热力耦合作用下煤炭地下气化地表沉陷预测方法

煤炭地下气化是煤炭低碳绿色开采技术体系的重要组成,煤炭行业“双碳”目标的实施使得煤炭地下气化迎来良好的发展机遇。然而煤炭地下气化也会引起岩层移动及地表变形,导致利用地下气化回收井工难以开采的“三下”压煤时,严重威胁地面建(构)筑物安全。如何兼顾煤炭地下气化特点准确的预测其地表沉陷,已成为制约煤炭地下气化产业化应用的重要瓶颈之一。基于此,结合“条采-面采”后退式地下气化工艺特点,探究了热力耦合作用下煤炭地下气化引起地表沉陷的诱因,得出地下气化产生地表沉陷的根源是岩层挠曲与焦化隔离煤柱压缩变形。在此基础上,建立了热力耦合作用下煤炭地下气化顶板挠曲变形计算方法以及基于D-P准则的气化煤柱屈服模型与压缩计算方法,进而根据等效下沉空间原理构建了热力耦合作用下煤炭地下气化地表沉陷精准预测模型,并通过乌兰察布煤炭地下气化地表沉陷的实测数据验证了新方法的有效性和准确性。

综放工作面回采巷道锚杆支护解除机理与实践

为了防止顶板初次垮落步距加大和工作面端头较大范围悬顶,基于潞安矿业(集团)公司漳村矿2203工作面安全高效生产的重要性,采用理论分析、数值模拟和现场试验的方法,分析了锚杆支护解除前后回采巷道顶板状态、煤柱支承压力分布、煤柱屈服区宽度、邻近巷道围岩移动破坏等变化情况,研究了回采巷道锚杆、锚索支护解除机理、方法及工艺过程。结果表明:实施锚杆支护解除可以减小初次垮落步距,增加初采放煤量,减小煤柱压力,改变工作面邻近煤柱的受力状态,提高煤柱整体强度,可以回收锚杆、锚索及组合构件。2203工作面成功回收90%以上的可回收锚杆,不可回收锚杆(索)的托盘及钢带等基本回收,初采垮落步距减小了8 m,增加初采放煤量7 311 t。

煤柱屈服区宽度计算及其影响因素分析

应用库仑准则导出了煤柱屈服区宽度的计算公式，着重分析了煤柱高度、煤柱极限强度等５个因素对煤柱屈服区宽度的影响规律。认为煤柱的极限应力与采深无关，主要取决于煤体自身的极限强度。明确了煤层与顶底板接触面的粘聚应力σ_ｃ和摩擦角 的含义与取值规则，可直接供煤矿生产设计应用。

碎矸体充填条件下煤柱变形数值模拟

为分析煤柱在渐变侧向约束力下的变形规律,以铁法晓南矿的保护煤柱开采实例为研究背景,采用理论分析、室内试验及数值模拟等方法,研究了不同级配矸石的压缩性能及侧压变化规律,建立了煤柱在碎矸体约束下的强度和峰值应力公式,并且推导了煤柱在侧压下的屈服区宽度公式.结果表明:在碎矸体充满或者接近充满采空区的情况下,布置6m采宽,6m柱宽的方案是可行的,煤柱在充填后强度增大,水平位移较之充填前减小,煤柱水平应力值是由底部最大到顶段最小,煤柱塑性区宽度也有所减小.研究结论初步突破了煤柱在侧向约束下的变形认识,为进一步研究充填开采保护煤柱的开采问题提供了理论基础.

胖试样(矿柱)的曲线剪切带及应力分布模拟

采用拉格朗日元法,模拟了具有粗糙端面的屈服矿柱的宏观力学行为、曲线剪切带图案及渐进破坏特征。矿体在弹性阶段的本构关系取为线弹性;峰值强度后的本构模型取为莫尔库仑剪破坏与拉破坏复合的应变软化模型。计算表明,矿柱的宽度越窄、强度越低。矿柱的破坏是逐渐发生的,剪切带从矿柱的四角开始启动,向矿柱的内部传播,最终形成了由曲线剪切带构成的剪切破裂网络。该网络与塑性力学中的曲线滑移线网非常类似。矿柱中心弹性区两侧的软化区的压缩应力由表至里波动上升,反映了矿柱内部条带状的局部剪切破坏。软化区厚度随时间步(或轴向应变)的变化率为常量。矿柱弹性区的应力水平及软化区的应力分布不受矿柱宽度的影响,前者与矿柱的轴向应变有关。

缓倾斜煤层防水煤柱留设宽度设计

根据王坡煤矿工作面赋存情况,将工作面突水类型划分为煤层方向突水和底板方向突水两类,应用弹塑性极限平衡理论结合莫尔-库伦屈服准则得到倾斜条件下工作面上侧、下侧防水煤柱的计算公式,经计算并分析比较,防水煤柱留设宽度为17.4 m,考虑采动过程中底板压力变化造成底板破坏深度的增加,实际留设防水煤柱宽度20 m。该研究为倾斜煤层巷道防水煤柱的合理留设提供了依据,为倾斜煤层的安全高效开采提供有益借鉴。

不同屈服准则下回采巷道区段煤柱的合理宽度

以某矿为背景,对该矿6-6~#煤层开采中S_1段与S_2段区段煤柱合理宽度的问题进行了研究,基于摩尔库伦准则、SMP准则对区段煤柱的合理宽度进行计算,并采用FLAC^(3D)数值模拟的方法对6-6~#煤层S_1段采空后不同距离下S_2煤体中应力分布特征,及不同宽度的区段煤柱(6、8、10、12、14、16、18 m)下煤柱中的垂直应力、水平应力、煤柱中非塑性破坏宽度、以及S_2段巷道中围岩的位移情况进行分析;通过研究,最终确定该矿6-6~#煤层区段煤柱的合理宽度应为11~12m;通过将摩尔库伦准则、SMP准则计算所得煤柱宽度与模拟结果进行对比,发现模拟结果与SMP准则所得结果更接近。

倾斜煤层防水煤岩柱尺寸留设的技术优化研究

采用传统方法对4#煤层需要留设的防水煤岩柱尺寸进行计算,分析结果认为传统方法对于倾斜煤层防水煤柱中央弹性核区存在重复计算的问题,因此造成留设的防水煤柱尺寸偏大。为了改善传统方法存在的弊端,在保证安全的前提下对4#煤层屈服区尺寸进行计算并考虑覆岩移动角度的影响,得到设计方法优化后的防水煤岩柱尺寸。为了进一步提高采区回采率,综合分析煤柱留设的共性问题,提出巷道布置的优化方案。研究结果表明,设计优化后留设防水煤柱的尺寸仅为原方法的42.42%,综合起坡段带来的三角煤损结合防水煤岩柱尺寸,优化后的煤炭损失仅为原方法煤炭损失的45.42%,按照采区设计的推进长度计算,相邻工作面之间可多采出煤炭资源近1.58 Mt。另外,优化方案中起坡段回采工艺可以改善工作面倾角大带来的设备稳定性的问题。

神府矿区浅埋煤层工作面煤柱稳定性评价

煤柱的稳定性是决定老(采)空区安全的重要因素之一。为了评价浅埋煤层工作面区段防水煤柱的稳定性,以郭家湾煤矿51103首采工作面为例,采用室内试验、现场实测、理论分析、数学建模等方法对其煤柱特征、留设尺寸进行综合分析研究。结果表明:煤柱屈服区宽度为4.3m,水压破坏区宽度为6.8m,有效隔水区宽度为8.4m。工作面煤柱高度按照5.0m考虑,根据Bieniawski煤柱强度理论及相关判别指标,所留设的煤柱处于绝对安全稳定状态,由此证明,在51104相邻工作面开采期间51103工作面留设的区段防水煤柱可以保持稳定。