三软煤层巷道围岩变形机理及支护优化技术研究

为了解决15101工作面三软煤层巷道围岩变形破坏的问题,在确定巷道顶底板环境的基础上,对三软煤层巷道围岩侧向支承应力分布及变形机理进行了分析。研究表明:三软煤层巷道侧向应力呈现出应力峰值位置远离煤壁、应力最大值降低、侧向支承应力影响范围扩大等特点,巷道发生变形主要是由于力源集中区应力传递导致帮部剪切滑移破坏和底板挤压夹持破坏;建立了巷道围岩受力力学模型,理论分析了巷道围岩在横向变形和纵向变形的应力表达式,得出巷道变形受到巷道支护强度、底板支承能力、煤体应力传递衰减系数和底板剪切滑移等因素的影响。最后,提出了"控制顶板、加固两帮、强化底板和固定滑移"的巷道围岩控制原则,采取"长预应力锚索+帮部加密锚杆+底板注浆"的综合支护方式对巷道围岩进行了支护优化设计,确保了三软煤层巷道的安全稳定。     

大倾角煤层多重扰动煤巷围岩应力分布规律

基于山西大远煤业有限公司1202工作面运输平巷大倾角煤层赋存条件,采用理论分析和数值仿真的综合研究方法,研究巷道在采空区侧向支承压力与超前支承压力叠加作用下的应力分布规律,并基于应力分析结果,提出合理的区段煤柱宽度。研究显示：在叠加压力作用强烈影响下,巷道围岩应力呈非对称分布特征,帮部集中应力与煤层底板侧向支承压力峰值影响范围贯通;侧向支承压力成为导致工作面超前支承压力非对称分布的主要因素,两者产生强烈应力叠加效应,形成典型多重扰动叠加应力环境;从减小巷道围岩应力非对称程度出发,并考虑煤柱与顶板和底板岩层的滑移破坏,建议山西大远煤业有限公司大倾角煤层区段煤柱宽度取值范围为6-12 m。     

叠加支承压力下松软煤层巷道支护技术

针对象山煤矿临近工作面采空区侧向支承压力叠加作用下的巷道支护难题,利用数值模拟和现场试验,围绕叠加支承压力作用下松软、破碎煤层巷道的围岩变形规律,提出强预紧力全长自攻锚杆+帮部结构补强支护技术。结果表明:21303和21502工作面采空区侧向支承压力发生明显的叠加作用,21503回风巷距离叠加支承应力峰值约10 m,巷道垂直应力为20.7 MPa,应力集中系数1.41;巷道两帮围岩位移明显大于顶底,整体位移场表现出明显的非均匀性。     

厚煤层综放工作面煤柱稳定性评价及控制技术

为解决厚煤层综放工作面区段煤柱失稳破坏问题,保障采掘工作正常接续,以韩城矿区桑树坪二号井3304工作面区段煤柱为研究对象,建立力学模型求解确定塑性区宽度,采用FLAC3D数值模拟研究工作面侧向支承压力分布规律,综合分析不同宽度区段煤柱主应力差分布特征,据此针对性提出区段煤柱补强支护方案,并开展工业性试验,试验回采期间巷道围岩收敛量均处于允许范围内。研究结果表明：在工作面前方,现有宽度为10m的区段煤柱稳定性较好,煤体具有一定承载能力,但在工作面推采后,仍不可避免存在大范围片帮问题,根据煤柱帮变形破坏特征,在原有支护参数基础上,提出巷道煤柱帮锚索补强支护,可有效减少巷道两帮收敛变形,实现巷道围岩稳定性及次生灾害的综合控制。研究结果对类似开采条件下综放工作面区段煤柱稳定性控制具有一定参考价值。     

巷道群冲击地压数值模拟研究

 针对巷道群开挖过程中可能发生的冲击危险性,应用FLAC数值模拟对巷道群分步开挖过程中不同煤柱宽度对巷道变形破坏模式的影响进行数值模拟研究,模拟得出巷道群开挖造成巷道围岩周围产生应力叠加,而且当相邻巷道煤柱宽度相同时叠加现象最为明显。随着开挖巷道的密集,对应的侧向支承压力峰值及峰值位置都增大,并且影响范围也随着煤柱宽度的减小向巷道群附近围岩不断地发生转移,对于合理预测巷道群冲击地压危险区域具有一定指导意义。     

工作面超前支护段强动压巷道围岩应力优化技术研究

以芦子沟矿3107特厚煤层综放工作面为工程背景,应用数值模拟分析了3107工作面采动阶段煤柱侧帮围岩应力动态变化特征,巷道煤柱侧帮围岩受采动影响强烈。理论分析了回采巷道强动压显现机理,基于此,提出强动压巷道顶板大深度预切缝卸压技术,并阐述了其技术原理。预切缝后,沿空巷道超前支护段围岩应力降低,侧向支承压力峰值位置向工作面中部移动,沿空巷道超前支承压力峰值位置向工作面推进方向前移,能够有效改善超前支护段巷道围岩应力状态。数值模拟及现场实测结果表明预切缝后超前支护段巷道围岩稳定,巷道变形量减小,矿山压力显现缓和。     

基于切顶卸压技术的动压巷道力学响应破坏机制试验研究

针对动压巷道围岩变形速度快、变形量大、变形方式复杂等现状,采用现场测试及理论计算方法,设计了工作面端头顶板和采空区侧煤柱顶板水压致裂切顶卸压方案,分析了动压巷道悬臂梁超前支承压力及弧形三角板侧向支承压力破坏效应,研究了动压巷道叠加力学响应破坏机制,提出了小保当矿动压强顶弱帮巷道控制对策。结果表明:采取工作面端头顶板切顶卸压可有效控制回采帮变形;采取相邻采空区煤柱顶板切顶卸压可有效控制煤柱帮变形;回采帮及煤柱帮承载力与超前及侧向支承压力有关。结合具体巷道回采帮及煤柱帮变形破坏现状,确定了动压巷道切顶卸压方案;小保当矿二次动压强顶弱帮巷道,应采取切顶卸压-强帮护顶技术,保证工作面安全回采。     

大断面巷道非均匀变形机理及稳定性控制研究

为探究围岩受采动影响条件下巷道变形破坏与稳定性控制,以桑树坪二号井3309工作面运输平巷为工程背景,采用FLAC3D数值模拟方法分析“一掘二采”期间大断面巷道围岩主应力差分布特征,结合现场试验,揭示大断面巷道围岩非均匀大变形破坏机理,分析提出巷道围岩非均匀变形控制补强支护设计方案。研究结果表明：①一次回采和二次回采期间,巷道煤柱及煤壁两侧煤体峰值应力差分别为7.93MPa、12.96MPa,煤柱帮峰值应力远高于煤壁帮,两侧煤体呈非对称变形破坏特征|②与一次回采相比,二次回采期间3309工作面运输平巷煤柱帮主应力增大11.46MPa,塑性区范围从4.5m增加至煤柱宽度,煤壁帮主应力差增加27.46MPa,塑性区增加1.5m,巷道围岩处于高强度剪应力状态,易引起大变形破坏|③基于大断面巷道两侧煤体非均匀变形破坏特征,针对性提出“一长一短”两种补强支护方案,现场试验后巷道围岩稳定性控制效果良好。     

厚煤层留小煤柱沿空掘巷支护技术研究

为研究厚煤层小煤柱沿空巷道的围岩变形特征及支护技术,解决巷道的失稳难题,以魏家地煤矿西2305运输顺槽为研究对象,采用理论分析及数值模拟对小煤柱巷道围岩结构形态及应力分布状态进行分析,采用现场实测的方式对沿空巷道围岩变形及支护参数展开研究。研究表明,小煤柱巷道围岩应力受一次回采影响呈非对称性,煤柱受力与上覆岩层载荷及悬露基本顶岩块长度成正比,与煤柱宽度成反比;小煤柱沿空巷道在掘进期间,围岩变形量相对较小,且变形沿巷道中轴线呈高度对称性;一次回采后,巷道围岩在煤柱侧变形和破坏较大,巷道变形呈非对称性。基于现场实测所得巷道围岩变形特征,提出了加强锚索进行小煤柱巷道的加固。通过现场工业性实验,加强支护后,煤柱侧帮部变形量减小至原来的58.3%,有效控制巷道围岩变形,减小煤柱帮部变形严重的问题。     

煤层群沿断层回采巷道破坏机理及控制技术

针对徐庄煤矿近距离煤层群沿断层布置工作面巷道围岩变形量大、矿震频繁的现象,采用模拟分析和现场实测相结合的方法,分析回采巷道矿压显现异常的原因。结果表明,断层对上部解放层保护作用的弱化、煤柱压力集中、顶板结构失稳诱发的动载荷以及构造应力与采动应力叠加,在巷道矿压显现异常中起到了主控作用。利用非对称耦合支护原理和"强弱强"结构提高围岩自承载原理,提出"巷帮短锚索+薄弱部位补强支护+钻孔泄压"结合的围岩控制技术手段,达到了控制巷道变形的要求,为类似工程地质条件下的巷道围岩控制提供了很好的借鉴。     

深部倾斜煤层沿空掘巷围岩变形特征与控制技术研究

通过对深部倾斜煤层沿空掘巷掘、采两阶段围岩应力场与位移场的分析,揭示了该类巷道围岩非对称大变形特征：窄煤柱帮与底板变形量远大于实煤体帮及顶板,巷道整体断面收敛率大。产生该变形破坏特征的原因：1)巷道埋深大,围岩处于较高的应力环境中;2)护巷煤柱宽度及支护阻力过小,使其过早进入残余承载阶段;3)无支护底板作为变形破坏能量主要释放通道,加剧了巷道顶帮围岩整体下沉。通过对不同宽度护巷煤柱方案的数值模拟,合理确定了试验巷道护巷煤柱宽度及试验巷道支护技术与参数。工程实践表明,采用新支护技术后,巷道窄煤柱与底板非对称变形大变形得到了有效控制,保持了巷道长期稳定。     

断层影响下巷道变形机理及补强支护技术研究

由于受相邻15206工作面侧向支承压力和构造应力双重影响,15202工作面运输巷掘巷后巷道破坏变形严重,通过理论分析研究了断层影响破碎区巷道破坏机理,通过数值模拟分析了工作面侧向支承压力,同时结合现场采取了具有针对性的补强支护措施。结果表明:相邻15206工作面侧向支承压力峰值达到8. 2MPa,应力集中系数达到1. 52,应力峰值位置距离采空区边缘8m,其中6～18m范围内为应力增高区,受15206工作面采动影响,区段煤柱受到较大的支承压力作用,再加上断层造成煤柱内煤体破碎,强度降低,致使煤柱和煤柱一侧底板发生严重变形破坏。在实施补强支护方案后,15202工作面运输巷可以保持长期稳定的为工作面服务。     

受上覆采空区影响的巷道群稳定性控制研究

近距煤层下行开采中,因受上层煤采空区及煤柱的影响,下层煤巷道的应力环境及围岩破坏机理均发生复杂变化。采用理论分析、数值模拟与工程应用的综合方法,研究下层煤应力分布规律、巷道群的变形破坏机制及稳定性控制对策。研究表明:受上覆采空区释压作用影响,其下方巷道围岩应力集中较小、巷道较为稳定;受煤柱压力传递影响,煤柱下巷道围岩垂直应力急剧升高,应力集中系数达3.84,巷道两帮及肩部大范围压剪破坏,最终导致巷道整体失稳;煤柱下高应力区巷道宜采用拱形断面,增加支护强度与锚固预应力,顶板锚索(杆)向巷道两肩角倾斜布置,使支护体系与围岩塑性破坏区相互耦合并得到共同强化。在支护优化后巷道顶板下沉量减小42.8%,锚杆、锚索实测工作载荷分布合理,实现了对煤柱下近距煤层巷道的安全有效控制。     

采空侧大变形巷道下护巷煤柱宽度优化

为解决深井采空侧巷道围岩变形量大导致的支护难题,运用室内实验,数值模拟和现场实测的方法,以常村煤矿为研究对象,研究了不同宽度护巷煤柱下采空侧巷道围岩变形破坏特征以及侧向支承压力的分布、演化规律。结果表明:当煤柱宽度达到30 m时,巷道围岩已具有相当的稳定性。     

多次动压影响下小煤柱巷道围岩变形分析与控制

为解决多次动压影响下小煤柱巷道支护的技术难题,针对漳村煤矿2205回风巷受多次动压影响、矿压显现明显的特点,分析了其变形破坏因素,模拟研究了2205回风巷掘进动压、2203工作面超前支承应力、2203采空区侧向支承应力及2205工作面超前支承应力对巷道的影响,提出了2205回风巷围岩控制方案。研究结果表明,采用全长预应力锚固强力锚杆锚索组合支护系统并加强巷帮支护后,能够很好地解决多次动压影响下小煤柱巷道支护难题。     

极近距离下煤层回采巷道支护技术研究

为了解决极近距离下煤层顶板受上煤层开采挤压破坏、回采巷道支护难度大的问题,采用数值模拟的方法,分析了下煤层受上煤层采动影响后围岩应力分布情况,掘进和回采期间回采巷道在采空区、煤柱下方及超前工作面区域的架棚受力情况,合理确定了架棚支护参数及加强支护的具体范围,巷道围岩变形符合设计要求,棚腿未出现弯曲现象。     

近距离煤层群下位煤层沿空留巷合理布置研究

为了解决近距离煤层群下位煤层沿空留巷受多次采动影响,巷道围岩变形破坏严重的问题,采用理论分析、数值模拟和现场实测方法,研究了巷道与回采空间合理的相对位置及支护参数。研究结果表明：上位煤层开采后在采空区正下方出现一定范围的应力降低区,为沿空留巷的布置创造了有利条件;上位煤层残留煤柱下方一定范围出现应力集中,煤柱影响范围和3+4煤层的交接与煤柱的水平距离为10.8~11.54 m。现场矿压观测表明,沿空留巷布置及巷道支护设计是合理的,巷道顶底板移近量以及墙体受力大小都在可控的范围内,为相似条件下沿空留巷合理空间布置及支护设计提供了依据和指导。     

深井沿空巷道合理位置确定及围岩控制技术

针对深井高地应力矿井煤柱应力大、巷道围岩变形严重及煤柱宽度大造成资源浪费等特点,以麦地掌煤业21214工作面为研究背景,通过地应力测试、钻孔应力测试了解工作面侧向应力峰值位置及大小。通过现场实测及分析得侧向应力峰值约为43MPa,且位于距巷帮约17m处。并运用理论计算、数值模拟,研究沿空掘巷围岩在掘采期间的变形破坏特征、合理窄煤柱尺寸的确定及沿空巷道的围岩控制。结果表明：煤柱宽度为6.5m时巷道围岩稳定性较好,掘进初期,围岩变形量及变形速率较大,后逐渐减小,掘进影响期为15天,回采期间由于小煤柱侧的支护强度大于工作面侧,小煤柱侧的变形量小于工作面侧的变形量,最大变形量分别为110mm和248mm,均在可控的范围内。     

多巷布置充填留巷围岩变形特征及补强支护技术

为解决新元煤矿多巷布置充填留巷动压巷道围岩变形严重问题,采用现场监测巷表面位移变化特征、超前支承应力变化规律及数值模拟巷道塑性区的变化规律,并根据原有支护形式的不足,提出适合多巷巷道大变形问题支护优化方案,并在井下进行优化补强支护工业性试验。实测结果表明:巷道围岩在进入超前支承压力影响范围后开始变形,但变形量不大;原支护方案在工作面推过后,巷道底鼓急剧增加,根据现场观测和数值模拟分析塑性区的变化规律,优化支护后的补强措施顶板、两帮的移近量均有减小,底鼓量减小了约50%,优化补强支护方案改善了巷道围岩质量。     

含夹矸泥岩煤层巷道外错滑移机理与支护对策

为了揭示三道沟矿区含厚度20 cm泥岩夹矸的5-2号煤层巷道副帮外错变形机理,通过巷道围岩钻孔窥视、围岩变形观测和夹矸泥岩矿物成分X-衍射分析,测定出泥岩夹矸中蒙脱石含量达到55%,高岭石含量达到24%;探明了巷道顶板存在垂直裂隙,巷道副帮(煤柱帮)破坏区较大,巷道收敛变形主要由相邻工作面开采引起,巷道副帮出现较明显的外错式变形。通过数值计算分析,揭示了巷帮外错滑移破坏的机理是相邻工作面侧方支承压力导致煤柱顶板产生垂直裂隙并向相邻采空区水平移动,带动巷道副帮沿夹矸层滑移,形成外错变形。据此,提出了采用长锚杆加强副帮夹矸层上部煤体的支护对策,实践取得了成功。