Analysis of stability of coal pillars with multi-coal seam strip mining

Strip mining is one of the efficient measures to control surface subsidence and mining damage. However, the researches on the laws of the geological mining factors to upper and lower pillar's stability are still deficient in multi-coal seam strip mining at present. Based on the three dimension fast Lagrangian analysis of continua (short for FLAC3D) numerical simulation software, the laws of the stress increasing coefficient on the coal pillar and its stability were systematically studied for different depths, different mining widths, different interlayer spacings, different mining thicknesses, different properties of interstratified rock and the spacial relations of the upper and lower pillars in vertical alignment in multi-coal seam strip mining. The function relation between the stress increasing coefficient of upper and lower pillars with the mining depth, mining widths, interlayer spacing, mining thickness, property of interstratified rock and the spatial relationship were obtained.

深部宽煤柱开采的煤柱安全性与地表变形特征

煤柱安全性与地表变形特征是煤矿开采过程中亟需关注的问题,基于深部煤矿煤柱的流变特性和大变形特征,以山西省某矿煤矿宽条带煤柱开采为工程背景,采用现场实测、三维相似材料模拟试验和理论分析相结合的方法,研究了深井宽条带煤柱开采的煤柱安全和地表变形特征。结果表明,在深井条件下,煤柱塑性区宽度明显变大,煤柱垂直应力呈马鞍形分布;煤柱侧向变形主要集中在距离煤柱边缘9.5 m的区域,呈不连续、阶梯状、突变状。此外,若只开采一个条带煤柱工作面,则煤层开采造成的影响程度更弱,地表沉陷和曲率更小。若多工作面条带煤柱开采,则地表沉陷明显。

宽煤柱窄条带点柱式充填开采技术与实践

针对某煤矿地下水保护的需要,提出一种宽煤柱窄条带点柱式充填开采技术。为成功实现条带式保水煤层开采,首先,分析条带开采时煤柱的留设;其次,分析了充填方法后,结合煤矿的充填材料来源,提出膏体充填工艺及流程;最后,对充填效果评价指标接顶率分析,提出点柱式充填加强支护效果。开采块段采用单翼长壁法布置充采双工作面,并形成全风压通风系统,在工作面内平行于切眼方向划分数量不等的宽煤柱,每个宽煤柱安排不同轮次的窄条带进行回采。条带开采后实施沿空留巷,采空区(回采后的窄条带)实行点柱式充填法与完全充填法相间的方法处理,第一轮与第二轮采用点柱式充填法、第三轮与第四轮采用全部充填法管理顶板。采用数值模拟分析,对充填后地表最大下沉量进行了预判与分析,地表最大下沉量发生在采区中部,为106mm,现场地表沉降监测数据和理论计算结果相吻合。研究成果在煤矿现场得到了应用,实现了地下水资源保护性采煤,提高资源回收率,降低充填成本,减少地表沉降。

贵州垄脊地貌下置换条带煤柱开采研究

贵州矿区生态环境脆弱,且地形地貌较为复杂,大多属低、中山垄脊地貌,以此典型地质条件下的攀枝花煤矿11071工作面为研究背景,采用置换条带煤柱开采,一种“采-留-充”结合的减损开采方法,该方法提高了煤炭资源的回收率,降低了采煤对矿区环境和地表的影响,具有重要的应用价值。通过理论分析与计算确定了保留煤柱宽度a不小于20 m,条带开采宽度b为25~35 m,采用数值模拟方法研究了3种条带开采方案的地表变形特征,综合优选“采-留”方案,后针对优选方案充填置换煤柱进行再次模拟分析上覆岩层移动规律,置换煤柱比例为25%、50%、75%,研究了不同置换率充填对上覆岩层移动的影响,根据上覆岩层的条件合理确定置换率,可最大限度地提高资源回收率。研究结果表明:方案“采35 m留30 m,置换率25%~50%”最为合理,地表二次变形不明显,地表变形符合建筑物损毁等级Ⅰ级标准。

白音华露天矿条形开采压坡剩余煤柱开采研究

为了研究白音华露天煤矿条形开采压坡剩余煤柱的可行性,基于分区开采和横采控制开采技术,提出了3^(#)煤组条区开采方案和条形开采压坡剩余煤柱开采方案,并对回收资源量作出了经济效益评价。结果表明:3^(#)煤组第一条区开采时,进行3^(#)煤组拉沟降深,内排压3-1^(#)煤底板及时回填;第二条区开采时,南侧3-1^(#)煤底板预留5 m宽煤柱,可将第二条区南侧煤柱中的3-2^(#)煤回收采出;在边坡实时监测安全的前提下,每开采1个条区可以采出3-2^(#)煤约6万t,创收经济效益约1800万元。

条带煤柱的突变破坏失稳理论研究

条带开采煤柱的稳定与否是条带开采成败的关键.其破坏失稳是典型的偏离平衡态的非线性过程.应用突变理论建立了条带煤柱突变破坏失稳的尖点突变模型,导出了条带煤柱破坏失稳的充要条件表达式.并根据模型对条带煤柱破坏失稳的机理进行了分析,认为条带煤柱核区率≤11.92%时,满足了条带煤柱突变失稳的必要条件,存在突变破坏失稳的可能性.

村庄下条带开采留设煤柱充填回采安全性研究

为探究充填回采条带留设煤柱的安全可行性,首先,提出条带开采留设煤柱充填回采方案,通过理论计算充填体荷载及强度,分析充填体的稳定性;其次,根据条带开采后岩层移动情况确定预计参数,采用概率积分法计算充填回采后地表移动与变形,结合建筑物损坏等级评定标准,分析地表建筑受损情况,验证充填回采条带煤柱的适用性;最后,以佛店村庄下充填回采条带煤柱为实例进行分析。结果表明：条带充填体荷载22. 3 MPa,充填体强度31. 3 MPa,充填体安全系数1. 41,可使地表保持长期稳定。采用充填回采方案可将地表移动变形控制在Ⅱ级变形范围内,使地表建筑的正常使用不受影响。

条带开采煤柱破坏宽度计算分析

将条带开采工作面假定为无限大板上相隔一定间距的倾斜共线裂纹,采用断裂力学Ⅰ-Ⅱ复合型裂纹模型,得到了条带煤柱边缘的应力分布,建立了条带煤柱边缘破坏区的边界方程,并据此得出了条带煤柱破坏宽度的计算公式。实例分析表明用该公式计算条带煤柱破坏宽度是符合实际的。

走向条带煤柱破坏失稳的尖点突变模型

走向条带煤柱的破坏失稳是典型的偏离平衡态的非线性过程。在建立走向条带煤柱力学模型的基础上,应用突变理论建立了走向条带煤柱滑移破坏失稳的尖点突变模型,导出了条带煤柱破坏失稳的充要条件表达式。该突变模型考虑了地下水对条带煤柱稳定性的影响,认为地下水的作用主要是通过软化煤柱弹性核区的强度、降低煤柱弹性核区的刚度从而降低条带煤柱的稳定性。并根据模型对走向条带煤柱破坏失稳的机理进行了分析。为条带开采煤柱的稳定性及破坏失稳研究提供了新的理论方法。

基于统一强度理论的条带煤柱设计

现有条带煤柱设计方法偏于保守,急需更合理有效的条带煤柱设计方法,以提高条带开采的煤炭采出率。基于统一强度理论,建立了合理考虑中间主应力影响的条带煤柱极限强度公式,进而将其应用于条带煤柱屈服宽度和留设宽度的解析计算,并与Wilson公式以及广义SMP准则的拓展结果进行比较,得出中间主应力、煤层黏聚力和内摩擦角的影响特性。研究结果表明:本文所得统一计算式是一系列有序解的集合,具有广泛的理论意义;中间主应力、煤层黏聚力和内摩擦角对条带煤柱设计影响显著,应充分考虑中间主应力效应和煤层强度参数变化;Wilson公式结果过于保守,广义SMP准则结果是本文统一强度理论结果的一个线性逼近。

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。

条带煤柱设计中极限平衡理论的修正应用

随着采矿工业的发展,我们必须面对如何在人口密集地区进行煤矿地下开采的问题,采用条带开采无异是目前较好的解决方案。进行条带开采首要解决的问题是如何确定条带设计的理论公式。本文采用连续介质力学理论,探讨了条带开采时所需留设的合理条带尺寸。以弹塑性力学为基础,结合应力平衡微分方程和库仑准则求出了保留条带煤柱的应力极限平衡区宽度及其理论公式,理论公式经实践验证能满足现场要求。

条带开采煤柱长期稳定性评价及煤柱设计方法

煤柱在地下水、风化作用等多种因素的作用下会发生剥离和尺寸缩减,使煤柱发生渐进性失稳破坏。基于煤柱的渐进性剥离行为和剥离体的堆积特性,建立了煤柱的非均匀剥离模型;分析了煤柱剥离的影响因素、煤柱安全系数与煤柱剥离的关系,建立了条带煤柱长期稳定性评价方法;讨论了采出率、地表沉陷控制和煤柱长期安全系数的协同关系。分析表明:煤柱的剥离与煤的碎胀系数、休止角和采宽采厚比有关,可利用剥离角确定煤柱的极限破坏程度。煤柱的宽高比越大,剥离对其稳定性的影响程度越小。该模型适用于条带煤柱长期稳定性评价。

利用矸石充填置换开采条带煤柱的新技术

提出了在煤柱中掘进巷道并利用矸石回填以置换开采出部分条带煤柱的新技术.研究了条带开采后煤柱中充填巷的布置位置、数目,并分析了置换开采前后上覆围岩的稳定性.提出在条带煤柱集中布置2条宽4.0 m、高5.0 m的矸石充填巷,巷间煤柱宽4.0 m,并进行了工程实践.结果表明,提出的矸石置换开采技术可有效控制地表变形在Ⅰ级的前提下,置换开采出条带开采留设煤柱的15%左右的煤量,同时实现矿井矸石井下处理,做到矸石不上井.

条带煤柱强度弹塑性理论公式的修正

条带开采是目前解决“三下”压煤的较为切合中国煤矿企业实际的方法之一 ,条带开采成败的关键是条带煤柱的长期稳定性。首先对煤矿地质条件进行分类 ,采用连续介质力学理论 ,探讨条带开采的合理条带煤柱尺寸。以弹塑性力学为基础 ,结合应力平衡微分方程和库仑准则推导出保留条带煤柱的应力极限平衡区宽度 ,利用弹性理论的复变函数模型推导出条带煤柱屈服区的宽度 ,进而推导出不同的理论公式 ,理论公式经实践证明能满足工程需要。

条带式Wongawilli开采煤柱系统突变失稳机理及工程稳定性研究

对于条带式Wongawilli新型减沉开采技术,煤柱失稳直接导致地表沉陷,影响建（构）筑物的安全,采用突变理论和损伤本构方程,建立了采硐间狭窄煤柱和条带煤柱失稳的尖点突变模型。计算分析了条带式Wongawilli开采煤柱系统工程稳定性及突变影响参数,得出了窄煤柱与条带煤柱的突跳压缩量计算公式,通过工程实例计算与数值模拟验证了结果的合理性。研究结果表明：采硐狭窄煤柱满足突变失稳的必要条件,其所受载荷、屈服刚度和峰值载荷压缩量决定着突变的发生;当采高在2~6 m变化时,采留宽度比需控制在0.16~0.75,才可保证系统不产生突变失稳。条带煤柱保持稳定则要求其核区率大于17%,在弹塑性区宽度比小于0.21的情况下,条带煤柱可能发生突变失稳。

建筑物下条带开采煤柱矸石置换开采的研究

针对建下条采煤柱回收和井下矸石处理的重大技术难题,提出矸石置换开采。通过阐述矸石充填巷集中与分散布置对地表移动的影响、分析置换开采留设煤柱的合理宽度,最终确定在条采煤柱中央集中布置2条矸石充填巷,充填巷尺寸为4.0 m×5.0 m(宽×高)、巷间煤柱宽4.0 m;基于数值模拟方法分析置换开采留设煤柱的稳定性、条采与置换开采老顶层面上垂直应力分布,得出置换开采留设煤柱满足煤柱强度设计要求、基本顶岩层结构保持稳定的结论。并运用相关的力学理论,分析置换开采后顶板的运动和变形特征,得出基本顶不会破断,地表变形没有超过建筑物允许变形范围。设计矸石置换开采充填工艺,该研究成果已成功应用于工程实践。

矸石膏体充填采场覆岩空间结构演变规律

为研究矸石膏体充填采场覆岩运动的问题,采用力学分析、相似材料模拟和现场监测的方法,研究了矸石膏体充填采场覆岩空间结构的演变规律.结果表明:矸石膏体充填采场覆岩存在3种结构,第一种结构为直接顶和基本顶均弯曲下沉型,第二种结构为直接顶断裂、基本顶弯曲下沉型,第三种结构为直接顶和基本顶均断裂型.相似材料模拟和现场实测还表明矸石膏体充填采场以第一种覆岩结构居多,第二种覆岩结构多发生在采空区封闭空间出现连续的漏浆事故之后,基本不存在第三种覆岩结构.

宽厚煤柱的稳定性研究

文章从理论上推导出了三维应力状态下估算煤柱塑性区宽度的理论公式。从系统论的角度提出改善煤柱稳定性的新思路,即从提高稳定性最差的煤柱来改善整个煤柱系统的稳定性,并从材料和结构两个方面给出评价煤柱稳定性的指标。通过正交设计,利用FLAC软件模拟,给出煤柱稳定性最优的方案。

我国条带煤柱稳定性研究现状及存在问题

为了揭示条带煤柱动力系统失稳的机理,丰富和发展条带开采优化设计理论,在综合分析大量文献的基础上,从煤柱的载荷和强度、煤柱的尺寸设计、煤柱的稳定性分析等方面对条带煤柱的稳定性研究现状进行了论述.研究指出目前条带煤柱缺少在长期稳定性和动力稳定性方面的理论研究,通过深入系统地研究条带煤柱非线性动力系统稳定性的主要影响因素,应用非线性动力学理论,建立条带开采煤柱变形、破坏、滑动等非线性动力系统稳定性模型和稳定性的判定准则和分析方法,找出影响系统稳定性的控制变量,研究控制变量的变化规律,用调整系统控制变量的方法来防治系统失稳.