千米深井巷道变形特征及稳定性控制技术研究

针对千米深井巷道围岩变形破坏严重问题,调研某矿运输顺槽,总结归纳了千米深井巷道围岩变形破坏模式,分析了埋深及侧压系数变化对巷道围岩变形破坏的影响规律,埋深及侧压系数增加均会显著加剧巷道破坏程度,从应力、岩体破坏及支护等角度阐明了深井巷道失稳机制,提出了“全长锚固-注浆加固-卸压转移”三位一体的支护理念,设计了支护方案并完成工业性试验。结果表明:巷道变形量、离层量均大幅降低,围岩表面完整性显著提高。

覆岩承压含水层疏水应力场演化规律电荷监测研究

【目的】针对我国内蒙古、陕西、山东和甘肃等深部煤炭开采矿区面临水文地质条件复杂,导致顶板疏水量大,覆岩承压含水层疏水诱发的冲击地压灾害日益凸显的问题,开展了覆岩承压含水层疏水过程中煤层应力场演化规律研究。【方法】通过实验室分级加载条件下的煤体电荷感应试验与煤矿现场顶板疏水前后的电荷参数监测相结合的方法,系统研究了不同应力水平下煤体感应电荷的变化特征,以及顶板疏水过程中应力场的动态转移规律。【结果和结论】实验室研究表明,随着加载应力的逐级增大,煤样感应电荷量呈现非线性增长趋势,有效反映了煤体所受的应力水平。现场监测则揭示了顶板疏水过程中,富水区内电荷量均值和变异系数减小,而富水区外一定范围内电荷量先增后减,出现峰值点,表明应力从富水区边缘向外动态转移,并存在转移范围阈值;此外,基于富水区外各测点电荷量峰值的出现时间,得出了不同疏水量下的应力转移特征,即缓慢转移–快速转移–缓慢转移三个阶段。最后,通过大直径钻孔卸压试验,验证了该技术在降低顶板疏水条件下应力集中、防治冲击地压方面的有效性。研究成果可为顶板富水矿井冲击地压的预测与防治提供了理论依据和技术支持。

呼吉尔特矿区邻空巷对掘致冲风险分析及防治技术研究

为研究呼吉尔特矿区厚硬顶板条件下小煤柱沿空掘巷贯通期间冲击地压机理,以门克庆煤矿11-3107回风巷贯通期间矿压显现为工程背景,建立了邻空巷贯通期间应力分布模型及FLAC3D数值模型,对比了距贯通点不同距离掘进工作面应力演化特征,揭示了邻空巷贯通期间冲击地压机理,并通过十字布点法、应力、微震等多种监测手段对巷道围岩变形、煤体应力进行了实测。基于机理分析和现场实测,提出卸压-支护一体化技术。结果表明:由于煤层顶板上方存在厚硬岩层,巷道开挖后,厚硬岩层通过应力传递作用于巷道围岩,使得滞后于掘进工作面的巷道顶底板及帮部发生较大变形;随着邻空巷掘进工作面距离贯通点越近,巷道变形量逐渐增大,通过巷道变形量的增加速率明确了距贯通点约160 m时,巷道变形量开始突增;微震事件主要集中在距贯通点190~60 m以内的巷道贯通区域,理论计算与现场矿压显现相符。

上部煤层采动底板巷道围岩破坏特征与卸压控制技术

针对祁东煤矿开采61煤层同时要确保下部底板岩石大巷正常使用的技术难点,采用理论分析和数值模拟方法研究了上部煤层对底板巷道的动压影响,得出：该底板巷道围岩失稳的实质是其受上部采动应力在底板传递的影响,应力集中系数达15~18倍的原岩应力;其围岩稳定性控制应综合考虑围岩应力集中的诱发因素和卸压护巷原理。继而基于卸压护巷理论,提出钻孔松动爆破卸压护巷技术方案,确定钻孔爆破卸压的技术参数及卸压时机。工程实践表明：采取巷帮、底角钻孔松动爆破卸压护巷方法,使得相邻钻孔间“塑性弱化带”贯通,实现应力向围岩深部转移,能有效控制采动影响下的底板岩巷围岩变形破坏。

深部巷道围岩钻孔卸压与围岩控制技术研究

针对深部开采条件下巷道围岩地应力增加、破碎岩体增多等一系列问题,导致传统支护手段难以有效控制围岩变形的现象,采用有限差分软件FLAC3D建立深部巷道钻孔卸压模型,对钻孔卸压前后巷道围岩应力分布规律与变形破坏特征进行了分析,结果表明,钻孔卸压技术可有效释放巷道围岩应力增高区的变形破坏能量,促使浅部围岩高应力转移至深部煤岩体中,显著改善围岩应力环境。基于对卸压钻孔参数的模拟分析,合理确定出钻孔卸压与主动支护技术参数。工程实践表明,该技术围岩控制效果显著。

高应力软岩巷道全断面松动卸压技术研究

本文以某矿西大巷(高应力软岩巷道)为研究对象,从控制围岩应力的角度出发,提出了全断面松动放矸卸压技术,即通过人为方法主动在支架后方进行放矸,释放围岩的变形能,可将巷道开挖形成的集中应力向围岩深部转移,使巷道处于应力较低的区域中.通过数值计算研究分析了放矸卸压范围对应力转移效果和控制围岩变形的作用,确定了合理的放矸卸压参数.工程应用结果表明,应用该技术可使高应力软岩巷道附近的高应力显著地向深部转移,有效地控制了巷道剧烈变形,保持了巷道稳定.

深部巷道围岩卸压协调控制技术

为解决深部高应力巷道围岩支护难维护问题,综合采用现场实测、数值计算、理论分析及工业性试验等方法,基于深部巷道钻孔卸压机理、钻孔参数确定方法及卸压钻孔与支护结构作用关系的分析,提出深部巷道围岩卸压协调控制技术,包括一次让压、钻孔卸压和二次高强锚注支护等3方面:一次让压支护使围岩产生恒阻变形,降低卸压引起的支护结构非协调受力;钻孔卸压的作用是转移巷道周边高应力,补偿围岩变形,减小巷道径向收敛;二次高强锚注支护为卸压协调控制技术的核心,目的是控制卸压后破碎岩体的后期蠕变。工程应用效果表明,该技术可有效控制深部巷道围岩大变形,具有一定的推广应用价值。

近距离煤层群切顶留巷覆岩应力及变形响应研究

为了深入了解近距离煤层群切顶留巷上覆岩层应力及变形演化规律,以白皎煤矿B_(4)煤层、B_(3)煤层、B_(2)煤层切顶成巷巷道2442、2443及2444运输平巷为研究对象,开展了3层煤回采巷道开挖物理试验研究,结果表明:(1)上煤层巷道切顶后,顶板卸压;煤层开挖后,采空区顶板垮落并支撑巷道顶板,顶板增压;煤层继续开挖,覆岩断裂,顶板卸压;巷道顶板应力依次经历卸压、增压及卸压过程,其中,高位顶板应力增加较大,应力较高。(2)中部巷道切顶及煤层开挖后,上覆岩层压力同时向上煤层巷道围岩及本巷道采动破碎压实围岩转移,并在两巷道之间的上覆岩层中形成应力增高区。(3)下煤层巷道切顶及煤层开挖后,巷道围岩破坏严重,无集中应力,受前两次开挖卸压影响较大。(4)上覆岩层沿层理面出现错动变形,同时出现垂直拉伸剪切裂纹,采动影响越大,裂纹扩展程度越大。

强动压“三软”煤层巷道“卸-转-固”围岩控制技术

针对强动压影响下“三软”煤层巷道围岩控制难的问题,以仲恒煤矿“三软”煤层115-101回风巷为工程背景,通过现场调查、围岩松动和地应力测试,采用UDEC数值软件根据实际建立数值模型,研究了巷道变形破坏原因,并基于应力控制原理,提出受强动压影响的“三软”煤层巷道“卸-转-固”围岩综合控制理论。研究结果表明:115-101回风巷围岩松动圈范围0~5 m,应力峰值在深入围岩5~6 m处,采用“卸-转-固”围岩控制技术,在原有的29U型钢支护条件下,降低支护排距,根据煤层倾角及厚度设计并施工爆破卸压孔,在孔底连线安装炸药,利用自制的封孔设备将加固材料通过高压风压入钻孔进行封孔,实施爆破。爆破后,围岩应力重新分布,重新形成破碎区、塑性区和弹性区,并使应力集中的弹性区转移到围岩更深处,降低巷帮及底板浅部围岩应力集中,在巷道周围表层一定范围内形成低应力卸压圈,而在围岩深部形成了应力集中的自承载圈,集中应力主要由该自承载圈的岩体承担。该自承载圈的岩体处于围岩深部,基本处于三向应力状态,降低集中应力对巷道的破坏作用,稳定性得到很大提高。巷道围岩顶底板移近速率降低了79.43%,两帮移近速率下降了54.17%,巷道围岩变形量明显减少,有效控制了强动压影响下“三软”煤层巷道围岩变形。

综放工作面过硐室围岩破坏机理及卸压技术研究

以小庄煤矿40309综放工作面过设备硐室为工程背景,理论推导了围岩破坏机理,揭示了工作面与硐室间煤体的弹性区和塑性区范围之比是煤体发生失稳的主要影响因素,采用数值模拟对钻孔卸压技术煤体应力变化进行分析,工作面与硐室间煤体从30 m减小到5 m,工作面前方的煤体一直处于应力升高状态,钻孔卸压后,煤体中的应力集中现象逐渐消失,高应力向实体煤转移。工程实践表明:采用帮部长钻孔施工+合理推采联合技术措施,支架压力由22 MPa增加至26 MPa,增幅平缓,确保了综放工作面回采过程中安全平稳通过设备硐室。

两次采动影响下临空巷道冲击地压的防治技术

以文家坡煤矿4105工作面为研究对象,理论分析了4105工作面两次采动、煤柱宽度、底煤厚度、相邻采空区、采掘活动等影响因素,通过数值模拟对4105工作面“顶板-煤柱-底板”应力传递结构进行了分析,提出了以顶板爆破卸压、煤体卸压、底板爆破卸压为主的冲击地压防治方案,对比分析卸压措施应用后,4105工作面与4104工作面回采过程中同一位置的微震监测结果。该冲击地压防治技术降低了工作面回采期间的冲击危险性,矿压显现平稳,确保了工作面安全回采。研究成果能够有效地指导4105工作面的安全生产,同时也为临近矿井或同类型工作面防冲设计提供理论支撑和技术指导。

高应力沿空巷道围岩应力转移技术应用研究

在高应力沿空巷道掘进中,采用超前钻孔卸压爆破技术使巷道前方提前产生自由面,释放超前压力,减轻了巷道的高应力扰动;采用卸压槽技术,减轻了巷道围岩应力对巷道浅层的破坏,保护了巷道支护的完整性,这两项技术是在巷道支护领域值得推广应用的新技术。

690合金U形传热管弯管残余应力数值模拟

研究了690合金U形传热管弯制成型以及成型后的消应力过程。通过ANSYS有限元软件进行了数值模拟,获得了弯管区的残余应力。根据分析结果,掌握了U形管残余应力分布的基本规律,从理论分析、数值模拟和试验测试3个方面进行了相互验证,为预测传热管上应力薄弱部位提供了参考。

采掘工作面冲击地压防治

为了能够更好地防治冲击地压,通过分析现有防治冲击地压的技术方法,提出了集束卸压孔防治冲击地压的方法。在巷道周围或工作面顶底板附近,打集束卸压孔,大量取出岩煤,在垂直钻孔的围岩断面上形成一个呈多孔状的弱面,在空间中形成一系列空岩管覆盖或围绕在一定距离的巷道周围或工作面顶底板中。当集中应力作用于巷道围岩时,首先破坏该弱面结构消耗能量,破坏后的该弱面会中断或减弱应力传递,并导致应力集中区向两侧深部岩体转移(采空区或较安全位置),保护巷道不产生或减少两帮挤进和底鼓。当发生地压冲击时,集中应力主要作用于两侧深部煤岩体,从而保护采掘巷道和局部工作面,确保人员设备安全与生产连续进行。

区段煤柱气相切顶卸压围岩应力转移机理研究

浅部煤层数量减少,煤矿开采开始往深部发展,深部围岩具有顶板坚硬分层厚度大、强度高、完整性好等特点,在开挖过程中,围岩可储存大量弹性能,当储存弹性能达到极限强度时出现突然释放,导致强矿压显现,严重威胁安全生产。以马脊梁煤矿8105工作面为研究对象,通过搜集资料、现场调研等方法,获取了马脊梁煤矿工程地质条件,建立了临空巷道切顶后的力学模型,进行了临空巷道切顶后的围岩应力特征演化分析,分析了气相切顶卸压的切顶高度、切顶角度等关键影响参数,研究了气相切顶卸压效果,消除了强矿压显现,保障了工作面的安全高效生产。

条带工作面采动应力分布规律及分级承载卸压研究

为实现冲击地压矿井安全有序生产,开展采动应力分布规律的研究。以梁宝寺煤矿3314条带工作面为工程背景,采用数值模拟,分析3314工作面不同回采距离时上覆岩层沿倾向的位移场及应力场分布云图;采用应力监测,分析条带煤柱面覆岩空间结构演化过程中的垂直应力和覆岩垂直位移之间的相关关系。研究结果表明:条带煤柱面动态应力集中程度与覆岩空间岩层运动高度呈正相关关系,覆岩空间岩层运动高度低,动态应力集中程度低,反之,则大,当覆岩空间岩层运动高度稳定后,动态应力峰值也达到了最大值。针对工作面剩余条带煤柱的回收过程中,两侧已采工作面的侧向支承压力向条带煤柱转移,其应力水平达到或超过发生冲击地压的应力条件,冲击危险性较高等问题,提出“双层钻孔”技术,形成“分级承载”和“分次转移”的卸压模式。

基于顶板水力压裂卸压的应力场响应机制研究及应用

针对深井高应力强采动巷道的支护难题,分析顶板水力压裂技术原理,建立巷道围岩水力压裂数值计算模型,开展水力压裂切顶卸压应力转移研究,分析巷道围岩应力场响应机制,并开展现场工程应用。结果表明:水力压裂后煤柱应力集中区应力降低率为7.73%,平均降幅为13.9 MPa,最大降幅为24.9 MPa,采空区应力增长率为3.75%,在采空区应力增长区内,顶板压裂后底板应力较无压裂时平均高出约6.4 MPa,有效弱化了坚硬悬顶,阻断了顶板岩层的应力传递,促使煤柱侧悬顶应力向采空区内转移;水力压裂后工作面周期来压步距和液压支架动载系数显著降低,煤柱应力趋于均匀化,且平均应力显著低于无压裂时的煤柱应力,超前采动影响时矿压显现强度得到有效降低;压裂段滞后工作面30 m范围内采空区顶板及时垮落,应力增长较快,滞后工作面距离大于30 m时,压裂段采空区应力基本呈缓慢增长,最大应力值为1.35 MPa,无压裂段采空区应力且仍呈快速增长趋势,最大应力值为1.64 MPa。这表明水力压裂可有效弱化坚硬顶板完整性,改善采空区覆岩结构运动状态,降低巷道围岩应力状态,提高巷道围岩的稳定性。

煤岩体裂化的弱结构体应力转移原理及应用

人工裂化煤岩体是主动改造煤岩体结构的有效手段,但人工致裂产生的人工裂缝的形态及参数等对于煤岩体结构的改造程度、对应力场的改善程度等,将影响到高应力的转移卸压程度。采用物理实验、数值模拟、理论分析和现场应用等方法,开展了人工裂化煤岩体的力学特性、应力场改变机制及控制方面的研究,得出含人工裂缝煤岩体在不同裂缝类型及参数条件下的力学特性和破坏失稳规律不同,随着裂缝长度、密度的增加或者裂缝角度在30°~45°,试块的弹性模量、强度、能量释放程度均逐渐降低;阐释了人工裂化煤岩体的弱结构体特征,分析了煤岩裂化弱结构体随裂缝长度、角度、间距及组数变化对宏观应力的改变规律,进而提出了基于煤岩裂化弱结构体的应力转移理论框架,建立了煤岩裂化弱结构体应力转移控制流程,给出了基于水力压裂的煤岩裂化控制参数的确定方法;针对淮北矿业祁南煤矿313工作面跨底板大巷回采的动压影响问题,现场实施了水力压裂大巷顶板岩层形成弱结构体卸压的巷道围岩控制方法,水力压裂后孔壁出现了明显的裂缝,跨采期间底板大巷的变形量显著减小,巷道得到了有效控制。

焊接转子去应力热处理过程的数值模拟

在焊接转子焊后去应力退火过程中，由于转子尺寸大、传热慢，转子内外温差较大，转子内部实际的温度场难以测试，热处理工艺参数，如加热速率、均温和保温时间、冷却速率等的制订没有可靠依据。采用扩展求解域的耦合换热计算模型，把热处理工件和热处理炉作为一个计算整体，把炉内的流体和固体都作为计算对象建立几何模型，同时考虑热处理炉内的辐射、对流和传导等换热方式，应用Fluent软件计算了热处理炉内气体和焊接转子的温度场，实现了热处理全程温度场的预测，获得了关键点的温度．时间曲线，模拟计算结果与实测结果吻合。焊接转子去应力热处理过程的模拟计算为热处理工艺设计和热处理炉控制参数的设定提供了依据。

大倾角综放工作面爆破卸压后高应力区域的形成和处置

针对王家山煤矿47407大倾角特厚煤层综放工作面矿压动力显现危险预测区域内两道爆破卸压后,在该区域回采期间工作面中段(圆弧段)出现高压力显现的问题,通过对两道爆破前后工作面的压力分布进行现场观测,并基于弹塑性岩体理论对采场上覆煤岩层建立模型,根据UDEC数值模拟分析结果,得出工作面中段(圆弧段)上方存在的爆破卸压盲区是造成"高应力传递区域"的直接原因。基于此,在下口向外15 m处起对工作面中段顶部煤岩体实施了倒"八"字孔爆破卸压后,成功对高应力传递区域进行解危,阻断了高应力传递路径,此后在工作面两道爆破卸压后的矿压动力显现预测区域回采期间中段压力显现问题消失,确保了安全生产。