架间底板拖管充填采空区浆液流动特性试验研究

为解决矿山充填与煤炭开采之间时空干涉难题,实现矿井安全、高效充填开采。结合李家壕矿井生产系统和开采条件,提出采空区架间底板拖管非胶结膏体充填技术。为确保该技术可行及充填参数的有据可依,遂建立非胶结膏体架间底板拖管充填采空区物理模型,以矸石和粉煤灰为骨料制备非胶结膏体充填材料,分析最大粒径和质量浓度对浆液采空区内流动特性的交互影响。研究结果表明:①浆液充填量主要受矸石粒度的影响,质量浓度主要影响浆液在采空区内的扩散速度;②随着浆液充填量的增加,采空区内的空隙逐渐趋于饱和,且渗透方式呈现出以管口为球心的半球形扩散分布;③模拟试验揭示了浆液中矸石颗粒在采空区流动扩散阻塞机理;④沿管道走向依次剖开断面,浆液中矸石级配和质量浓度有明显的分选性。

巨厚坚硬岩层运移对采场超前支承压力影响实验研究

为了揭示采场超前支承压力在受巨厚坚硬岩层运移影响之后的演化规律和变异特征,以杨柳煤矿典型巨厚坚硬岩层赋存条件为模型,运用物理模拟和机械模拟实验方法进行模拟研究,并与无巨厚坚硬岩层的采场模型进行比较。通过研究发现:采场中巨厚坚硬岩层对其支承压力的影响,主要集中在巨厚坚硬岩层发生破断之前,其应力集中程度高、影响范围广、影响程度剧烈;临近巨厚坚硬岩层破断前,覆岩中有巨厚坚硬岩层时的超前支承压力峰值和影响范围分别为无巨厚坚硬岩层时的1.15倍和1.9倍;巨厚坚硬岩层处于稳定状态时或已发生破断后,采场支承压力峰值和影响范围相对无巨厚坚硬岩层采场较小,对采场超前支承压力的影响相对较弱;支承压力峰值的增大势必会使采场前方煤壁的影响范围增大。

巷道围岩深孔反向分级注浆工艺研究

以安徽某矿为试验矿井,针对现有分级注浆工艺及该矿使用深浅孔注浆工艺存在问题,提出一种深孔反向分级注浆工艺;通过数值模拟方法,对比了反向分级注浆工艺与深浅孔注浆工艺的注浆效果,结果表明:反向分级注浆工艺在浆液扩散、改善围岩应力等方面效果比深浅孔注浆工艺更好;研发了用于分隔深部与浅部浆液的分级隔离装置及第二级注浆的开启装置爆破阀,通过分级隔离装置的黏结强度测试、爆破阀的开启压力测试,选出了二者最佳配合使用方案;采用反向分级注浆工艺和深浅孔注浆工艺对其巷道围岩进行加固,并对注浆效果进行对比分析,结果表明:反向分级注浆工艺较深浅孔注浆工艺时间快了约43%,注浆压力提升了4 MPa,反向分级注浆工艺较深浅孔注浆工艺的注浆量增加了40%~60%。

基于复合弱化结构的上覆煤柱区冲击地压防控研究

为实现上覆煤柱影响区冲击地压的整体可控性,提出利用复合弱化结构进行冲击能量耗散,在阐述复合弱化结构定义、分类和弱化度及上覆煤柱导致冲击地压发生机理的基础上,分析了复合弱化结构的防冲力学机制。结果表明:弹性能指数、冲击能指数随复合弱化结构弱化度的增大而降低;复合弱化结构将冲击危险区域的弹性能分段耗散,能有效改变煤岩弹性能释放模式;对既定的残留煤柱采用顶板(煤)预破坏措施实现冲击能量的耗散。在唐山矿煤柱区域进行了现场试验,采取整体耗能措施后,冲击危险区域的钻孔应力值和钻屑量均小于发生冲击地压的临界值,保证了煤柱区的安全生产。

两帮实体煤矩形巷道围岩变形力学分析及支护研究

煤矿巷道两帮煤体相对顶底板岩层强度低、可变形性大,两帮煤体变形对巷道围岩整体稳定性有着重要的影响。为了控制煤矿巷道帮部变形量,应用结构力学力法相关原理建立矩形巷道两帮端部为固定端的力学模型,依据材料力学相关知识研究两帮围岩的挠度方程,并分析其挠度变化趋势。结合现有研究成果,进一步计算并比较锚杆间排距在1 200 mm×1 200 mm、1 000 mm×1 000 mm、800 mm×800 mm下的帮部挠度。采用FLAC^(3D)数值模拟软件分析帮部在3种不同支护密度的挠度变化趋势,结果显示锚杆间排距在800 mm×800 mm时效果最好,帮部最大挠度比无支护时减小约34.5%。

工程缺陷体对冲击煤岩体的改性机制研究与实践

冲击地压是煤矿较为严重的动力灾害之一,随着矿井开采深度的不断增加,冲击地压灾害越来越严重。针对重大冲击地压灾害显现特征,结合近年来冲击地压研究现状和工程实践,从通过人为实施工程达到控制重大冲击灾害角度,提出了工程缺陷体的概念并进行了分类;分析了高均质度、完整冲击煤体的变形破坏力学特征、能量释放模式,对比分析了完整煤体、含裂隙煤体、含工程缺陷煤体的应力应变曲线变化形态,分析了不同力学性质煤体的能量积聚、耗散及释放模式;从煤体弹性能指数、冲击能指数角度分析了冲击性煤体与含有工程缺陷煤体冲击倾向性的力学特性;通过建立工程缺陷体煤体的冲击倾向性计算公式,找到了工程缺陷体改变煤体冲击倾向性的力学机制,揭示了工程缺陷体防控重大冲击地压的机理。研究与实践表明:工程缺陷体通过对煤体的固有冲击倾向性属性的改性,改变了采场应力分布特征、煤体内冲击能量的演化规律,工程缺陷体能在煤层开采的过程中有效耗散煤体内的冲击弹性能,避免发生破坏性冲击地压。结合具体工作面地质开采条件,给出了工程缺陷体的时空布置方案,阐述了工程缺陷体防控冲击地压的技术方法,并进行了防控效果检验,实现了冲击煤层的安全开采。

空间煤柱影响下冲击地压防治技术研究

为探究空间煤柱影响下冲击地压防治技术,以唐山矿Y396、Y394工作面为背景,采用理论分析、数值模拟、现场应用与检验相结合的研究方法,系统分析工作面诱发冲击地压的主控因素,确定空间煤柱影响下冲击地压防控技术,并在现场实施后进行效果检验。研究结果表明:Y396、Y394工作面采掘期间诱发冲击地压的主控因素为上部5煤层遗留的不规则煤柱及本煤层不规则煤柱;通过FLAC^(3D)软件,得出Y394工作面在回采期间的三个异常应力升高区;确定了主要防控区域,实施相应的防控技术,并通过钻屑法检验,确定区域内冲击地压危险已消除。

深部工作面上覆巨厚火成岩条件下采动规律研究

安居煤矿2311工作面上覆约厚140 m的巨厚火成岩,严重影响工作面的安全开采,为研究上覆巨厚火成岩在工作面回采期间的运移规律,针对安居煤矿上覆巨厚火成岩的开采条件,以2311工作面为研究对象,从现场实际出发,采用理论分析和数值模拟的方法对2311工作面外段上覆巨厚火成岩采动规律进行研究。通过关键层的判别公式,确定了2311工作面上方的关键层位置,并计算得出巨厚火成岩对2311工作面外段回采期间的覆岩运动起主控作用。通过建立“两端固支梁”的力学模型,计算得出工作面上覆巨厚火成岩的极限破断距以及对应2311工作面采空区宽度,结果表明2311工作面外段回采期间上覆巨厚火成岩不会破断。最后,采用FLAC3D数值模拟方法,模拟2311工作面外段回采期间的应力分布状态,得出2311工作面外段回采期间的超前支承应力在可控范围内,从而验证了理论分析的正确性。

麦垛山煤矿沿空巷道围岩变形综合治理方法研究

麦垛山煤矿6号煤工作面巷道底鼓量达到巷道高度的50%~70%,两帮移近量达到0.7 m左右,严重影响巷道的正常使用。从现场实际出发,针对煤柱尺寸、围岩岩性以及采空区上覆岩层运动等影响因素,对130608风巷底鼓变形破坏原因进行深入分析。利用数值模拟、现场监测等方法,研究复杂地质条件下采动破坏巷道的围岩变形机理,提出“小煤柱卸压+巷道围岩改性+顶板水压致裂”综合治理方案。结果表明,结合130608工作面实际情况,预留6 m的小煤柱一定程度上缓解了应力集中现象。采用注浆方法尤其是选用高强无机注浆材料可以较好实现改良围岩特性的注浆加固效果;采用顶板水压致裂的方法,达到在一定程度上软化并致裂顶板,降低深部岩体强度的目的。研究成果可为类似矿井复杂地质条件下的巷道围岩变形治理提供借鉴。

工程缺陷防控冲击地压机理及应用

在对冲击地压显现全面调研的基础上,分析了冲击地压的防控现状与发展趋势,提出了高应力与高能量冲击地压的工程缺陷防控方法。针对冲击地压煤层的工程特性,进行了缺陷的定义与分类,详尽地论述了工程缺陷对冲击地压防控的力学机制;分析了含有缺陷介质体的冲击危险煤层应力分布特征,并结合实例详细阐述了工程缺陷防控冲击地压的机理及具体应用情况,对缺陷体的能量释放范围和程度进行了数值模拟验证,在深部与强冲击能量区域冲击地压治理方面获得了一定的成效。

重复采动下上覆高位巨厚岩层微震分布特征研究

以鲍店煤矿十采区3煤层开采为例,根据现场SOS微震监测数据,研究了上、下煤层重复采动下高位厚硬岩层的微震活动规律,分析了强微震分布与高位巨厚坚硬岩层的关系。研究表明:上煤层工作面的推进距离超过工作面长度后,高位硬厚岩层在工作面前方和采空区发生阶段性的高能量(104J)微震活动,并引起相邻采空区的连锁反应,微震活动强烈;下煤层重复采动时采出总厚度增加,高位硬厚岩层二次失稳运移,再发生阶段性强微震活动,但最大能量有所下降;微震大事件主要发生在高位巨厚岩层内,在时间上呈现阶段性,具有大步距式强微震与运移特征。

基于缺陷法孤岛工作面冲击地压防治技术研究

针对孤岛工作面冲击地压事故频发的问题,通过在孤岛工作面高应力区域采用缺陷法防治冲击地压的技术,在孤岛工作面采用人为缺陷体转移应力场,在应力场转移过程中伴随着能量持续、缓慢的释放,并且能够形成卸压保护区,降低冲击地压危险性。采取卸压巷、爆破钻孔、大直径钻孔等人为缺陷技术方法,能够有效起到应力向工作面深部转移、能量释放的效果,并采用主动应力监测技术进行了效果检验。观测结果表明:通过缺陷体预先卸压,应力得到了有效降低与转移,工作面未出现应力积聚的现象。

深部两软煤层沿空巷道冲击地压成因与防治研究

针对两软煤层的地质条件,建立了两软煤层冲击地压发生的力学模型。通过对模型的力学分析与现场实践,得出了深部两软煤层条件下冲击地压发生的主要原因,是受上部力源层和下部稳定层夹持下的软弱冲击层出现应力集中和能量积聚,采动活动诱发积聚的能量向破碎缓和区突然释放,造成煤岩块瞬时喷出,形成冲击地压。从深部两软煤层冲击地压发生的应力条件、能量条件、物质条件和冲击地压诱发因素等方面进行分析研究,制定了转移应力、保持护巷煤柱稳定性、巷帮加固、松动帮部、形成顶板支护体阻挡结构的冲击地压防治措施,并进行了现场实践,实现了工作面安全高效无冲击开采。

横跨多煤柱下冲击地压致灾机理研究

针对在煤柱集中应力影响下采掘时冲击地压频繁发生这一现状,对峻德煤矿煤岩冲击倾向性以及3·15冲击事故进行分析,建立了叠加煤柱空间力学模型,对煤柱载荷进行估算,进行了相似材料模拟实验,提出了在煤柱影响下巨厚组合岩层垮落与冲击地压之间的关系。

缺陷群防治冲击地压技术研究

根据对深部孤岛煤柱冲击地压的防治技术研究,建立了用缺陷群防控高能量冲击地压的理论框架,分别通过数值模拟和力学分析揭示了工程和断裂缺陷防治冲击地压的机理。在此基础上把缺陷群防冲措施应用在开滦唐山矿T1391工作面中,掌握了煤层冲击能量释放规律,避免发生冲击地压事故,保证了工作面安全回采。

切顶卸压沿空留巷预裂切缝技术指标研究

主要以赵固一矿16011工作面为工程背景,对顶板预裂切缝高度、角度以及钻孔间距等主要指标进行研究。根据预裂切缝高度和角度,结合现场工程实际确定双向聚能爆破装置的间距为600 mm。

上覆不规则煤柱孤岛工作面冲击地压弱结构法防治技术

为解决上覆不规则煤柱孤岛工作面冲击地压防治问题,分析了国内该条件下导致冲击地压的研究现状;以唐山矿Y484工作面为研究对象,分析得出以上覆不规则煤柱、大埋深、本层煤柱和煤岩层结构为主的上覆不规则孤岛工作面冲击地压的主控因素;提出了通过制造弱结构调控冲击地压主控因素的防冲方法,描述了弱结构的特征及其通过调整应力分布防治冲击地压的原理;采用FLAC3D建立数值模型,分析了上覆不规则煤柱孤岛工作面的变形破坏过程及应力分布规律,使用弹塑性本构模型模拟弱结构,验证了弱结构对冲击地压的防控作用。通过现场工程实践,建立并实施了以弱结构为主的冲击地压防治技术,并通过应力法和钻屑法验证了弱结构对该条件下的冲击地压具有良好的防控效果。

缺陷煤岩体对冲击能量防控的机理研究

在对重大冲击地压灾害全面调研的基础上,分析了我国深部矿井重大冲击地压的显现特征及研究现状。通过对冲击煤体的冲击倾向性变化分析,对比了冲击煤体和缺陷煤体的应力和能量特征,得出了缺陷煤体和冲击煤体的本质区别。通过人为缺陷结构改变了冲击煤岩体的能量积聚和释放特征,提出了缺陷煤岩体防控冲击地压的能量机理,可将重大冲击能量耗散并降低至低能量。结合具体工程,阐述了缺陷煤岩体防控重大冲击地压的技术方法,从控制冲击倾向方面发展了一种防控重大冲击地压的新技术。

悬顶结构巷道冲击地压防控研究

为解决沿空侧悬顶结构冲击地压的防控问题,针对某矿工作面具体煤岩层条件,提出了基于工程弱结构体的冲击地压防控方法。基于悬顶类巷道冲击地压发生条件,以沿空侧悬顶结构为主要研究对象,进行了顶板断裂分析、参量分析和力学模型建立与分析,最终确定出悬顶结构的悬跨度l是导致存在悬顶结构沿空巷道发生冲击地压主导因素。通过分析主导因素,基于沿空侧巷道围岩的空间结构特点,划定出悬顶结构(区域A)、沿空侧巷道顶板(区域B、C)、沿空侧巷道煤体(区域D)以及巷道近场煤岩体(区域E)5个强结构区域,并提出以区域A爆破弱化为主要防控手段的工程弱结构体冲击地压防控方法;根据区域的结构特点和防控目的,主要针对强结构区域A、C、D、E,制定了悬顶结构弱化、巷道断面恢复和顶板缺陷体与煤层海绵体的耦合3个方面的具体工程弱结构体防控方法。为验证防控技术有效性,以某巷道为对象,现场实施了工程弱结构体展开防控,并于后续采用钻屑法进行了冲击地压防控效果检验。研究结果表明:基于工程弱结构体的耗散机制的研究,通过对悬顶结构弱化、沿空巷道煤体及部分顶板的弱化,实现了冲击地压的有效防控,保障了工作面安全回采;通过现场监测,得出1~3 m处钻屑量最大为2.6 kg/m,4~7 m处最大为2.8 kg/m,7~12 m处最大为5.4 kg/m,均未超过临界标准值,冲击地压危险得以消除。

深部复杂立体边界采场冲击地压防控技术研究

深部复杂立体边界采场在采掘期间很容易发生冲击地压,若采场再留有宽度较大的不规则阶段煤柱,则采场的冲击地压危险性更高。以侧向留设不等宽煤柱、回风顺槽上侧为立体不规则开采边界的赵各庄煤矿4137工作面为研究背景,建立了采场顶板结构力学模型,进行了冲击地压成因分析;在基于耗散结构体的耗散机制研究基础上,针对4137工作面煤层赋存条件,提出了以“L”、“I”型耗散结构体为主导的冲击地压防控技术;通过在不等宽煤柱区域实施“L”型耗散结构体,调整回采巷道煤岩体侧向集中高应力分布、改变了煤层能量耗散模式;通过在工作面实施“I”型弱结构体,在采场超前区域制造出一个动态移动的耗散结构释能体,该耗散结构体扩大了应力场范围、降低了应力集中程度、改变了煤体冲击能量聚集模式;煤层注水使采场煤体得到充分弱化,强化了耗散结构体的防冲功能。该防控技术在4137工作面进行了现场试验,试验显示冲击地压得到有效控制。