深埋薄基岩综放工作面切顶卸压沿空留巷围岩协同控制技术研究

为解决深埋薄基岩切顶卸压沿空留巷巷道受采动影响支护困难的问题,以焦作煤业集团赵固(新乡)能源有限责任公司赵固一矿18060综放工作面切顶卸压沿空留巷巷道为工程背景,基于留巷围岩结构运动和覆岩力学传递特征,提出深埋薄基岩切顶卸压沿空留巷巷道围岩协同控制技术。研究结果表明:采用定向预裂爆破技术能够切断留巷顶板下位关键岩层,并形成短壁梁结构;与未切顶相比,切顶后巷道侧向支承压力减小14.17 MPa(降低37.67%),顶板竖向应力峰值减小5.22 MPa(降低22.5%);切顶侧矿压较未切顶侧明显降低,切顶影响范围约30 m;留巷两帮收缩量最大为471 mm,顶底板移近量最大为717 mm,工作面后方约200 m开始稳定。提出的深埋薄基岩切顶卸压沿空留巷围岩协同控制技术现场应用效果较好,可为类似地质条件下的切顶卸压沿空留提供参考。     

深部沿空切顶成巷围岩稳定性控制对策

基于沿空切顶成巷技术原理,以城郊煤矿深部工作面无煤柱开采为背景,综合运用力学分析﹑模拟计算和现场试验等方法,对深部切顶成巷围岩控制关键对策进行深入研究。结果显示：切顶留巷顶板在侧向形成短臂梁结构,降低了巷旁支护体所受压力,切缝范围内岩层垮落后碎胀充填采空区,使留巷顶板下沉量降低了约50%。采空区侧顶板为切顶巷道围岩变形的关键部位,需进行加强支护;深部切顶巷道实体煤帮塑性区范围大,通过煤帮锚索支护技术可将浅部锚杆承载层锚固在弹性区稳定煤体中;深部切顶成巷来压速度快、强度大,巷内单体支柱易造成冲击破断,采用高阻力液压支架巷内临时支护时可较好地抵抗深部强动压;巷旁刚性挡矸装置因无法适应深部围岩大变形而受压弯曲破坏,深部切顶巷道巷旁挡矸结构需实现一定的竖向让位卸压方可与顶底板协调变形。在研究的基础上提出恒阻锚索关键部位支护+可缩性U型钢柔性让位挡矸+巷内液压支架临时支护+实体煤帮锚索补强的深部切顶成巷联合支护技术,并进行现场工业性试验。现场监测结果表明：留巷围岩在滞后工作面约290 m时基本稳定,且稳定后各项指标满足下一工作面使用要求。     

柠条塔煤矿自动成巷无煤柱开采新方法

为减少巷道掘进量,提高煤炭采出率,削弱因煤柱留设引起的围岩应力集中,提出了一种自动成巷无煤柱开采新方法,并系统总结了该方法的工艺流程和关键技术.在自动成巷无煤柱开采新方法中,巷道顶底板与实体煤侧巷帮由采煤机截割而成,采空区侧巷帮则由采空区垮落碎石堆叠而成,巷道顶板与碎石巷帮的控制是决定成巷效果的关键.基于岩体碎胀特性,提出采用顶板定向切缝技术,优化留巷应力环境,减少上位顶板回转下沉,针对巷道顶板提出以"恒阻大变形锚索+切顶护帮支架"为主的支护方式,针对碎石巷帮提出"侧向动静结合、纵向伸缩让压"的控制理念.最后以柠条塔煤矿S1201-Ⅱ工作面为工程背景进行了现场工业性试验,结果表明:采用自动成巷无煤柱开采新方法进行回采,当工作面推进约150m后留巷围岩开始稳定,最终下沉量基本稳定在70mm左右,满足下一工作面的使用要求.现场试验结果验证了自动成巷无煤柱开采新方法可以实现工作面回采无需提前掘进回采巷道、无需留设工作面护巷煤柱的目标,且成巷效果良好,经济效益显著.     

高应力综放工作面切顶卸压沿空留巷开采技术研究

为了研究大埋深、高应力、坚硬顶板等特殊地质条件下的综放工作面切顶卸压沿空留巷开采技术,以河南焦煤能源有限公司古汉山矿1604综放工作面为工程地质背景,采用理论分析和数值模拟相结合的方法,对巷道顶板运动规律进行研究,确定沿空留巷关键参数,并在现场进行工程试验.结果表明:采用定向预裂爆破技术能够阻断巷道上方与采空区上方基本岩层中的应力传递,达到卸压和预裂目的;切顶高度为12.3 m时,可切断下位关键岩层;沿空留巷巷道顶板平均下沉256 mm,采空区帮平均移近214 mm,留巷滞后工作面110 m后围岩开始趋于稳定,能够满足安全生产要求.研究结果可为类似地质条件下的沿空留巷开采提供参考.     

急倾斜放顶煤矿压显现规律的观测与研究

通过对宜洛煤矿李沟井伪俯料放顶煤回采工作面的矿压观测,从4个方面研究了急倾斜伪俯斜放顶煤工作面矿压显现规律;（1）工作面的初次来压、周期来压步距和来压强度;（2）沿工作面走向控制区内的顶板压力状况,以及生产工序对控制区内支柱载荷的影响;（3）研究了沿倾斜方向矿压显现特点,分析了与近水平煤层矿压显现不同的原因;（4）观测了上下巷矿压显现规律,并分析了上下巷压力不同的原因．用统计法对伪俯斜放顶煤采煤法和分层开采上下巷矿压显现作了对比。     

窄煤柱沿空掘巷巷道围岩变形影响因素及非对称支护技术研究

为确定窄煤柱沿空掘巷巷道围岩变形影响因素和围岩控制方案,以晋能控股集团煤业集团有限公司隆博煤业有限公司8507工作面回风巷为工程背景,基于正交试验和FLAC3D数值模拟试验对沿空掘巷巷道围岩变形影响因素、不同条件下巷道围岩变形特征、4～10 m不同宽度煤柱的塑形区破坏范围、巷道围岩应力分布和顶板位移特征进行研究.结果表明:在煤柱宽度、煤体内聚力、煤体内摩擦角、直接顶厚度和顶板强度5种影响因素中,煤柱宽度对巷道围岩变形影响最显著;随煤柱宽度增加,巷道围岩塑性区破坏和变形主要表现在窄煤柱帮、顶板、底板和实体煤侧等部位,塑性区范围变化较小;合理的煤柱留设宽度为8m;巷道围岩变形为非对称性变形,煤柱侧巷道顶板和帮部变形显著大于工作面开采侧的.根据窄煤柱沿空掘巷巷道围岩变形特征,提出"顶板和两帮锚网索+钢带、窄煤柱帮贴帮槽钢梁+注浆加固补强"的非对称支护方案.现场工业性试验结果表明,煤柱留设宽度和支护方案合理,巷道变形后能够满足工作面开采需要.研究结果可为类似地质条件下窄煤柱沿空掘巷巷道围岩控制提供参考依据.     

复合顶板无煤柱自成巷切顶爆破设计关键参数研究

为对无煤柱自成巷切顶爆破关键参数设计方法进行总结和优化,运用几何推演、数值模拟、力学分析、现场试验等手段,提出复合顶板无煤柱自成巷切顶爆破设计的系统化流程及方法,并归纳为切顶设计与爆破设计2类,包含切顶高度、切顶角度、切顶连通率与单孔装药量、炮眼间距、单次起爆数量共计6个关键参数.随后以塔山煤矿8304工作面留巷顺槽Ⅰ区复合顶板为例,设计得到其切顶爆破关键参数:切顶高度为8m,切顶角度为15°,顶板切缝连通率至少应达到82%,单孔采用的装药结构为43331,炮眼间距为500mm,单次起爆炮孔数量为6个.现场应用验证切缝成巷效果良好,切缝侧周期来压步距平均增大4m,液压支架平均来压强度降低2.1MPa,峰值来压强度降低10.2MPa,预裂卸压效果较为明显.     

特厚煤层综放工作面沿空掘巷小煤柱合理宽度留设研究

为了研究特厚煤层综放工作面沿空掘巷小煤柱合理留设宽度,以麻家梁矿14203-1胶带运输巷为研究对象,通过理论计算和数值模拟研究,得到麻家梁矿14204采空区稳定后侧向支承应力降低区范围,为0～12 m,并分析3,5,7,9,11 m等不同煤柱宽度下煤柱塑性区分布和垂直应力分布特征.结果表明:煤柱宽度小于7m时,煤柱全部塑性破坏,处于应力降低区;煤柱宽度大于7m时,煤柱中部出现弹性区,弹性区随煤柱宽度的增加而增大,煤柱中部垂直应力开始超过原岩应力.因此,留设7m煤柱宽度即可完全满足麻家梁矿安全生产需求.研究结果可为特厚煤层综放工作面沿空掘巷小煤柱合理宽度留设提供参考依据.     

切顶成巷条件下采空区覆岩破坏与裂隙发育特征

为明晰切顶成巷无煤柱开采条件下采空区覆岩破坏与裂隙发育特征,综合采用理论分析、数值模拟和现场实测相结合的方法对其进行研究.研究结果表明:切顶成巷条件下,直接顶和基本顶被切断后,基本顶断裂位置转移至采空区侧,侧向块体旋转下沉对留巷顶板的扰动减弱.基本顶初次来压和周期来压时的破断由原来的"O-X"形转化为近似"矩形"结构....     

切顶卸压沿空留巷围岩结构控制及其工程应用

针对传统沿空留巷施工工艺繁琐、留巷成本高的问题,提出了切顶卸压沿空留巷新技术.在沿空留巷覆岩运动规律的基础上,研究了采空侧顶板预裂卸压机制,建立了不同顶板位态下"围岩结构-巷旁支护体"力学模型,分别推导得出了巷旁支护阻力的计算方法.结果表明:通过顶板预裂爆破,采空侧低位基本顶间接转化为直接顶冒落,切落后碎胀的矸石对上位岩层起到了较好的支撑作用,限制了其旋转变形,并降低了顶板断裂冲击载荷;将顶板断裂线转移至采空区侧,顶板在侧向形成了切顶短臂梁结构,减小了侧向悬臂长度,降低了巷旁支护体承受的附加载荷.在此基础上,提出了聚能预裂爆破、恒阻大变形锚索及巷旁密集单体支柱等围岩控制技术,并在哈拉沟煤矿12201工作面得到了成功应用.     

切顶卸压自动成巷覆岩变形机理及控制对策研究

切顶卸压自动成巷技术有增加煤炭采出率、减少巷道掘进量等优点,为促进该技术的推广、优化,针对切顶成巷覆岩变形机理及控制对策展开研究.对切顶成巷技术的工艺流程及工序时空关系进行总结,并按围岩结构将留巷顺槽分为煤体支撑区、动压承载区和成巷稳定区3区.针对不同分区分别建立对应的力学简化模型,对巷道顶板变形规律及巷内支护需求进行计算分析.以塔山煤矿8304工作面作为试验面进行切顶成巷试验,验证巷道支护设计效果.现场监测显示留巷于工作面架后230 m后进入成巷稳定区,留巷平均高度为2 796.6 mm,巷内支护有效,成巷效果良好.     

“三软”煤层综放开采避开动压沿空留巷方法及应用

为实施"三软"煤层综放面沿空留巷,掌握留巷围岩结构和矿压变化规律,以新登煤矿31061综放面为研究对象,研究采空区侧向覆岩结构和应力分布,综放面后方沿空留巷变形和顶板压力分阶段变化规律,提出了避开动压沿空留巷方法,并在现场进行了工业试验。研究表明:(1)31061采空区侧向煤壁变形量大,应力降低区范围大,应力集中影响范围达到煤体内部30 m。(2)留巷矿压显现分为3个阶段。工作面后方30~40 m为巷道加速变形阶段,从工作面后方5 m留巷变形速度持续增加,但顶板压力升高较慢;工作面后方40~70 m为变形持续阶段,此阶段巷道变形速度保持稳定,顶板压力快速升高,临时支架产生变形破坏;工作面后方70 m以后为变形稳定阶段,此阶段变形速度明显降低,顶板压力趋于稳定。(3)避开动压沿空留巷方法是利用临时支护使留巷度过动压影响阶段,允许巷道有较大变形量,在工作面后方一定距离处对留巷进行扩修和加固。实践表明,该方法具有成本低、工艺简单、留巷后期稳定性好、留巷施工与采面生产互不干扰等优点,在条件适合的矿区值得推广。     

切顶卸压留巷开采模式下工作面及采空区内风流运移特性

针对切顶卸压留巷开采模式下工作面和采空区内风流运移特性不明确的现状,以哈拉沟煤矿12201回采工作面为工程背景,采用Fluent软件分别模拟工作面和采空区内风流运移,结果表明:切顶卸压留巷开采模式下,靠近工作面两端隅角处的采空区内分别存在一个较大涡流区,紧邻工作面的采空区内存在部分较小涡流区;采空区内风流与工作面及留巷内风流均存在质量交换现象;沿工作面倾向存在18～85 m和304～325 m 2个重点漏风区段,321～325 m为严重漏风区段;留巷内22～100 m和390～398 m为重点漏风区段,22～30 m为严重漏风区段。重点和严重漏风区段是工作面漏风重点防范区段,需制定封堵、引导风流措施。研究结果可为防范切顶卸压留巷开采工作面采空区漏风、瓦斯气体体积分数超限爆炸、煤层自燃提供参考。     

基于在线监测的三软煤层综采工作面矿压显现规律研究

针对郑州矿区三软煤层出现的煤巷锚杆被剪断、工作面两巷表面位移大和综采工作面矿压显现规律不清晰等情况,以芦沟煤矿32081综采工作面为工程背景,应用KJ21煤矿顶板灾害监测预警系统对该工作面及两巷矿压进行在线监测,分析研究芦沟煤矿综采工作面周期来压步距、巷道围岩显现规律和超前支承应力分布规律。研究得出如下结论:芦沟煤矿选用ZF3000/17/27型液压支架能满足支护要求,综采工作面平均周期来压步距为11.16 m,沿空掘巷煤柱最佳宽度为3 m,综采工作面两巷超前加固距离不应少于50 m,为矿井综采工作面支架选型和煤巷锚网支护设计提供了科学依据,有效保障了矿井安全生产。     

特厚煤层沿空掘巷力源结构特征与围岩协同控制策略

14～20 m特厚煤层小煤柱沿空掘巷围岩控制是当前煤矿巷道支护领域的难题之一.以山煤国际晋北矿区典型的19 m特厚煤层孤岛综放面小煤柱沿空掘巷工程为研究对象,分析了特厚煤层覆岩应力拱、断裂拱大结构特征以及基本顶侧向破断运动规律,建立了特厚煤层沿空掘巷“双力源”结构模型,揭示了“双力源”传递作用机理及其对沿空掘巷围岩稳定性的影响规律,提出了“远场弱化-近场强化”协同控制治理策略,开展了19 m特厚煤层8 m小煤柱沿空掘巷围岩控制现场试验.结果表明：特厚煤层沿空掘巷强矿压显现源于小煤柱侧Ⅰ型力源和实体煤侧Ⅱ型力源叠加作用;采用小煤柱侧(Ⅰ型)和实体煤侧(Ⅱ型)力源结构“水力压裂+深孔爆破”复合弱化后,基本顶周期来压步距降低了约69.6%,有效阻断了采动应力向围岩传递;通过“远场弱化-近场强化”协同控制技术,有效控制了特厚煤层沿空掘巷掘进与回采期间围岩稳定.研究成果为14～20 m特厚煤层小煤柱工作面安全高效开采提供了一定的理论依据与技术支撑.     

厚硬岩层直覆沿空留巷顶板关键块结构及控制

基于沿空留巷围岩大、小结构稳定原理,分析了厚硬岩层直覆条件下沿空留巷顶板关键块所形成的结构及其围岩所处应力环境,并讨论了不同关键块长度围岩大结构的形式及对巷旁充填体所产生的影响,认为合理关键块长度是控制围岩稳定性的关键。结合平煤十二矿地质条件数值模拟了不同关键块长度控制下厚硬顶板直覆留巷围岩大结构稳定的不同形式,得出了其关键块体的合理长度,并基于厚硬顶板运动特征提出了控制关键块体长度的倾向小水平转角钻孔群切顶控制技术。     

薄煤层开采工作面电磁辐射特征

采用电磁辐射技术及装备对薄煤层开采工作面进行电磁辐射监测,深入分析了薄煤层开采工作面电磁辐射显现特征.研究结果表明:采用沿空留巷巷道布置方式,受上区段采空区影响,工作面上巷电磁辐射强度及波动性都高于下巷;工作面来压前电磁辐射增强,来压后减弱,回采过程中电磁辐射呈现明显周期性;薄煤层冲击地压发生于电磁辐射短时间升高的峰后阶段,区别于厚煤层发生于电磁辐射增大到较高值一段时间,然后下降至低值并持续一段时间后.应用电磁辐射对薄煤层开采工作面进行应力分析及冲击地压预测时应充分考虑其特点,以提高分析预测准确性.     

九里山矿14区放顶煤开采瓦斯涌出规律分析

分析了焦作矿务局九里山矿放顶煤工作面沿底掘进及开采期间各生产工序瓦斯涌出规律.与顶分层开采对比,放顶煤开采相对瓦斯涌出量降低,绝对瓦斯涌出量增加倍数小于产量提高倍数,各生产工序以放煤时瓦斯涌出量最大;沿顶掘巷的平均瓦斯涌出量是沿底掘巷的1.25倍,沿底掘进不增加突出危险性.     

大倾角采场矸石充填量化特征及覆岩运动机制

为了揭示大倾角煤层开采矸石非均匀充填对采场围岩控制的作用,基于大量的工程实践和实验研究,分析了大倾角采场矸石分区充填量化特征及其作用下顶板破坏内在机制,得出了各充填区域长度和充填作用下基本顶垮落长度的量化公式,并以枣泉煤矿120210工作面为工程实例,通过相似模拟实验和矿压监测验证了其合理性.结果表明:大倾角煤层长壁开采工作面垮落矸石沿倾斜滑移充填呈现下部充填压实、中部完全充填、上部部分充填的分区特征,形成对覆岩变形、破坏和运移的非对称约束效应,导致围岩破断运移具有明显的时序性和不均衡性,顶板垮落形态向上部区域偏移.     

瓦斯抽采下沿空留巷采空区自燃危险区域判定

由于沿空留巷工作面采空区漏风严重且对具有自然发火的煤层影响较大,所以研究沿空留巷采空区自燃危险区域具有重要意义。针对沿空留巷侧采空区瓦斯抽采及充填墙裂隙演化诱导漏风及自燃问题,以沙曲矿沿空留巷综放面为研究对象,通过SF6漏风实测及束管观测研究,研究了工作面及沿空留巷侧采空区漏风规律及氧气体积分数分布特征,并对采空区不同倾向范围内自燃氧化"三带"的分布区间进行了识别及划分,进而在理论及实测分析的基础上,结合工作面推进速度及煤层自然发火期发现在沿空留巷侧采空区倾向方向5~30 m存在自燃危险区,若改变工作面开采条件,其他非自燃区域可能转变为自燃危险区。