浅埋近距离煤层过平行煤柱开采强矿压机理研究

为了揭示浅埋近距离煤层工作面过平行煤柱开采动载传递特征及强矿压机理,以榆家梁煤矿43207工作面为工程背景,采用现场实测、物理模拟、理论分析相结合的方法,研究了煤柱覆岩“倒梯形”结构随下部间隔岩层的运动及其载荷传递特征,分析了超前支承压力和支架载荷的转化规律,建立了“煤柱-间隔岩层台阶岩梁”耦合结构力学模型,得出了强矿压瞬间和顶板切落稳定后的支架载荷计算公式。研究结果表明:煤柱覆岩“倒梯形”结构的集中应力和载荷主要集中于煤柱后段,后段集中载荷是导致工作面过煤柱强矿压的根源;工作面进煤柱初期,煤柱应力表现为双峰;临近出煤柱时,应力集中为单峰,位于煤柱后段。工作面出煤柱4 m后,煤柱后区的超前支承应力系数达到峰值6.00,间隔层开始产生超前裂隙;出煤柱5 m时发生强矿压,煤柱应力下降43%。强矿压期间,煤柱应力传递至煤柱下7 m层位(间隔岩层关键层中部)下降了39%,表明顶板结构承担了相当大的载荷。基于间隔岩层台阶岩梁结构的理论计算,得出强矿压瞬间的支架载荷计算公式,按照煤柱平均应力计算得出支架载荷为22.9 MN/架,按照强矿压时刻煤柱后段应力计算得出支架载荷为24.1 MN/架;煤柱传递至支架的载荷仅为煤柱总载荷的12%~18%,仍超过现场支架额定工作阻力9.2 MN/架。因此,为防止压架,支架额定工作阻力需达到15 MN/架,或者对煤柱及间隔岩层结构进行处理,以保证安全开采。研究结果可为类似条件工作面过平行煤柱开采提供参考。

浅埋近距离煤层工作面过平行煤柱开采强矿压显现规律

浅埋近距离煤层工作面过平行煤柱开采容易发生强矿压压架事故,严重影响工作面安全高效开采。以榆家梁煤矿43207工作面和石圪台煤矿2^(-2上)102及2^(-2上)103工作面为背景,采用理论分析、物理模拟和现场实测相结合的方法,根据间隔岩层厚度和煤柱应力传递影响角,提出了过煤柱阶段划分判据,重点分析了不同间采比G、水力压裂程度条件下,过平行煤柱不同阶段的矿压显现特征。结果表明:由于上覆遗留煤柱及倒梯形覆岩结构的作用,导致煤柱影响阶段来压时支架平均载荷最大,进煤柱阶段次之,出煤柱阶段最小,强矿压位置主要集中在出煤柱影响阶段范围;间采比越小,工作面过煤柱采动期间来压时支架平均载荷越大,间采比G=5.5较G=10在进煤柱阶段、煤柱影响阶段和出煤柱阶段分别增大14.6%、14.2%和23.5%,动载效应越明显;间采比对周期来压步距影响不大,总体上煤柱影响阶段的周期来压步距是进出煤柱阶段的1.6~2倍,周期来压步距越大造成顶板悬伸长度增大,导致工作面来压时支架载荷明显。根据过煤柱阶段不同水力压裂范围的矿压规律分析,压裂后的支架平均载荷较未压裂减小11.2%~15%,来压步距减小7.8%~20.3%,水力压裂效果较明显,可有效地降低工作面过煤柱采动的强矿压风险,为类似开采条件的强矿压控制提供借鉴意义。

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。

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。

浅埋煤层矿压显现及支架适应性分析

为了探究浅埋煤层坚硬顶板工作面矿压显现以及验证液压支架的合理性,以庄子河煤矿15107工作面为研究对象,采用理论计算、PFC软件模拟、现场实测相结合的方法,研究该工作面开采过程中矿压显现的规律并开展液压支架适应性研究。结果表明:理论计算15107工作面基本顶初次来压步距约41.56 m,周期来压步距约为16.98 m,与数值模拟、现场实测数据基本一致;对上部、中部和下部支架的工作压力频率进行了分析,结果表明液压支架满足工作面正常开采要求。该研究成果对类似地质条件下探究其矿压显现规律以及工作面液压支架的选型具有一定的借鉴意义。

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。

浅埋近距离煤层开采覆岩裂隙发育规律与影响因素

通过统计浅埋近距离煤层开采实例,研究顶部单一煤层及下煤层重复采动的覆岩裂隙发育规律及其影响因素。单一煤层开采裂采比为8.61~32.50,主要在15.00~30.00之间,覆岩裂隙发育高度与煤层采高呈正相关。下煤层重复采动,间隔岩层完全破断后,上覆岩层裂隙活化发育更为剧烈,裂采比与单一煤层开采相比减小,覆岩裂隙发育高度受埋深影响不明显,主要随2煤层综合采厚的增大而增大。此外,随煤层间距增加,覆岩裂隙发育高度呈降速增大。

近距离多煤层回采巷道层位选择与支护参数优化研究

针对在上覆采空区及遗留保护煤柱下采用下行开采布置放顶煤工作面时,下分层煤层掘进巷道严重变形和回采过程中导致下部煤层工作面发生冒顶、压架等问题,本文以芦子沟煤业为例通过FLAC3D数值模拟,对遗留煤柱下巷道稳定性进行研究,得出下层煤巷道与煤柱外错35 m时所处应力环境得到极大改善;采用合理的巷道布置方案和高预应力强力支护方案后,矿压监测结果显示,回采期间巷道顶底板移近量为90 mm,两帮移近量为179 mm,巷道断面收缩率仅为3.9%,保证了下部5号煤层煤炭资源的安全高效回收。

近距离煤层超前应力演化及动压大巷围岩变形研究

为了解决近距离煤层采动超前侧动压巷道变形严重问题,以某矿近距离煤层工作面超前动压大巷为研究对象,建立近距离煤层开采数值分析模型,研究超前侧动压巷道围岩受重复采动超前叠加应力影响应力演化规律。结果表明,上位煤层工作面推进到停采线时,巷道围岩应力环境发生改变;下工作面推进至停采线30 m时,超前叠加应力影响到大巷附近;上位煤层工作面推进到停采线,下工作面推进至停采线30 m期间,大巷围岩应力不断增大,而后不断减小,当保护煤柱为60 m,峰值应力达到最小,而后再次增大;动压大巷围岩变形破坏主要原因是工作面超前叠加应力较高、巷道围岩强度较低、支护密度较低、支护能力较差等。研究结果可为类似条件下的动压巷道围岩稳定性控制提供参考依据。

浅埋近距离煤层上部采空区自燃危险区数值模拟研究

浅埋近距离煤层群开采下部煤层时,地表裂隙经过二次发育连通上部老采空区,造成采空区内漏风增加,自燃危险性相应增大。以苏家沟煤矿5-1_(上)煤层至地表空间为研究对象,借助Fluent数值模拟软件,研究地表漏风对复合采空区,特别是上部4-2_(中)煤层采空区的自燃危险区域的影响。研究结果表明:采空区内氧气浓度随着与工作面距离得增加而逐渐降低,连通上部采空区与地表的裂隙对采空区内的氧化带分布产生影响,依据自燃危险区的划分标准,结合风流场及氧化带的分布云图确定自燃危险区域的位置和范围。

浅埋深黄泥顶板工作面围岩稳定性控制

为有效治理晋能控股集团晋城公司七一煤矿9114综采工作面回采期间出现的大面积黄泥冒顶,通过理论分析、微观结构测试和现场实践,揭示了浅埋深黄泥顶板工作面的围岩失稳原因,并提出“留底割顶+短支短护+支架少降快移”的直接顶稳定性控制技术。现场应用表明,该技术有效控制了9114工作面黄泥冒顶事故,顶底板移近量稳定在可控范围内,保证了工作面正常回采,为类似条件下工作面围岩稳定性控制提供一定参考。

浅埋房柱近距离煤层安全开采顶板应力控制

韩家湾煤矿2-2煤层采用房柱式开采方式,煤柱在底板形成集中应力,使3-1煤层的开采产生一定的安全隐患。为解决近距离煤层安全开采厚硬岩层顶板聚集较大能量,可能诱发大面积压架或矿震的问题,实现韩家湾煤矿下组煤三盘区3-1煤层的安全开采,采用水力压裂技术对致密厚岩层进行弱化。在分析覆岩特征及潜在顶板灾害特征的基础上,基于三盘区下组煤开采过程中对上部2-2煤层遗留条带煤柱与房柱煤柱的扰动机理,设计采用长水平孔区域压裂技术对2-2煤层的2处大巷煤柱区域进行水压致裂,初步提出了区域压裂技术参数、定向长钻孔压裂工艺。

正文煤矿采空区下回采巷道支护应用分析

为解决正文煤矿近距离煤层下方回采巷道围岩支护难题,以11107回采工作面为工程背景,综合运用理论计算、现场实测等方法,对回采巷道支护及应用进行了探讨;分析表明,9#煤层开采引起底板损伤破坏深度为4.69m,以层间岩层厚度是否大于5m为条件将其巷道围岩分为损伤间隔层、块裂间隔层两种类型,并采用不同的支护方案;应用表明,在掘巷阶段取得较好的围岩控制效果。

浅埋近距离煤层煤柱下开采异常矿压机理

针对补连塔煤矿22307工作面过边界煤柱阶段发生的强动压灾害问题,采用现场实测、理论分析等手段,研究了浅埋近距离煤层大采高工作面边界煤柱下开采异常矿压显现发生机理。结果表明:浅埋近距离厚煤层开采时,下煤层工作面推进至进煤柱阶段发生强动压灾害,支架活柱下缩量达到1 000 mm;下煤层工作面推进过程中,两层煤之间的关键层结构也不断的变化,重复采动阶段,两层煤之间存在一组亚关键层结构,进煤柱阶段,两层煤之间存在一组主关键层结构;进煤柱阶段,煤柱上方关键块的铰接结构发生反向回转运动,导致主关键层关键块上覆载荷增加,发生滑落失稳,引发强动压灾害,同时造成地表出现大的台阶下沉现象。

近距离煤层群围岩碎裂特征与裂隙分布关系

六家煤矿近距离煤层群裂隙网络发育,为了防止顶板及层内裂隙导水、邻空面瓦斯超限与煤体自然发火等隐患,基于分形理论,以巴西劈裂试验和现场窥视统计试验为研究手段,探讨了岩体碎裂尺度及均匀度对裂隙分形特征的影响。研究表明:劈裂块度分维值越接近2,则破裂后碎块尺度越均匀,表现为存在一条主裂隙将试样大致均分且裂隙面较平整;劈裂块度分维值与2相差越大,碎块尺度差距越悬殊,裂隙面越粗糙。劈裂块度分维值与裂隙分维值之间符合抛物线分布,劈裂块度分维值越接近2,则裂隙分维值越大,表明劈裂块体尺度越接近,岩层内裂隙条数越少、裂隙环越平整且与层面夹角越小;劈裂块度分维值与2相差越大,则裂隙分维值越小,表明劈裂块体尺度相差越悬殊,裂隙条数越多、裂隙面越粗糙且裂隙方位无规律。裂隙分布规律与劈裂碎块尺度大小无关,与碎块尺度均匀性密切相关。

上保护层开采下煤岩强扰动力学行为与渗透特性

保护层开采在低渗透高瓦斯近距离煤层中得到广泛应用,研究保护层开采扰动下的煤岩强扰动力学行为与渗透特性为进一步更加高效安全的开采被保护层煤层提供了理论支持。选取平煤集团十二矿上保护层己14煤层工作面己14-31010和被保护层己15煤层工作面己15-31030为研究对象,进行相似模拟试验和保护层开采过后被保护煤层受力分析。通过相似材料模拟试验获取保护层开采方式下被保护层的受力情况,上保护层开采过程中,煤层压力先增大后减小,采空区重新压实稳定后,应力状态近似恢复到原岩应力状态。通过对保护层开采后的被保护煤层受力分析获取煤层变形后的应力状态,上保护层开采过后,被保护层煤层产生变形,煤层上部分膨胀变形,应力小于原岩应力;下部分煤层压缩,应力大于原岩应力。结合二者的结果获取保护层开采方式下室内试验中被保护层煤层应力加载路径。依据被保护层煤层应力加载路径,设计进行采动耦合应力路径下的煤样渗流试验。试验结果表明:上保护层煤层开采过程中,同等试验条件下,被保护层煤层可承受的上保护层开采扰动应力越大,被保护层煤层开采过程中的煤体破坏应力峰值越大,体积应变越大;被保护层煤层开采过程中,M组煤样和N组煤样应力应变曲线与常规保护层卸荷三轴试验相比,扩容点出现位置明显提前;同等应力状态下,水压越大,煤样的体积应变越大;被保护层煤层开采过程中,M组煤样初始围压为35MPa,围压对渗透率的影响大于轴压的影响,N组煤样初始围压为20MPa,围压、轴压交替对渗透率产生主要影响,渗透率曲线呈现“W”型。两组试验中,扰动应力最大的试样破坏前的渗透率普遍大于其他试样的渗透率。

近距离煤层群开采底板不同分区采动裂隙动态演化规律

为了研究采动影响下底板不同应力分区裂隙动态分布及其演化规律,运用弹塑性力学和卸荷条件下断裂力学等相关力学理论分析了不同分区裂隙张开、扩展力学机理,提出不同分区裂纹扩展的应力、位移条件,通过FLAC3D和UDEC数值模拟软件分别研究了底板三维应力状态、位移变化和裂隙演化规律,对底板应力分区做出量化,同时得到采动影响下底板裂隙发育"O"形圈及其动态变化。通对底板不同分区内裂隙的发育倾角统计结果分析,得到了底板不同分区裂隙发育特点:压缩区裂隙多为弯折拉伸裂纹,方位角大致为垂直方向;过渡区裂纹多为反向滑移和弯折扩展裂纹,裂纹倾角多为45°以上;膨胀区多为Ⅱ型剪切裂纹,倾角大部分在45°以下;裂隙发育特征与力学分析相吻合。

浅埋近距离煤层回采巷道支护技术研究

针对浅埋近距离煤层回采巷道顶板完整性差、支护困难等问题,以内蒙古高家梁煤矿20314辅运巷为工程背景,首先根据煤层间距和巷道位置不同,将20314辅运巷划分为层间距3.2~4m、层间距4m以上和上煤层遗留煤柱下三个不同区域,提出了不同区域巷道的支护技术:巷道上方为采空区时,采用锚(索)网带为基本支护方式,且间隔层小于4m,利用钢梁棚进行二次支护;煤柱下巷道在锚网带支护基础上,加强煤柱侧帮锚杆支护强度。然后,利用FLAC3D对不同支护技术的支护效果模拟验证,并在20314辅运巷进行现场试验。结果表明:巷道服务期间顶板最大下沉量为48mm,两帮最大移近量为93mm,锚杆、锚索受力稳定,无冒顶、片帮事故发生,支护效果较好。

浅埋近距离煤层内错布置采空区自燃危险区域研究

浅埋近距离煤层内错布置开采下部煤层时,地表裂隙易与复合采空区相互贯通,造成地表漏风,使采空区,特别是上部老采空自燃危险区域的分布难以预测。针对此问题,以酸刺沟煤矿6上109工作面至地表空间为研究对象,在漏风测定及束管监测的基础上,建立地表与复合采空区漏风模型,借助FLUENT数值模拟软件,研究地表漏风对复合采空区自燃危险区域的影响。研究表明,地表漏风最终汇入下部采空区回风侧,加大了其自燃危险区域范围;漏风流在向回风侧偏移的过程中,由于煤柱的阻挡,风速逐渐降低,与下部漏入的风流共同作用,使上部老采空区形成了氧浓度中间低四周高的不规则环状自燃危险区域;下部采空区进风侧向上的漏风增加了本煤层采空区的总漏风量,加大了其自燃危险区域宽度,同时增加了上部老采空区局部氧浓度,使其自燃危险性增大。

韩家湾煤矿浅埋近距房柱式采空区下开采动载研究

为研究韩家湾煤矿浅埋近距房柱式采空区及煤柱下开采的动载矿压,运用理论分析方法和物理相似模拟实验,采用应力和位移的监测手段,对综采工作面过房柱式采空区及煤柱进行模拟研究。研究表明,房柱式采空区下,工作面覆岩会随着下煤层关键层的破断而依次破坏,矿压显现较一般浅埋煤层开采剧烈,但未发生动载。而在进入区段煤柱期间,工作面只表现出比单一煤层开采时工作面压力较大,在出煤柱时则普遍存在动载矿压现象,动载易发区域在煤柱中的最后一次周期来压后10 m范围内。研究成果在韩家湾煤矿2405工作面进行了动载预测和防治。