深井切顶留巷顶板错动判据与支护参数量化研究

切顶留巷顶板支护方式主要为主动支护与临时支护.研究留巷期间顶板主动支护与临时支护之间的量化关系,确定切顶留巷顶板支护参数量化关系,可为支护参数设计及稳定性控制提供理论依据.以祁东煤矿7135工作面为工程背景,研究切顶巷道走向及倾向不同层位顶板变形规律,获得直接顶与基本顶的协调变形特征.分析直接顶与基本顶协调变形力学特征,建立切顶留巷直接顶与基本顶组合力学模型,以锚杆发生剪切破坏为临界指标,获得层间错动判据,并以此分析临时支护刚度、锚杆预紧力及锚杆支护间排距之间的量化关系.通过引入埋深因素,分析不同埋深临时支护与主动支护的量化关系.提出工程实践中:为提高留巷期间巷道顶板稳定性、控制顶板下沉变形量,可通过增加巷内临时支护体数量、提高支护刚度、减小锚杆支护间排距及提高锚杆预紧力等方法实现.结合祁东煤矿7135工作面回风巷留巷期间顶板控制效果,验证了支护设计的合理性.     

浅埋沿空留巷切缝顶板断裂条件及移动规律研究

根据浅埋煤层顶板断裂后岩块间水平挤压力较小难以形成砌体梁的特点,分析了切顶卸压沿空成巷下的巷道顶板断裂结构,建立了下位切缝上位弯曲裂缝的双边悬臂梁的断裂力学模型,推导了沿空巷道侧向基本顶沿切缝结构面裂缝扩展断裂时的切顶工作阻力;建立了侧向基本顶两种不同顶板断裂位态下围岩结构数值模型,得出了两种断裂位态下的结构移动变形规律。当切顶阻力Q?ql时,巷道顶板沿煤壁内一定深度内断裂,空区侧弧形三角板直接顶的倒台阶悬臂结构可向沿空巷道围岩传递较大破断动载和覆岩移动压力;而当切顶阻力Q≥ql并与切缝联合切顶同时作用时,则可使得垮落带内直接顶和低位基本顶沿切缝结构面断裂滑落失稳,实现顶板断裂位态主动控制,减小弧形三角板侧向悬臂传递覆岩荷载的结构长度,优化顶板承载结构和围岩应力,降低巷旁支护体承受的附加荷载。同时切落后碎胀的矸石及时充填空区将上覆岩触矸点前移,减缓了上覆岩下沉和旋转变形作用力。哈拉沟矿浅埋薄基岩大断面复合顶板切顶成巷试验结果表明:沿空巷道超前切缝可减小侧向顶板区域支架工作阻力和直接顶垮落步距,降低岩板破断引起的冲击动载,实际切顶阻力与理论计算分析结果较为吻合。     

厚层灰岩直接顶沿空成巷切顶断裂条件及围岩移动规律研究

基于沿空留巷原理,分析了厚层灰岩直接顶板下巷旁充填沿空留巷和超前切缝断顶卸压法沿空留巷巷道顶板断裂位态,分别建立了2种不同顶板断裂位态下的结构力学模型,推导了巷道顶板支护阻力计算方法。研究表明:当切顶阻力Q≤ql时,巷道顶板沿煤壁内一定深度内断裂,沿空巷道侧向顶板悬臂结构可向沿空巷道围岩传递采场岩梁和上覆岩层移动压力;而当切顶阻力Q≥ql,巷内加强支柱+巷旁切顶墩柱+巷旁切缝的联合切顶作用时,可使得侧向坚硬灰岩顶板沿切缝结构面断裂滑落,实现顶板断裂位态主动控制,降低了坚硬灰岩顶板传递上覆岩层压力的移动变形压力,优化了顶板承载结构和围岩应力,降低了巷旁支护体承受的附加载荷。相关设计方法及研究成果应用到南屯矿厚层灰岩直接顶切顶留巷试验,取得了良好的应用效果。     

软底石灰岩顶板沿空留巷综合支护技术

针对软底坚硬顶板沿空留巷悬顶时间长,悬顶距大,底板松软,易造成巷道端头部位支护强度不足及顶板来压时沿下帮煤壁折断问题,提出"提高支护强度,强力实现沿空切顶"的支护理念;设计了单体液压支柱切顶与锚网护顶、混凝土垛切顶与锚网护顶、密集单体液压支柱切顶与锚网护顶3种巷旁支护方案;以滨湖煤矿泥岩底板石灰岩顶板沿空留巷为例,通过数值模拟和现场监测表明锚网+单体液压支柱切顶与锚网护顶为最优支护方案,可有效控制巷道顶板下沉并实现切顶。     

厚煤层切顶留巷动载期间临时支护技术现场试验研究

为解决厚煤层切顶留巷动载期间临时支护困难的问题,本文以陕煤集团柠条塔煤矿切顶留巷开采工业性试验为工程背景,分别设计了两种巷道顶板临时支护方案,并对两种临时支护条件下的散体帮顶底板移进量进行了对比分析。结果表明:采用墩式护帮支架比采用单体液压支柱控制顶底板移进量效果更为明显,其提供了更加稳定可靠的支护条件,研究结果为采用切顶留巷开采方式的工程提供了一种厚煤层切顶留巷动载期间临时支护的新思路,对切顶留巷技术的推广具有重要意义。     

复合顶板切顶卸压留巷围岩支护技术研究

复合顶板巷道切顶卸压留巷时往往面临围岩控制困难问题,给巷道后续使用带来制约.以东林公司E1301回风巷复合顶板切顶卸压留巷为工程背景,对留巷技术以及围岩支护方案进行设计.在切顶前采用锚索、锚索梁及恒阻锚索梁超前支护,留巷段采用架棚、单体液压支柱、档杆支架等支护.现场应用后,巷道围岩变形整体较小,可满足巷道后续使用要求.     

塔山煤矿复合坚硬顶板切顶留巷围岩变形机理及控制技术研究

以大同矿区塔山煤矿8304工作面切顶留巷为工程背景,综合采用理论计算、数值模拟及现场监测等方法对切顶留巷围岩的变形机理进行了分析,并提出了相应的控制技术。沿空顺槽实施切顶后,留巷顶板形成短臂梁结构,巷道整体处于卸压状态。切顶形成的切缝结构面阻断了采空区顶板压力传递到实体煤帮的路径,降低了煤帮应力集中程度,从而较大幅度减弱了实体煤帮及底板的变形;顶板最大变形集中在切缝侧,但下沉量有所减小;矸石帮变形分为垮落阶段的冲击变形和稳定阶段的缓慢变形,变形先急剧增大,后缓慢增加至稳定。基于对留巷围岩的变形分析,提出了对留巷顶板实施恒阻大变形锚索加强支护以控制顶板下沉,垮落矸石帮侧布置单体支柱配合11#工字钢与钢筋网片防冲护巷,煤帮采取左旋无纵筋螺纹钢锚杆加固处理及底板采用C20混凝土硬化的综合控制技术。现场监测留巷断面尺寸约为2 834 mm×4 615 mm,较原巷道断面最大收缩率为15.6%。监测结果表明:该控制技术能够有效控制围岩变形,所留巷道完全满足复用生产需求。     

浅埋煤层无墙体沿空留巷及切顶组合支架试验研究

针对浅埋煤层无墙体沿空留巷围岩稳定问题,重点分析了基本顶沿巷旁支护体断裂后顶板结构失稳特征,得出了留巷顶板沿巷旁支护体侧切断并垮落后,留巷所需的支护阻力迅速减少。基于此种基本顶断裂位态,提出了无墙体沿空留巷切顶组合支架巷旁支护技术,结合在给定载荷、给定变形、采空区矸石侧压和底板比压等条件,对切顶组合支架的切顶阻力、支架可缩量及抗侧压能力等分别给予计算并进行校核,并在老母坡煤矿3101试验工作面进行工程验证。结果表明:在留巷工作面后方90 m以外,稳定后巷道两帮移近量为243 mm,顶板下沉量225 mm,移近速度不超过1 mm/d,证明巷旁切顶组合支架配合单体支柱能够在顶板回转切顶过程中提供足够的工作阻力,在类似条件下实施无墙体沿空留巷技术是可行的。     

无煤柱自成巷开采巷道矿压显现特征及控制对策

切顶卸压无煤柱自成巷开采技术是煤炭开采的一项新技术,为了探索该技术条件下的巷道矿压显现特征,建立顶板岩层结构力学模型,并提出"承压结构"和"卸压结构"的概念。经分析,前者是上覆岩层压力的主要承载体,可在矸石和煤体的支撑作用下保持平衡,其断裂位置和运动位态是影响巷道围岩变形的最主要因素;后者则在前者保护和顶板切缝的影响下始终处于卸压环境,并与巷内支护和巷帮煤体共同作用形成稳定的内圈结构。通过对两者的变形特征进行计算和分析,初步形成了利用顶板切缝控制"承压结构"变形和利用NPR恒阻大变形锚索支护控制"卸压结构"变形的基本思路,同时给出了顶板切缝和顶板支护参数的计算方法,为现场方案设计提供了理论依据。综合上述理论分析和现场实测数据,得出切顶卸压无煤柱自成巷开采工作面后方巷道围岩变形可划分为3个阶段,即卸压影响期、动压变形期和压实稳定期,并分析了各阶段的顶板运动和矿压显现特征。基于以上研究成果,针对切顶卸压无煤柱自成巷开采,提出精准切缝、非对称支护、分区支护、高预应力(初撑力)主动支护以及关键部位加强支护等巷道围岩稳定性控制对策,经现场试验验证,效果良好。     

沿空留巷下位顶板破断规律与控制机理研究

沿空留巷下位顶板的破断位置决定着上位顶板的破断位置和巷道围岩的稳定性,其破断位置一般在煤帮附近或巷旁支护体外侧,受控于巷旁支护和巷内支护强度.基于极限分析和力学平衡理论,分别对2个不同破断位置的下位顶板建立力学模型,得到巷旁支护阻力与下位顶板破断位置的关系,并且分析了顶板破断后的扰动效应.结果表明下位顶板在巷旁支护体外侧破断,有利于维护巷旁支护体和煤帮.进而,从提高顶板岩层抗弯能力、增大顶板岩层抗拉强度和改善应力环境3个方面分析了顶板进行合理锚杆支护后,可使下位顶板破断更趋向于采空区侧.     

沿空留巷顶板断裂位置分析及支护技术

为得到沿空留巷基本顶断裂的形式和条件,采用理论分析和现场观测的方法,以葛泉矿1528工作面沿空留巷为研究对象,建立了反映岩层基本特征的力学模型.结果表明:当沿空留巷巷旁支护阻力不同时,基本顶的断裂位置不同,在巷旁位置切断直接顶或者直接切断基本顶,可以减少项板活动对巷道的影响.由工程监测和数据分析可知,沿空留巷受到采动影响时,采用合理的锚网支护措施可形成稳定结构,提供足够的切顶阻力,能有效控制顶板合理的悬露长度.     

中厚煤层综采面切顶沿空留巷围岩控制技术研究

为解决煤矿采掘接替紧张、巷道围岩控制困难等问题,以鹿台山矿为研究背景,综合理论分析、现场试验等手段,对沿空留巷上覆岩层运动规律开展研究,提出沿空留巷围岩控制的关键技术。研究结果表明:根据沿空留巷上覆岩层运动结构及其运动特征,提出沿空巷道围岩稳定性控制基本原理,并确定沿空留巷围岩控制应在采空区侧强制切顶卸压、巷道顶板加强、挡矸防护和滞后支护组成的沿空留巷围岩控制技术;留巷巷道顶底板下沉量98 mm,底板底鼓量最大约102 mm,实体煤帮最大变形量约134 mm,采空区帮最大变形量约108 mm,锚索最大受力322 kN,留巷变形在合理范围内,留巷效果良好,可为类似条件下的切顶沿空留巷工程提供借鉴。     

复杂顶板条件下切顶留巷关键技术研究

针对店坪矿切顶留巷初期挡矸,锚索和单体液压支柱等支护体失效导致的巷道报废的问题,采取了全巷道顶板岩性探测的方法,分析了试验巷道的复杂顶板条件下切顶留巷的关键问题。通过建立留巷围岩稳定结构及其受力模型,分析了切缝高度及岩石碎胀性对基本顶运动的影响规律、恒阻锚索对顶板的支护原理以及液压支柱对切缝侧顶板的剪切作用,指出留巷的顶板运动,从时间和空间上可分为直接顶垮落期、基本顶断裂下沉期和压实稳定期3个时期,恒阻锚索支护和留巷动压期支护的参数设计要以顶板运动最剧烈期为基础进行计算。给出了留巷的预裂切缝、恒阻支护和动压期临时支护等关键技术参数的理论公式,并结合巷道各段围岩特性,将试验巷道划分7个区间段,并分段优化了留巷的关键技术参数。通过对现场留巷门架压力数据分析,滞后工作面0～60 m为直接顶垮落和基本顶周期性断裂阶段,顶板运动剧烈;滞后工作面60～160 m为垮落矸石逐渐压实阶段,顶板运动缓慢;滞后工作面160 m以后,留巷围岩变形逐渐趋于稳定。现场应用表明:分段优化前留巷顶底板和两帮累计变形量分别为1 200 mm和1 420 mm,巷道回缩率54%;采取分段优化后,两处变形分别控制在420 mm和435 mm以下,巷道回缩率在18%以下,留巷围岩变形控制效果良好。     

坚硬顶板切顶巷道变形特征及其控制方法研究

文章以山西某矿3104工作面切顶巷道为工程背景，采用理论分析、数值计算与现场监测相结合的方法对切顶巷道变形特征及控制方法进行了研究。结果表明：巷道实施切顶技术后，可以切断采空区顶板对巷道煤帮的应力传导路径，提高煤帮侧煤体的弹性模量及应力承载能力，降低煤体内部应力集中程度，增大巷道及工作面顶板卸压范围，有效限制巷道变形发展。据此提出了巷道顶板采用恒组大变形锚索、巷道煤帮侧采用无纵筋螺纹钢锚杆，以及巷道矸石侧采用“单体支柱+工字钢+金属网”加强支护的巷道变形控制方法。通过现场实践，切顶巷道顶板及两帮整体位移较小，保障了工作面切顶巷道的稳定性，可为坚硬顶板条件的矿山切顶巷道变形控制提供工程借鉴。     

大采高采场切顶卸压小煤柱护巷技术研究与应用

为解决大采高工作面强动压影响工况条件下小煤柱沿空掘巷维护难题,以阜生煤矿1102大采高工作面1106沿空掘巷为研究对象,采用理论分析、数值模拟及现场实测的方法,研究采空区侧顶板断裂对小煤柱护巷围岩稳定性的影响。建立了沿空掘巷侧向顶板断裂及煤柱载荷计算模型,得到煤柱载荷与采空区顶板断裂角呈线性递增的关系;基于切顶卸压沿空掘巷原理,提出采用切顶方法来减小煤柱载荷,达到卸压效果;计算得到1106工作面沿空掘巷煤柱宽度为8.0 m,对切顶卸压效果进行了数值模拟分析,认为经切顶处理后小煤柱及巷道煤帮侧应力峰值减小了23%,巷道顶底板及两帮变形得到了有效的控制;对切顶卸压小煤柱护巷技术进行了现场评价,现场应用结果表明切顶后的巷道顶底板移近量最终稳定在377 mm,两帮变形量稳定在242 mm左右,处于可控范围,巷道维护效果良好。切顶卸压小煤柱护巷技术的应用,实现了大采高工作面的安全高效开采。     

祁东矿巨厚坚硬顶板切顶无煤柱开采技术应用研究

为解决当前煤矿开采过程中存在煤炭采出率低、留煤柱开采引起应力集中、巷道围岩控制难等问题，以祁东煤矿7135工作面为工程背景，提出切顶沿空留巷技术。通过对巷道围岩运动特征和留巷技术原理的研究分析，确定切顶留巷关键技术参数，并在现场进行了工程应用。结果表明，采用高强预应力锚索补强顶板、垛式支架支撑顶板及可伸缩U型钢挡矸防护等联合支护体系，实体煤帮平均变形量达到166 mm，采空区帮平均变形量达到237 mm，顶板平均下沉量达到163 mm，平均底鼓量208 mm，留巷变形满足安全生产要求。     

高强度固帮切顶成巷方法研究

针对无煤柱切顶成巷、煤帮破碎导致巷道大变形等问题,提出了高强度固帮切顶成巷方法,布设锚索提高煤帮自承能力,利用切顶使巷道围岩处于低应力区。以新驿煤矿为背景,首先构建煤帮变形分析模型,研究了煤帮不同破碎宽度与顶板变形间关系,结果表明:煤帮破碎会导致顶板大变形,随煤帮破碎宽度增加,顶板变形速率增加。开展了不同切顶角度、切顶高度、帮锚索长度、顶底角帮锚索角度等影响因素下的数值试验,建立顶板收敛率、巷帮收敛率、锚索强度利用率、液压支柱强度利用率等量化评价指标,对比分析了单一切顶和固帮切顶两种情况的巷道变形及支护构件压力特征。结果表明:固帮切顶相较于单一切顶,巷道收敛变形进一步减小,煤帮位移约61 mm,减小34.8%,顶板位移约80 mm,减小34.4%,锚索安全裕度提高14.9%。最后,利用该技术,在新驿煤矿1706巷道进行了实际应用,监测结果表明,该方法有效控制了巷道变形,取得良好留巷效果。研究成果对类似地质条件下沿空留巷具有借鉴意义。     

沿空巷道切顶围岩变形控制机理及工程应用

为减少薄-中厚煤层开采工作面区段煤柱损失,提出了切顶法沿空成巷无煤柱开采技术,即在上区段回采工作面运输巷内,采用张拉聚能爆破在运输巷顶板与采场侧向顶板间形成一条切缝结构面,该结构面可阻滞采场侧向顶板移动压力向沿空巷道围岩的传递,并促使侧向顶板沿切缝切落,切落矸石则隔断采空区而形成运输平巷采空区侧巷帮,矸石碎涨后充填冒落空间支撑上位岩层继续移动,从而实现沿空巷道稳定。沿空巷道切顶力学模型的理论与数值分析结果显示,巷旁爆破切缝将可传递采场岩层移动变形压力的岩梁结构改变为沿切缝切落的短臂岩梁结构,大大降低了沿空巷道受采场侧向岩层移动变形压力的作用,减小了沿空巷道围岩压力及变形量。基于该原理提出的巷内加强支护、巷旁密集支护、巷道顶板切缝等主被动联合切顶技术,在各种不同条件下薄煤层、中厚煤层切顶成巷工程实践中均取得了良好效果,实践表明,该方法可有效降低采场岩层移动对沿空巷道产生的压力,减小沿空巷道围岩变形。     

倾斜软硬交互岩层双基本顶切顶留巷围岩控制技术研究

对倾斜软硬交互岩层双基本顶切顶留巷围岩控制难题，阐明了该地质条件下采空侧-顶板-实体煤帮综合护巷机理，针对性地提出了采空区侧“U型钢插顶插底+高强锚索补强+金属网挡矸护帮”、留巷顶板“槽钢桁架锚索+切顶锚索+单体柱撑顶”、实体煤帮“槽钢桁架锚索强力锚固”的综合控制技术；提出了布孔形式、布孔间距及角度、布孔深度、装药参数及封泥长度等爆破切顶参数。现场结果表明：9.5 m深度的切顶孔利于倾斜软硬交互岩层切顶留巷围岩控制，切缝侧顶板与实体煤帮稳定后的最终变形量约为192 mm与119 mm，保证了下工作面安全回采。     

切顶卸压沿空留巷顶板破坏机理及控制技术

为解决采煤工作面切顶卸压沿空留巷顶板变形破坏等问题,根据柠条塔煤矿S1201工作面实行切顶卸压沿空留巷过程中矿山压力显现规律,建立顶板切缝力学模型,对该矿厚煤层切顶卸压巷道裂隙发育机理及影响因素进行了研究,提出了将巷道划分超前支护区、动压影响区和成巷稳定区以及裂隙发育判据条件。研究结果表明:裂隙发育主要集中在动压影响区;从控制基本顶动压、顶板支护强度和采空区帮侧向压力等方面考虑,采取了增大临时支护距离、加强主动支护强度和优化顶板切缝参数的针对性控制措施,根据现场监测结果巷道中部顶底板移近量由320 mm减至200 mm,且裂隙区内裂隙不再扩展,顶板稳定性控制效果良好。