支护阻力计算方法,探究了有关因素对支护阻力大小的影响规律,将设计方法应用至柠条塔矿现场试验,效果良好.研究表明:动压承载临时支护的作用为控制顶板离层变形并适应顶板回转变形;支护阻力随着顶板岩体容重、上覆岩层垂直应力、采动应力集中系数和巷道宽度的增大而逐渐增大,随着顶板岩体内聚力、内摩擦角、碎胀矸石支承系数、短臂梁顶板厚度和支护非对称系数的增大而逐渐减小.相较于其他因素,顶板岩体内聚力、上覆岩层垂直应力与巷道宽度对支护阻力的影响更加显著. 展开更多
关键词 无煤柱自成巷 动压承载支护 HOEK-BROWN强度准则 上限法 支护设计
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无煤柱自成巷三维地质力学模型试验系统研制与工程应用 被引量:26
10
作者 王琦 江贝 +5 位作者 辛忠欣 何满潮 李术才 张朋 王悦 蒋振华 《岩石力学与工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2020年第8期1582-1594,共13页
切顶卸压无煤柱自成巷技术是一种新型煤炭开采方法,利用矿山压力做功与岩体碎胀特性自动形成巷道,实现了煤炭开采无巷道掘进、无煤柱留设。为深入研究无煤柱自成巷开采全过程的覆岩运动机制、矿压显现规律与自成巷变形破坏机制,自主研... 切顶卸压无煤柱自成巷技术是一种新型煤炭开采方法,利用矿山压力做功与岩体碎胀特性自动形成巷道,实现了煤炭开采无巷道掘进、无煤柱留设。为深入研究无煤柱自成巷开采全过程的覆岩运动机制、矿压显现规律与自成巷变形破坏机制,自主研发了切顶卸压无煤柱自成巷三维地质力学模型试验系统,由反力液压加载系统、自动采煤成巷系统和高精实时监测系统组成。试验系统配备无煤柱自成巷推采、切缝、成巷等核心工艺的成套模拟试验装置,实现无煤柱自成巷采掘留一体化开采全过程的真实模拟与完整工作面矿压规律的监测分析,通过组合式反力装置,可开展5.5 m×2.4 m×3.0 m(长×高×宽)以内不同尺寸模型体的地质力学模型试验。以我国首个N00工法工作面——柠条塔煤矿S1201–II工作面为工程背景,利用该试验系统开展了无煤柱自成巷工艺中最复杂的N00工法的三维地质力学模型试验,揭示了N00工法开采的矿压显现规律,得到了自成巷围岩变形控制机制,明确了自成巷关键破坏部位,提出了相应的工程建议,指导了现场设计与应用。现场试验与模型试验结果相一致,验证了模型试验系统研发与应用的合理性与有效性。 展开更多
关键词 采矿工程 无煤柱自成巷 地质力学模型试验 试验系统研发 N00工法 现场应用
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切顶卸压自动成巷岩层运动规律物理模拟实验 被引量:30
11
作者 王炯 朱道勇 +2 位作者 宫伟力 何满潮 高韧 《岩石力学与工程学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第11期2536-2547,共12页
为研究切顶卸压自动成巷无煤柱开采(110工法)工艺条件下上覆岩层运动规律及留巷效果,以店坪煤矿5–200工作面工程实例为原型,开展岩层运动尺度110工法物理模拟实验研究。采用石膏粉、细河沙、重晶石粉等相似材料构造砂质泥岩、中砂岩、... 为研究切顶卸压自动成巷无煤柱开采(110工法)工艺条件下上覆岩层运动规律及留巷效果,以店坪煤矿5–200工作面工程实例为原型,开展岩层运动尺度110工法物理模拟实验研究。采用石膏粉、细河沙、重晶石粉等相似材料构造砂质泥岩、中砂岩、石灰岩以及煤岩4种岩层;根据不同推进尺度沿煤层走向设计6种开挖步骤,用于观测有不同开挖阶段下的上覆岩层的垮落规律及留巷围岩的变形特征。实验中,采用可见成像、高精度数字散斑成像以及现场人工素描等方法来观测岩层的垮落规律。研究结果表明:当工作面开挖12 m,直接顶完全垮落;工作面开挖16m,基本顶完全垮落,工作面开挖20m,上覆岩层垮落达到稳定状态。受切缝影响,覆岩运动前期切缝侧岩层超前于未切缝一侧垮落,且位移大于未切缝一侧;后期由于岩层的碎胀性,切缝侧采空区填充效果较好,其垂向位移小于未切缝侧,且离层多集中于未切缝侧。全场位移云图及巷道顶底板位移监测表明,顶板垂向位移最大10mm,底板垂向位移最大4mm,围岩稳定性较好,说明通过顶板预裂切缝,有效缓解巷道围岩压力,控制围岩变形。 展开更多
关键词 采矿工程 切顶卸压 自动成巷 上覆岩层运动 相似模拟
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切缝控顶作用下工作面矿压显现非对称特征分析 被引量:4
12
作者 李卫 王亚军 《采矿与安全工程学报》 EI CSCD 北大核心 2020年第2期254-263,共10页
无煤柱自成巷开采利用顶板切缝技术形成了一种新的留巷方式,为了探索顶板切缝对工作面矿压显现的影响,建立了切缝作用下顶板结构模型,分析了切缝控顶作用下岩层断裂演化过程,并利用柠条塔矿试验数据对其进行了验证。结果表明:顶板切缝... 无煤柱自成巷开采利用顶板切缝技术形成了一种新的留巷方式,为了探索顶板切缝对工作面矿压显现的影响,建立了切缝作用下顶板结构模型,分析了切缝控顶作用下岩层断裂演化过程,并利用柠条塔矿试验数据对其进行了验证。结果表明:顶板切缝有助于促使采空区一定范围内岩体迅速垮落,并使切缝侧高位坚硬顶板断裂长度增大,从而会导致工作面矿压显现呈现出非对称性,切缝侧的低压区范围在切缝影响下产生一定扩展,扩展幅度约66.7%。切缝后工作面沿长度方向存在4个矿压分区,其中Ⅰ,Ⅲ ,Ⅳ区内,顶板切缝未对工作面矿压显现产生明显作用;Ⅱ区为切缝效应主要影响区,该区域矿压显现剧烈程度较无切缝工作面降低20.76%~23.54%。因此认为,顶板切缝有助于优化一定范围内的顶板结构,改善工作面应力环境,增大切缝侧低压区范围,并减弱一定区域内的矿压显现。 展开更多
关键词 无煤柱自成巷 留煤柱 顶板切缝 顶板结构 矿压显现
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无煤柱自成巷开采巷道矿压显现特征及控制对策 被引量:43
13
作者 王亚军 何满潮 +5 位作者 张科学 杨军 甄恩泽 朱珍 高玉兵 马资敏 《采矿与安全工程学报》 EI CSCD 北大核心 2018年第4期677-685,共9页
切顶卸压无煤柱自成巷开采技术是煤炭开采的一项新技术,为了探索该技术条件下的巷道矿压显现特征,建立顶板岩层结构力学模型,并提出"承压结构"和"卸压结构"的概念。经分析,前者是上覆岩层压力的主要承载体,可在矸... 切顶卸压无煤柱自成巷开采技术是煤炭开采的一项新技术,为了探索该技术条件下的巷道矿压显现特征,建立顶板岩层结构力学模型,并提出"承压结构"和"卸压结构"的概念。经分析,前者是上覆岩层压力的主要承载体,可在矸石和煤体的支撑作用下保持平衡,其断裂位置和运动位态是影响巷道围岩变形的最主要因素;后者则在前者保护和顶板切缝的影响下始终处于卸压环境,并与巷内支护和巷帮煤体共同作用形成稳定的内圈结构。通过对两者的变形特征进行计算和分析,初步形成了利用顶板切缝控制"承压结构"变形和利用NPR恒阻大变形锚索支护控制"卸压结构"变形的基本思路,同时给出了顶板切缝和顶板支护参数的计算方法,为现场方案设计提供了理论依据。综合上述理论分析和现场实测数据,得出切顶卸压无煤柱自成巷开采工作面后方巷道围岩变形可划分为3个阶段,即卸压影响期、动压变形期和压实稳定期,并分析了各阶段的顶板运动和矿压显现特征。基于以上研究成果,针对切顶卸压无煤柱自成巷开采,提出精准切缝、非对称支护、分区支护、高预应力(初撑力)主动支护以及关键部位加强支护等巷道围岩稳定性控制对策,经现场试验验证,效果良好。 展开更多
关键词 切顶卸压 无煤柱自成巷 承压结构 卸压结构 矿压显现 控制对策
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