特厚煤层综放工作面回撤通道支护技术研究

针对酸刺沟矿特厚煤层综放工作面回撤通道围岩支护与稳定的难题,基于现场实测和数值模拟,分析了回撤通道围岩的变形破坏特征,提出了回撤通道锚网索联合支护技术。结果表明:当工作面距离回撤通道30 m时,围岩塑性破坏范围开始增大,当工作面距离回撤通道10 m时,围岩塑性破坏剧烈,工作面贯通后,回撤通道顶板塑性区深度到达7 m,靠近煤壁侧的顶板破坏深度更深,煤柱帮塑性区深度达到3.5 m。根据回撤通道围岩变形破坏特征,坚持主控"顶板和煤柱帮"的原则,采用锚网索联合支护,并在6上109回撤通道成功应用,实现了工作面设备顺利回撤。     

上盘采空断层下盘开采的煤柱宽度优化研究

在断层和采动影响下,下盘工作面断层侧煤柱宽度制约着工作面的安全生产。以黄陵煤矿二盘区 203下盘工作面为工程背景﹐采用理论分析、数值模拟和相似模拟相结合的方法﹐研究上盘工作面采空后﹐下盘工作面断层侧煤柱上方载荷与煤柱尺寸之间的关系﹐揭示煤柱宽度为30,26,22,20,13和6 m时的位移、应力演化及塑性区分布特征,分析煤柱宽度为30 m时的覆岩结构特征,并通过综合分析,优化了工作面合理煤柱宽度。研究表明:上盘工作面采空时,在断层和采动的影响下,随着煤柱宽度的减小,下盘工作面断层侧煤柱上方的载荷分为载荷降低区、载荷过渡区和载荷稳定区;当煤柱宽度为30 m 时,下盘工作面断层侧高位岩层出现离层,煤柱上方应力集中程度大于另一侧,承载能力强,稳定性高;当煤柱宽度减小至22 m 时,靠近断层侧的顶板最大下沉量和应力集中程度显著增大,煤柱开始发生塑性破坏,承载能力逐渐减弱﹔当煤柱宽度减小到l3 m时,断层侧塑性区向工作面两端及上方发展至贯通煤柱,煤柱稳定性较差﹔当煤柱宽度减小至6 m 时,靠近断层侧顶板最大下沉量和应力集中程度继续增大,塑性区继续发育。通过相似模拟试验研究发现,当煤柱宽度为30 m 时,顶板垮落并充填采空区,下盘工作面断层侧煤柱上方无明显变化。经综合分析,确定下盘工作面断层侧煤柱的合理宽度为 18~22 m,可提高工作面回采率,同时可保证工作面安全生产。     

特厚煤层综放面区段煤柱合理尺寸研究

根据金庄矿8203特厚煤层综放面实际,采用理论分析、数值模拟以及现场实测相结合的方法确定了区段煤柱合理宽度。理论研究了煤层厚度、应力集中系数、煤层强度对煤柱宽度的影响,确定区段煤柱宽度应大于23 m。采用FLAC3D模拟了煤柱宽度为16 m、20 m和24 m时,其两侧工作面开采过程中煤柱内塑性区和应力分布及变化规律,模拟结果表明煤柱宽度为16 m、20 m时,在两侧工作面回采的过程中,塑性区将会贯通煤柱;当煤柱宽度增加到24 m时,塑性区没有贯穿整个煤柱,煤柱内部存在8 m宽的弹性区。现场实测表明左侧工作面回采过程中煤柱破坏宽度为5 m左右,右侧工作面回采阶段煤柱破坏宽度为15 m,故首采工作面采用30 m宽的煤柱尺寸偏大,同理本研究也为后续工作面选择合理的区段煤柱尺寸提供了指导。     

深部煤层采动流固耦合效应下陷落柱突水机理研究

以淮北矿区下组煤开采为例,研究煤层深部开采扰动诱发陷落柱突水机理,建立了陷落柱突水模型。基于FISH对FLAC3D进行二次开发,研究流固耦合效应下工作面推进不同步距条件下,陷落柱破坏特征。结果表明:深部高地应力及高承压水耦合作用下,随着工作面回采推进,陷落柱产生侧向塑性破坏。在采动影响下塑性破坏区范围不断地向外扩展,工作面前方的裂缝带与陷落柱塑性破坏区之间的完整岩层宽度在不断地减小,当工作面推进50m时,距陷落柱30m处二者相连通,形成突水通道,诱发陷落柱突水。研究揭示了矿井深部煤层采动流固耦合效应下,陷落柱突水的过程与机理。     

预掘双回撤通道稳定性机理及控制技术研究

为解决预掘双回撤通道贯通时回撤通道围岩稳定性问题,通过理论分析、数值模拟和现场实测相结合的方法,研究分析了回撤通道贯通时围岩破坏机理、通道间合理煤柱尺寸、工作面贯通不同位置时围岩塑性区分布与应力分布规律。结果表明：主、辅回撤通道间煤柱理论宽度为20 m,此时煤柱内部应力分布呈现双峰状,辅助回撤通道围岩应力较小;20 m煤柱条件下,工作面进入末采期,主回撤通道围岩逐渐破坏,辅助回撤通道围岩塑性区范围较小,因此确定主、辅回撤通道间煤柱宽度为20 m。工作面末采期主回撤通道采用垛式支架加强支护,现场实测主回撤通道帮部最大变形量180 mm,巷道完整性较好。     

新集二矿1煤组采场底板应力场分布及破坏特征研究

为了研究1煤组采场底板的应力场分布及变形破坏特征,基于新集二矿220108采煤工作面的实际工况,运用有限差分数值模拟软件FLAC构建二维数值模型,得到煤组采场底板应力场、位移及塑性破坏带的分布云图。结果表明:工作面开挖以后,在上覆岩层和下部承压水耦合作用下,底板形成一定范围的拉应力区,采空区两端产生剪应力集中区,底板发生底鼓变形,随着工作面的推进,拉应力区范围增大,剪应力集中区也不断向底板延伸,采空区底板垂直位移最大可达844.5 mm,可能会导致底板隔水层发生破坏;围岩的塑性破坏带最先出现在采空区两侧,随着工作面的推进,塑性破坏带范围逐渐增大并向底板扩展延伸,当工作面推进到100 m时,底板隔水层两端的塑性区相互融合,成为导水通道。     

灵新煤矿地下水库煤柱坝体合理尺寸研究

近年来,煤矿地下水库技术已成为西部地区保护和利用矿区水资源的重要手段,地下水库矿井水已成为西部地表生态灌溉的重要水源之一。以西部矿区灵新煤矿近距离倾斜煤层群采掘地质条件为工程背景,针对该矿首座煤矿地下水库建设过程中遇到的煤柱坝体留设问题,采用数值模拟的方法,分析了六采区工作面开采和水库储水压力两大因素对煤矿地下水库煤柱坝体的影响。研究表明:相关工作面回采后,会在煤柱坝体及邻近围岩中产生塑性区,随着煤柱坝体宽度的增加,煤柱坝体及附近围岩中塑性区相互贯通的趋势逐渐减弱。当煤柱坝体宽度增至50 m时,塑性区相互贯通的现象消失;当煤柱坝体宽度增加到60 m时,煤柱坝体及邻近围岩中的塑性区间距(塑性区未贯通区域)扩大至40 m左右。在储水压力作用下,煤柱坝体及邻近围岩中的塑性区裂隙将发生二次扩展,随着水压的增大,裂隙扩展长度逐步增大,在3 MPa水压(储水高度300 m)作用下塑性区裂隙扩展长度达到5 m左右。因此,为防止水力作用下煤矿地下水库透水灾害的发生,认为煤柱坝体合理尺寸应取60 m。     

残煤复采工作面围岩稳定性研究

以某煤矿921复采工作面为研究对象,采用理论分析、数值模拟、现场实测等方法,探讨了复采工作面围岩破坏机理。结果表明:工作面与老巷间煤柱宽度为1.9 m时,煤柱失载,造成工作面悬顶距增大,工作面围岩破碎。利用平面离散元UDEC软件模拟不同采高下围岩破碎特征,分析得到了工作面合理采高,当采高为2 m时,相对于采高为2.4 m和3 m,工作面压力较小,煤柱破坏程度低,通过对工作面顶板和煤壁位移的分析,得出煤柱宽度大于16 m时,3种采高下工作面围岩位移相差不大且绝对值较小,煤柱小于16 m时,工作面围岩位移开始增大,2 m采高下工作面围岩位移相对较小。     

断层保护煤柱合理宽度及工作面合理宽度数值模拟研究

结合某矿井实际地质条件,运用数值模拟软件FLAC3D建立含断层的数值计算模型,分析研究了在不同宽度的断层保护煤柱和不同宽度的工作面相互组合条件下的围岩的塑性破坏情况。当煤柱宽度为60 m时,随着工作面宽度的增加,围岩塑性破坏区一直增大,在靠近断层一侧的顶板岩层塑性破坏较明显,这主要是由于断层周围的岩石比较破碎,围岩强度较低造成的。根据研究结果,确定断层保护煤柱的合理宽度为60 m,工作面的合理宽度为75 m,为断层周围煤层的安全回采提供了一定的科学依据。     

区段小煤柱破坏规律及合理尺寸研究

为了防止煤柱冲击地压现象、改善工作环境并提高回采率,采用现场观测法,分析了沿空掘巷小煤柱以及工作面煤体内应力变化、超前支承压力的影响范围,以及小煤柱煤巷变形破坏规律,并通过数值模拟分析了4种不同宽度煤柱的塑性区变化范围．结果表明,煤柱的破坏情况受煤柱宽度影响较大．小煤柱外边缘,即临近上区段采空区部分受回采影响已基本呈塑性状态;内边缘即靠近本区段煤体部分,在距工作面4m左右开始进入塑性破坏状态;煤柱宽度在6～8m之间时中部存在一定范围弹性核．适合崔庄煤矿条件合理区段煤柱宽度应为6～8m．     

浅埋近距离煤层工作面过三角形斜交煤柱开采应力演化规律研究

针对浅埋近距离煤层工作面过上覆三角形遗留煤柱开采,存在顶板局部来压强烈和区段煤柱应力集中导致的巷道大变形等问题,以寸草塔二矿31109工作面为研究背景,采用现场实测、数值计算和理论分析相结合的方法,研究过三角形煤柱两次采动叠加应力的大小和范围的演化规律,揭示两次采动区段煤柱压力变化规律和相邻巷道破坏机理,明确巷道加强支护的范围和重点支护范围与时机。研究结果表明：上覆三角形斜交煤柱对其下方工作面煤层形成应力集中,最大应力位置位于斜交区段煤柱之下;当下煤层31206工作面开采后,31109区段煤柱应力上升为最大应力,应力峰值区位于与上覆斜交区段煤柱叠合区附近,峰值区宽度为240 m,对应该区域巷道变形破坏较明显。31109工作面开采过程中,在工作面煤壁与上覆斜交煤柱叠加区和工作面区段煤柱与上覆斜交煤柱叠加区存在应力峰值区,形成应力双峰;随着工作面推进,双峰应力不断升高,且煤壁应力峰值区逐步向区段煤柱方向移动,当工作面推进到区段煤柱叠加区时,双峰合并为更高的单峰应力;在工作面出斜交煤柱时区段煤柱应力达到最大,出煤柱叠加区后应力迅速减小;总体上,31109工作面开采后区段煤柱应力峰值区最大应力...     

区段小煤柱破坏规律及合理尺寸研究

为了防止煤柱冲击地压现象、改善工作环境并提高回采率，采用现场观测法，分析了沿空掘巷小煤柱以及工作面煤体内应力变化、超前支承压力的影响范围，以及小煤柱煤巷变形破坏规律，并通过数值模拟分析了4种不同宽度煤柱的塑性区变化范围．结果表明，煤柱的破坏情况受煤柱宽度影响较大．小煤柱外边缘，即临近上区段采空区部分受回采影响已基本呈塑性状态；内边缘即靠近本区段煤体部分，在距工作面4m左右开始进入塑性破坏状态；煤柱宽度在6～8m之间时中部存在一定范围弹性核．适合崔庄煤矿条件合理区段煤柱宽度应为6～8m．     

大采高综采工作面煤壁片帮机理分析

为了研究综采工作面的矿压显现规律,在现场实测基础上,运用数值模拟的方法,对不同采高、不同工作面长度条件下工作面煤壁前方塑性破坏区的分布规律进行了模拟研究。结果表明:随着采高和工作面长度的增加,工作面煤壁前方出现塑性破坏的范围越来越大;当工作面长度为220 m时,随着采高的增加,工作面煤壁前方出现塑性破坏的范围呈现扩大的趋势;当采高为4.5m时,随着工作面长度的增加,工作面煤壁前方出现塑性破坏的范围也呈现扩大的趋势。     

叠加采动影响下保留巷道围岩破坏机理及其控制技术

以布尔台煤矿上下煤层叠加采动影响下保留巷道严重变形破坏为工程背景,采用理论分析、现场监测、实验室试验、数值模拟和工业性试验等综合研究方法,从巷道围岩塑性区形成和发展的角度,对巷道围岩破坏特征、采动应力时空演化规律、保留巷道塑性区恶性扩展破坏机理、应力调控围岩控制技术方面进行系统研究。结果表明:上下煤层叠加采动后,保留巷道处于高应力比值带,主应力比值为1.84～2.22,最大主应力与竖直方向夹角为39.7°～41.9°,导致巷道围岩塑性区恶性扩展,顶板破坏深度7.5 m,底板破坏深度4.5 m,煤柱帮破坏深度3 m,煤壁帮破坏深度2.25 m。基于塑性区破坏机理提出应力调控技术,通过改变煤柱尺寸或上下工作面开采布局等手段调控围岩应力,减小围岩塑性破坏范围,并进行工业性试验,取得良好的应用效果。     

高瓦斯综放工作面区段煤柱合理尺寸确定

为确定区段煤柱的合理尺寸,从保持煤柱稳定性所需宽度条件入手,建立煤柱两侧塑性破坏区理论计算公式。结合现场实测数据,提出留设煤柱宽度27、30、33 m 3种方案;利用FLAC3D数值软件分析了下区段工作面回采时煤柱及巷道的应力场及塑性变形特征。研究结果表明,当区段煤柱宽度为27 m时,煤柱两侧应力集中现象明显,塑性破坏深度包络帮锚杆全长且巷道边缘处于应力增高区,不利于巷道稳定;当煤柱宽度达到30、33 m时,巷道围岩情况明显改善。综合考虑3个"有利于"原则,确定常村矿2207工作面区段煤柱合理宽度为30 m。     

常村煤矿区段煤柱尺寸数值模拟研究

针对常村煤矿区段煤柱尺寸优化问题,采用FLAC3D建立考虑上、下工作面采动影响的数值模型,对煤柱及回采巷道围岩进行分析。结果表明:现场煤柱宽度27m条件下,回采巷道在报废时煤柱两侧塑性破坏范围及应力峰值不对称,弹性核宽度减小至13m;考虑安全系数1.3,则煤柱宽度增加至35m较为合理;工作面距测站50m~60m时煤柱应力及塑性破坏范围开始快速增大,巷道变形量也开始快速增大,因此超前支护距离应大于60m。     

综放开采超长工作面区段煤柱宽度优化分析

针对综放开采工作面区段煤柱尺寸优化问题,以某矿19106工作面为工程背景,利用FLAC~(3D)数值分析软件对采空区侧向支承压力分布和塑性区破坏范围进行模拟分析。结果表明:塑性区分布形成了一定范围的拉剪破坏区域,巷道的布置要尽可能避开该区域。考虑到受双侧采动影响,煤柱内存在较大的弹性区(5 m),弹性区的存在使得煤柱的承载能力提高,区段煤柱最终确定为20 m。     

综放工作面区段煤柱合理宽度优化研究

为了合理确定兑镇煤矿工作面区段间的煤柱宽度,在保证巷道支护稳定前提条件下,减小煤柱宽度,提高煤炭采出率,通过对现场采集的煤层及顶底板煤岩样进行了煤岩体的物理力学参数测试,采用FLAC3D数值分析软件,建立了工作面回采过程中不同宽度区段煤柱的力学模型,对比分析了3种不同煤柱宽度时围岩应力、变形及塑性区分布规律的差异。结果表明：16 m宽的煤柱可以较好地减小工作面推进过程中煤体的应力集中程度、塑性区范围及侧向位移,减少煤柱宽度,最终确定了区段煤柱合理的宽度为16 m,工作面实现安全回采。     

不同推进方式下断层工作面围岩应力演化研究

基于正断层采用FLAC~(3D)研究了上下盘向断层不同推进方式开采下断层影响区工作面围岩应力演化规律,结果表明:上盘开采时工作面前方煤体垂直支撑应力峰值大于下盘工作面,不论是上盘向断层推进开采还是下盘向断层推进开采,随着工作面逐渐接近断层,断层前方煤体的垂直支撑应力先增大后减小,主要是因为煤柱较宽时能够承载工作面前方的垂直支撑应力叠加,但是当煤柱宽度减小到一定程度时,煤柱发生整体塑性破坏使得承载能力降低,同时随着工作面逐渐向断层推进,工作面端头两侧煤体的垂直支撑应力逐渐增大,成为主要承载区。     

残采工作面过空区相似模拟研究

以圣华煤业3#煤层残煤复采工作面过6 m空区为工程背景,通过建立空区顶板关键块的力学模型,运用1∶30比例的物理相似模拟实验,对比研究随着工作面推进,空区内有无充填体两侧煤体应力和围岩的破坏情况。研究表明:通过老顶力学模型算出空区充填体的支护强度为3.82MPa。充填过空区基本顶初次垮落步距由30 m减少到24m。充填区距工作面8m时煤柱弹性核区宽度约为5 m,煤柱塑性破坏由4 m减小到1 m,充填体内产生最大应力为3.96 MPa。