条带式Wongawilli煤柱特征及作用机理分析

条带式Wongawilli采煤法是一种新型高效减沉采煤法,对减轻采场覆岩破坏、控制地表沉陷、减少采动对地表建(构)筑物的损害具有重要意义,而煤柱是条带式Wongawilli采煤法减沉降损效果的关键。为研究条带式Wongawilli开采煤柱特征及其对覆岩作用,阐明了条带式Wongawilli采煤法煤柱系统与顶板的相互作用机理,本文结合王台铺煤矿地质采矿条件,采用理论分析、相似模拟及现场验证相结合的方法,研究了条带式Wongawilli开采煤柱形式及特征,建立了条带式Wongawilli煤柱的结构力学模型,分析了直接顶离层情况及不规则煤柱、条带煤柱的受力与支护强度。研究表明:条带式Wongawilli采煤法由刀间煤柱、不规则煤柱、条带煤柱形成了特殊的煤柱系统,刀间煤柱起临时支护作用,随着工作面的推进,刀间煤柱随采随垮或者短时间内就失去支撑能力;不规则煤柱能对顶板的维护起到一定作用;条带煤柱是整个煤柱系统的关键。条带式Wongawilli开采直接顶与基本顶发生离层,直接顶弯曲下沉形成"固支梁"或垮落形成"悬臂梁" 2种结构,并作用于条带式Wongawilli煤柱;条带煤柱与传统条带开采煤柱类似,支撑直接顶及基本顶。不规则煤柱类似于支撑单体的形式(类单体)被动支撑直接顶,且不规则煤柱如果发生失稳破坏,条带煤柱的压缩突变量也会突增,影响其稳定性,进而影响整个条带式Wongawilli开采煤柱系统的稳定。     

条带式Wongawilli开采煤柱失稳覆岩破坏分析

为研究条带式Wongawilli开采煤柱失稳覆岩破坏机理及岩层移动特征,结合赵屋煤矿15号煤连采一区地质采矿条件,采用理论分析、现场实测、公式计算及相似模拟相结合的方法,建立了条带式Wongawilli开采煤柱系统模型,分析了煤柱失稳机理及其对覆岩的影响。研究表明:条带式Wongawilli煤柱系统中,个别损害或者不规则(有尖角)煤柱在矿山压力及地下水侵泡等不良因素的共同作用下可能发生破坏失稳,进而引发相邻煤柱失稳,产生"多米诺"效应,从而导致整个煤柱系统失效;煤柱一旦发生失稳,开采工作面由非充分采动转化为充分采动,加剧覆岩破坏,导致地表塌陷。     

浅埋煤层房式开采遗留煤柱突变失稳机理研究

神东煤田浅埋煤层存在大量房式遗留煤柱,受下方煤层采动影响可能突然失稳垮落,造成冲击式动力灾害,遗留煤柱稳定性对下方煤层安全开采具有重要影响.针对乌兰集团石圪台煤矿地质生产条件,基于突变理论建立了房式煤柱稳定性尖点突变模型,分析了浅埋煤层房式开采遗留煤柱突变失稳规律.结果表明煤柱发生突变失稳的必要条件为煤柱单侧屈服带宽度介于煤柱宽度的0.33～0.43倍时将发生突变失稳,现场观测验证了计算结果.     

露天矿端帮开采支撑煤柱参数设计

为解决露天矿边帮压覆煤炭资源问题,采用端帮采煤机开采工艺进行回采以提高煤炭回收率。以某露天矿南端帮为工程背景,基于尖点突变理论,推导出支撑煤柱失稳判据;采用经验公式计算不同采高条件下煤柱的稳定性,并设计合理的煤柱留设宽度;采用数值模拟,分析煤柱走向支撑应力分布规律及支承应力峰值处的塑性区分布规律,结合煤柱失稳判据,验证煤柱留设宽度的合理性。结果表明:支撑煤柱当塑性区宽度占比大于88%时将发生失稳;支承应力峰值位置均出现在煤柱最大采硐深度前方某一工程位置处;当支撑煤柱宽度大于设计宽度时,煤柱的塑性区占比均小于88%,处于稳定状态,为最大限度回采煤炭资源,确定采硐深度为150 m,采高为4.0、4.5、5.0、5.5 m时支撑煤柱的留设宽度分别为5.5、6.0、6.5、7.5 m。     

旺格维利开采的等效条带开采宽度数值模拟研究

通过数值模拟方法分析了旺格维利开采后覆岩、煤柱应力状态和关键层沉降情况随着旺采回采支巷两侧采出率、采硐垂深的变化而变化的规律;根据旺采煤柱的塑性区范围圈定对应条带开采宽度范围,进一步通过关键层的沉降曲线,采用夹逼方法得到与旺采最为接近的等效条带开采宽度;对比分析旺采与等效条带开采的模型应力分布特征,结果表明旺格维利开采可以等效为条带开采,条带开采宽度主要受旺采的回采支巷宽度、回采支巷两侧采硐采出率和采硐垂深影响,最终确定了旺采的等效条带开采宽度的计算公式。     

块段式开采区段煤柱突变失稳机理研究

长壁开采后遗留了大量的不规则块段,回收这部分煤炭资源主要是通过以连续采煤机为主的短壁块段式开采。区段保护煤柱的稳定与否是不规则块段安全开采的关键。根据同煤集团某矿2-2上煤层的地质条件,运用突变理论分析了煤柱失稳机理,推导出区段煤柱发生突变失稳的必要条件为煤柱屈服区宽度大于煤柱总宽度的86%,数值模拟计算结果验证了该结论,并直观地模拟了煤柱与采场变形破坏的动态演化过程。通过在该矿区段煤柱的应用实施,煤柱不发生突变失稳的理论计算结果为其塑性区宽度不得大于12.9 m,现场钻孔窥视实测结果验证了该结论。     

旺格维利式开采采硐间煤柱合理宽度留设研究

为解决条带式旺格维利式开采(简称"旺采")特有采硐间煤柱在回采过程中影响顶板稳定性,制约连采设备高效回采、安全退出,降低煤炭资源采出率的难题,以盛平煤矿为研究对象,采用FLAC3D数值模拟研究方法,分析了1.00、1.25、1.50、1.75 m不同采硐间煤柱宽度方案下的煤柱受力情况、煤柱塑性区分布、直接顶塑性区受力、...     

煤柱-顶板系统失稳的突变理论模型研究

假设顶板岩层处于弹性工作状态情况下,建立了煤柱-顶板系统的力学模型。根据力学模型,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主要条件表达式。分析表明,煤柱失稳与条带煤柱顶板的受破坏程度有关,煤层顶板受开采扰动的影响产生塑性区,塑性区越大,其弹性刚度kd越小,越易发生突变失稳。     

“充填体-煤柱”复合结构势能突变破坏机理北大核心

为研究巷式充填开采“充填体-煤柱”复合结构稳定性,分析了复合结构承载特征,建立了复合结构充填体承载部分与煤柱承载部分势能函数表达式;运用突变理论,分析了势能发生燕尾型突变的临界条件,给出了以塑性区宽度为主要指标的复合结构破坏失稳判别公式,研究了采场巷道宽度、煤层埋深以及开采阶段数等开采参数对复合结构稳定性的影响;采用数值计算的方法,结合王台铺煤矿工程案例,分析了复合结构垂直应力分布特征、塑性区宽度等承载参数,验证了复合结构破坏失稳判别公式的准确性。     

条带开采中煤柱稳定性分析

系统地分析了条带开采中煤柱稳定性问题。通过多个实例计算的对比分析，建议采用Ｗｉｌｓｏｎ强度公式进行一般地质采矿条件下条带煤柱强度的计算。从煤柱强度分析出发，导出了任意方向弱面的剪力强度安全系数计算式；建立了顶底板通过摩擦作用施加给煤柱的儿拉压应力引起的煤柱屈服区宽度变化的简化计算式；从３向受力状态角度分析了侧限力对增加煤柱强度的机理问题；还强调了煤柱载荷与采出率之间的非线性关系和条带开采设计中应注     

固体钾盐矿山房柱式开采地表沉陷的理论计算

条带房柱式开采方法是世界固体钾盐矿山最主要的采矿方法,光卤石/钾石盐是最主要的含钾开采矿石,其可溶于水、易吸水潮解、内聚力大等独特的物理、力学特性导致不能完全照搬随机介质理论用于地表沉陷的计算。因此,以老挝某固体钾盐矿山作为工程背景,基于弹性半无限空间理论,建立条带房柱式开采的力学模型,利用弹性力学线性荷载的布辛内斯克解,理论计算地表沉陷量,并进一步利用Flac^3D数值模拟软件建立地表沉陷力学模型,数值仿真计算地表变形量。结论表明,矿房宽度8m,矿柱宽度10m的情况下,采用理论计算和数值模拟软件计算,地表下沉系数q均为0.05左右,与国内外房柱式开采的工程经验一致。     

基于FLAC3D的条带开采煤柱稳定性分析

为研究不同采出率开采条件下条带开采煤柱的稳定性及对地表的影响,采用了FLAC3D和Tecplot数值模拟软件,对不同采留宽条带煤柱的竖直应力分布和地表最大下沉值进行研究。结果表明:随着采出率的增加,煤柱单位面积所支撑的压力成线性增大;在煤柱的边缘形成应力的集中区,其应力等值线的形状呈马鞍形—平台形—拱形的变化,平台形可以看成煤柱从稳定向失稳过度的标志和临界点;根据模拟计算结果,建立了地表最大下沉值与条带开采回采率之间的关系式及最大竖直应力与采出率之间的关系式,为今后相关计算提供了科学依据。     

采空区坚硬顶板破断机理与灾变塌陷研究

以坚硬顶板下的房柱式和条带式采矿工程为背景,建立了表征采空区内矿柱支撑顶板的弹性基础板力学模型,研究顶板不同阶段的破断模式与突变失稳的力学过程.研究表明：当煤柱的有效承载面积逐渐减小到临界值时,非线性控制参数即可穿越分岔点集,顶板位移突跳产生极限点失稳,煤柱-顶板系统出现突然塌陷失稳.     

固体充填条带开采采宽与留宽优化设计

针对南屯煤矿采用全采全充模式的固体充填开采无法控制地表沉陷的问题,分析了矿区采用固体充填条带开采的必要性,推导了充填体作用下的煤柱屈服区宽度力学计算公式,提出了顾及煤柱稳定性的留宽设计方法,并推导了采出率与地表变形的数学表达式|采用数值模拟研究了煤柱应力集中系数的变化规律,为力学模型的参数选取提供了支持。结合理论分析和数值模拟的研究成果,对固体充填条带开采的采留宽进行优化设计。研究结果表明：当矿区固体充填条带开采的采宽为53m、留宽为25m时,可较好地控制地表变形、保证煤柱的稳定性和提高资源的采出率。     

建筑荷载作用下采空区顶板岩梁稳定性分析

为了给煤矿塌陷区土地的治理利用提供理论依据,对建筑荷载作用下采空区顶板岩梁的稳定性进行了分析研究。采空区顶板岩梁突变失稳过程是比较典型的偏离平衡态的非线性过程,将浅部开采老采空断裂的顶板岩梁概化为三铰拱式力学结构模型。通过力学分析,建立了顶板岩梁力学系统的总势能方程,利用突变理论,构建了采空区顶板岩梁失稳的尖点突变模型,获得了采空区顶板岩梁突变失稳的条件,并通过工程算例进行了分析和验证。研究结果表明,煤矿塌陷区地基的稳定性不仅与采动岩体受地面建筑荷载的影响程度有关,也与老采空区顶板岩层的稳定性有关。采空区顶板岩梁在地表建筑荷载扰动下,若满足稳定的条件,则顶板岩梁回转后仍然处于稳定平衡状态。否则,采空区顶板岩梁将发生突变失稳。     

建筑物下压煤条带煤柱巷柱式加固技术及应用

为了提高条带开采的采出率,可采取巷柱式加固煤柱、减小留宽的方法。通过数值模拟分析,揭示了巷柱式条带煤柱可以优化条带开采方案和煤柱加固方案,研究结果表明煤柱加固能减少留设煤柱的宽度,提高条带开采采出率。结合国内某矿特殊的地质采矿条件和巷柱式煤柱加固思想,在试验区采用拱棚木垛联合加固技术,木垛与棚架组成的巷柱式加固宽度1.5 m,间距2 m。通过井下煤柱位移监测和地表变形监测数据分析可知,井下巷柱式加固体最大竖向位移为361 mm,地表最大下沉值217 mm。煤柱加固有效地防止煤壁的破坏,地表变形得到了一定的控制,确保了建（构）筑物的安全使用。因此,巷柱式煤柱加固思想能为建筑物下采煤提供重要的途径和借鉴。     

综放沿空掘巷护巷窄煤柱留设宽度优化设计研究

护巷窄煤柱的合理留设是综放沿空掘巷技术成功实施的关键问题。基于采空侧煤体倾向支承压力分布特征以及护巷煤柱体的极限平衡理论,确定了护巷窄煤柱合理留设宽度的上、下限值解析表达式,结合山东某矿3309综放工作面的采矿地质条件,认为护巷窄煤柱合理留设宽度范围为4.1~7.2 m。为了进一步优化设计护巷窄煤柱的留设宽度,采用数值模拟方法对合理取值范围内的护巷窄煤柱留设宽度进行对比分析,认为3309综放工作面护巷窄煤柱的最优留设宽度为5m。将上述研究成果成功运用于工程实践,现场实测数据表明,结合理论分析和数值计算综合确定的护巷窄煤柱最优留设宽度可以有效控制沿空巷道围岩变形量,有利于维护综放沿空巷道的整体稳定性。     

大柳塔矿旺采工艺参数优化及矿压规律研究

 为了保证神东矿区引进的旺格维利连采技术达到安全高效生产效果,并提高煤炭回采率,对大柳塔煤矿不同旺采工艺条件下的同区域不同区段回采进行了矿压规律监测研究。通过矿压监测数据对比分析可知,平巷护巷煤柱留设10m是能够保证隔离安全的;刀间煤柱留设0.5m的煤皮能够起到辅助连采机割煤装煤的效果,而不能起到支撑覆岩作用;支巷间2.0m厚度煤柱能够起到支撑顶板做用。试验区域回采区域面积突破公司规定,回采率提高12.3%,改革旺采工艺是成功的。