张家峁矿近水体煤层群隔水煤柱合理宽度确定

针对张家峁常家沟水库近水体煤层开采后覆岩裂隙扩展诱发透水的潜在风险,对煤层开采过程中的覆岩破坏特征及裂隙扩展规律进行了模型试验及数值模拟研究。为合理确定4^(-2)煤层的隔水煤柱宽度,基于矿山支承压力和静水压力对隔水煤柱的不同作用机理,将4^(-2)煤层隔水煤柱划分为矿压影响区和有效隔水区,分别构建了矿压影响区和有效隔水区的煤柱受力分析计算模型,推导了4^(-2)煤层矿压影响区和有效隔水区的理论宽度计算公式。在此基础上,考虑煤层开采边界角与水体下伏不同煤层矿压影响区宽度的关系,提出了“上覆煤柱宽度+矿压影响区”的水体下伏煤层群隔水煤柱宽度确定方法。结果表明:4^(-2)煤层工作面初次来压步距为45~56 m,周期来压步距为13.8~14.9 m,上覆岩层冒落带高度为12~13 m;地表最大下沉量为2.0~2.2 m,下沉系数为0.571~0.629,4^(-2)、4^(-3)、4^(-4)和5^(-2)煤层隔水煤柱的合理宽度分别为25,39,51和87 m。现场实测隔水效果验证了近水体煤柱理论留设宽度的合理性及其工程适用性,为张家峁近水体煤层群安全高效开采提供了技术保障。

基于Voronoi图的不规则煤柱稳定性分析

基于规则煤柱的稳定性理论,提出了不规则煤柱有效宽度的概念,通过引入计算几何的Voronoi图确定了不规则煤柱的从属面积,建立了不规则煤柱稳定性评价方法.单一煤柱的失效将使载荷转移到其邻近煤柱上并引起该煤柱过载,这种渐进过载过程导致了煤柱不稳定破坏的"多米诺"效应,从而引发大面积突然塌陷灾害的发生.

基于载荷转移距离和有效宽度的煤柱稳定性评价方法

煤柱稳定性评价是房柱式开采设计的主要研究内容之一。在分析煤柱强度、煤柱载荷和从属面积法煤柱稳定性评价的基础上,定义了煤柱有效宽度为煤柱横截面内最大内切圆直径,引入采动载荷转移距离LTD,建立了基于载荷转移距离和煤柱有效宽度的煤柱稳定性评价方法。通过对规则煤柱和不规则煤柱稳定性的对比分析,表明新方法能有效改进传统从属面积法评价煤柱稳定性的局限性。为验证基于载荷转移距离和有效宽度的煤柱稳定性评价方法的可靠性,采用3DEC数值方法进行了模拟分析,模拟计算的煤柱载荷分布规律与理论计算一致,相对误差多在10%以下,最大相对误差为12.68%,验证了基于载荷转移距离的煤柱载荷计算的合理性。表明新方法不仅适用于规则煤柱,也适用于不规则煤柱,具有较好的普适性。

综放沿空异形煤柱广义尺寸效应研究

根据煤柱强度理论和限差分计算分析了尺寸效应对异形煤柱的影响,得出当煤柱宽度为5m^10m时,煤柱虽已破坏,但处于低应力区,只要采取一定的加固措施,使其为一整体,就基本能保证其稳定性;当煤柱宽度为10m^20m时,煤柱内塑性区已贯通,同时应力峰值未能发生转移,使煤柱一直承受较高应力,对煤柱稳定极为不利;当煤柱宽度为20m以上时,虽然应力峰值不发生转移,但煤柱内塑性区不贯通,煤柱中形成弹性核区,能很好抵抗峰值压力,但从资源角度考虑,20m以上煤柱不适宜做护巷煤柱;当煤柱宽度超过23m时,煤柱强度基本不增大的结论,对以后煤柱设计具有一定的参考价值。

条带煤柱设计的强度准则效应研究

条带开采广泛应用于深部煤层,合理的条带煤柱尺寸对提高煤炭采出率和保护地表地貌都具有十分重要的意义。通过总结平面应变状态下Wilson准则、Mohr-Coulomb(M-C)准则、广义Matsuoka-Nakai(M-N)准则、广义Lade-Duncan(L-D)准则和外接圆Drucker-Prager(D-P)准则等5种强度准则的统一表达式,进而建立条带煤柱的极限强度、屈服宽度和留设宽度的统一计算公式,探究条带煤柱设计的强度准则效应,并得出煤层黏聚力和内摩擦角的影响特性。研究结果表明:建立的统一计算式涵盖文献已有解,且应用非常方便;条带煤柱设计的强度准则效应显著,Wilson准则和M-C准则的结果过于保守,外接圆D-P准则应用需谨慎,应优先选用广义M-N准则或广义L-D准则;煤层黏聚力和内摩擦角对条带煤柱设计的影响明显,应充分考虑煤层的强度参数变化。该研究结果可为条带煤柱的合理设计与施工提供一定的理论指导。

玉华煤矿综采工作面面间煤柱合理尺寸研究

合理尺寸的煤柱既可以保证巷道的稳定性,也可以提高煤炭的回收率。本文以铜川玉华煤矿为背景,通过应力动态监测、理论推导与工程验证相结合的方法确定区段煤柱合理留设宽度。通过对2410工作面进行应力监测,发现相较于采空区侧煤柱,实体煤的承载能力较高,应力增量较大,在采动影响下应力峰值向深部转移时间晚。为进一步确定煤柱具体留设宽度,考虑工作面开采后煤岩体垮落的成拱效应,建立上覆岩体向煤柱传递荷载的传力拱模型,对煤柱支承压力分布规律进行研究,在明确荷载传递机理与煤柱受力后,结合极限平衡理论与刚塑性理论,得出综采工作面面间煤柱的合理留设宽度和煤帮加固范围。根据研究成果进行工程验证,巷道表面位移观测结果说明所设计的煤柱尺寸合理可靠。该研究结果对类似开采条件下的区段煤柱宽度确定具有参考意义。

条带开采煤柱支承压力与塑性区分布规律研究

为了对条带开采煤柱支承压力与塑性区分布规律进行研究,采用理论分析、数值模拟及现场监测的方法,通过考虑采空区上覆煤岩体成拱效应,确定出煤柱支承压力分布情况。结合煤柱支承压力分布情况,根据玉华煤矿工程条件,采用ANSYS15.0软件模拟计算不同采空区宽度(100~260 m)、不同工作面埋深(400~600 m)的煤柱最大塑性区宽度,并对玉华煤矿2410工作面回风巷道护巷煤柱的最大塑性区进行监测。研究结果表明:依据所提出的煤柱支承压力计算方法,模拟计算出的煤柱最大塑性区宽度和现场监测结果一致。给出了确定煤柱支承压力分布的计算方法,以及依据该方法计算出的煤柱最大塑性区分布规律,可为煤柱留设宽度设计提供依据。

软煤层大采高工作面巷道煤柱尺寸优化

针对长平矿大采高工作面巷道留设合理煤柱宽度问题,通过煤柱稳定性理论计算、应力实测、有效支撑面积分析,对大采高综采工作面巷道煤柱尺寸进行了合理优化。采用煤柱稳定性理论计算得出护巷煤柱宽度为64m,实践结果表明留设煤柱尺寸较保守。经综合分析认为留设煤柱宽度约为50m时,既能保证巷道回采的稳定性,又可减少煤柱资源浪费。

浅埋深煤层长壁式复采区段煤柱稳定性研究

为确定浅埋深煤层房柱式开采转长壁开采时区段煤柱的形式和稳定性,采用理论计算的方法,分析了已有房柱式开采区域内复采时区段煤柱的类型、受力特征及稳定性,提出了煤柱受力模型,并给出了不充填两柱一巷式、不充填三柱两巷式、充填两柱一巷式、充填三柱两巷式等4种煤柱的有效支撑宽度计算公式。以鄂尔多斯弓家塔煤矿为研究对象,计算了4种区段煤柱的失稳系数。结果表明：不充填型和充填型两柱一巷式、不充填型三柱二巷式区段煤柱失稳系数大于或接近1,存在失稳的危险性,充填型三柱二巷式区段煤柱失稳系数为0.64~0.87,可以保证长壁工作面开采时的区段煤柱的稳定性,满足了安全生产需要,最大限度地提高煤炭采出率。

大采高工作面回撤通道间隔煤柱失稳机理

为解决某矿2301大采高工作面回撤通道围岩稳定性差、非对称变形破坏严重等难题,应对对其关键承载部分--间隔煤柱的失稳机理开展系统研究。综合运用数值模拟、理论力学分析、数学建模等研究方法,分析了2301大采高工作面回撤通道煤柱内支承应力及塑性区分布规律的柱宽效应,建立"煤柱-顶板"结构力学模型,基于尖点突变理论建立并解析煤柱突变微分方程,进而计算出2301工作面间隔煤柱临界突变灾变宽度为4.1m,且数值模拟计算结果与理论计算相吻合,即间隔煤柱留设最小宽度应大于4.1m。

综放工作面区段煤柱宽高比效应及尺寸优化研究

针对综放开采区段煤柱尺寸留设不合理造成的资源损失严重和巷道维护困难等问题,以东川煤矿综放工作面地质条件和开采参数为对象,采用物理模拟、FLAC数值计算和理论分析相结合的方法,研究了综放工作面矿压显现规律、不同宽度区段煤柱稳定性及动态应力分布形态,掌握了不同宽高比的区段煤柱变形破坏特征、煤柱极限强度及失稳概率。研究表明:煤柱承受的最大应力和塑性区宽度与区段煤柱宽高比成负相关关系,煤柱弹性核区率与宽高比成正相关关系;当区段煤柱宽度大于18m时,核区率大于65%,煤柱安全系数大于1.1,失稳的概率小于45%,煤柱较稳定;当煤柱宽度小于18m时,核区率小于65%,煤柱安全系数小于1.0,失稳的概率大于60%,煤柱容易失稳。在该矿406工作面进行了实践验证,煤柱帮和开采帮仅有局部片帮现象,巷道变形量较小,保证了现场安全开采。研究结论可为类似开采条件的区段煤柱尺寸设计提供借鉴。

基于压力拱理论的螺旋钻机开采单层钻孔参数优化

为科学设计某矿螺旋钻机钻孔布置参数,根据钻孔周围应力分布特点,提出相邻钻孔间煤柱有效宽度的确定方法,确定单层钻孔排布关键参数;结合压力拱理论,提出以永久隔离煤柱中点处应力集中系数为永久隔离煤柱宽度合理性的判定标准;利用正交试验法设计9组正交试验方案,运用有限元差分软件进行数值模拟,基于压力拱理论分析模拟结果,选取最优方案。结果表明:较小的相邻钻孔间煤柱宽度使钻孔上原本各自独立的压力拱形成1个压力拱,关键层能有效地限制压力拱外边界高度,永久隔离煤柱能有效消除相邻钻孔群间影响;所提出的相邻钻孔间煤柱有效宽度确定方法适合螺旋钻机开采参数设计;方案9,即相邻钻孔数量25个,相邻钻孔间煤柱宽度1 m,永久隔离煤柱宽度10 m,关键层下围岩较稳定,监测煤柱内塑性区宽度与有效宽度比值0.4,永久隔离煤柱中点处应力集中系数1.382,相比之下,该方案属最优。

单侧采动影响下底板巷道煤柱合理留设宽度研究

根据许疃煤矿实际生产地质条件,通过理论分析、数值模拟、相似模拟,对受采动影响的底板上山巷道失稳力学机理、围岩应力分布、位移变形特征、塑性区演化规律进行了研究;确定了底板巷道与上部煤体边缘之间的合理水平距离(即单侧煤柱宽度);并建立了解决此类问题的研究方法。

深埋小净距隧道群围岩压力计算方法探究

基于极限平衡拱理论,根据有效承载宽度对中夹岩柱的实际支承力提出修正,得到适用于深埋小净距隧道的围岩压力计算方法;同时以兴业快线北段隧道实例为依托,将理论计算结果与数值模拟、现场实测结果相互验证。修正计算方法所得小净距隧道群的竖向围岩压力呈现主洞大于辅洞,内侧大于外侧的分布规律。数值模拟所得深埋小净距隧道群的法向围岩压力,其最大值出现在内侧拱肩处,向着拱顶和边墙呈逐渐减小趋势,其分布形态与现场实测结果基本吻合。修正计算方法所得竖向围岩压力与数值模拟结果、现场实测结果也较为吻合,认为考虑中夹岩柱实际支承力的修正计算方法较符合工程实际,可为深埋小净距隧道设计提供一定的理论依据。

煤岩组合体层间作用效应及煤柱合理宽度研究

以某矿3202工作面为研究背景,通过理论分析和数值模拟方法分析工作面煤岩组合结构护巷煤柱层间作用效应及不同煤柱宽度的应力位移分布规律。结果表明,当岩石强度大于煤体强度时,煤岩组合结构整体强度增强。此外,煤岩组合煤柱内部应力在煤岩交界面发生突变,随着煤柱宽度增加,煤柱内部垂直应力发生偏转,水平应力偏转程度最高。分析煤岩组合煤柱和单一煤柱的应力和位移规律,结果表明,组合煤柱的承载能力较大,巷道围岩稳定性好,与理论分析结果一致。

非均质岩石损伤效应下沿空留巷煤柱宽度研究

目前对沿空留巷煤柱宽度留设的研究集中在煤柱强度、煤柱载荷与煤柱稳定性方面,很少考虑岩石非均质性及损伤效应对煤柱留设宽度的影响。以乌兰木伦煤矿四盘区12煤沿空留巷为工程背景,在考虑岩石非均质性-损伤效应基础上,综合运用理论分析、数值计算、现场实测等方法,研究了煤柱留设宽度。研究结果表明:岩石非均质性-损伤效应模型可较好地反映岩石破裂特征,即在弹性阶段仅有少量颗粒发生破坏,在塑性阶段裂隙开始发育并出现贯通现象,在破坏阶段形成沿对角线方向的宏观剪切裂纹;随着煤柱宽度增大,巷道整体变形量先减小后增大,在煤柱宽度为6 m时发生突变,煤柱周围损伤区域范围及损伤程度不断减小;采动侧巷帮变形量大于非采动侧,但随煤柱宽度改变的变化量较非采动侧小,采空区侧围岩损伤分布大于实体煤侧;根据理论分析、数值计算确定沿空留巷煤柱宽度为5 m并应用于工程现场,工作面前方巷道整体变形量不大,工作面后方60 m后顶板覆岩移动变形基本稳定,验证了沿空留巷煤柱宽度留设的合理性。

进路宽度对无底柱分段崩落法放矿效果的影响

无底柱分段崩落采矿法结构参数对其放矿的损失与贫化有着较大的影响,本文采用单分段、单进路的放矿模型,研究了放矿过程中进路宽度对放矿量、回收率和贫化率的影响,分析了放矿效果产生变化的原因。实验发现:(1)随着进路宽度的增加,同一崩矿步距内的放矿量明显增加,进路口眉线处矿岩结拱现象大幅减少;(2)增加进路宽度可显著提高矿岩的流动性,进路宽度每增加0.5m,矿石回收率约提高1.3个百分点;(3)随着进路宽度的增加,矿石产生贫化的时间延迟,贫化率增长速度减小,但最终贫化率呈小幅度增加趋势。研究结果表明:放矿效果发生变化的主要原因一方面是进路宽度的增加提高了滑动微面以内的矿岩总量,因而大幅提高了放出的矿石量;另一方面是在出矿过程中,进路宽度越大,进路内矿岩被重复扰动的区域越小,进而减缓了废石的侵入速度。

上覆遗留煤柱下孤岛工作面小煤柱宽度研究

以同忻矿8102孤岛工作面为研究背景,通过理论分析和计算,得到合理的小煤柱留设宽度范围;通过Flac数值模拟,分析8102孤岛工作面小煤柱的应力降低区,选取最佳的小煤柱留设宽度为6 m;分析上覆煤层遗留煤柱对8102孤岛工作面的应力影响规律,对应力增高区域进行针对性加强支护措施,以保证工作面安全高效开采及小煤柱合理宽度的留设。

进路宽度与边孔角对放矿效果的影响

无底柱分段崩落法广泛应用于国内地下铁矿山,具有开采效率高、成本低等优势,但矿石损失贫化大。通过多组进路宽度、边孔角放矿试验,从矿石贫化率、矿石回收率及结合放出体形态发育特征探究放矿指标变化原因。结果表明:(1)随着进路宽度边孔角的增加,矿石回收率随之增大,边孔角每增加10°,矿石回收率平均增加约3.13个百分点;进路宽度每增加0.5 m,矿石回收率增加约0.82个百分点,当进路宽度为5.5 m、边孔角为55°时,矿石回收率最高;(2)贫化率随着边孔角、进路宽度的增加呈先增加后减小的趋势,当进路宽度为4 m,边孔角为25°时贫化率最高,其中进路宽度对贫化率影响明显;(3)进路宽度、边孔角越大,放出体形态高度发育速度减慢,横向轴长发育速度增快,对纵向轴长发育速度影响不大。放出体形态的变化导致顶部废石量减少,放出矿岩量增加进而影响放矿指标。