条带煤柱留设对地表移动变形影响的数值模拟研究

为了研究预留煤柱条件下煤矿开采与地表位移的关系,结合矿区煤层赋存的地层条件,在相同采出率下对赋存一定深度的煤层设计3种不同的条带开采方案,采用有限差分法对其沉陷变形特征进行模拟分析。模拟结果揭示了同一采出率下条带的留设与地表移动变形之间的关系,得出采出率和采深相同的情况下,地表移动变形与采宽呈正相关的关系,并且存在一个采宽合理范围,在此范围内开采可以有效控制地表变形量。研究结果为工程实践提供一定的理论依据。     

深井宽条带开采煤柱稳定性及地表移动特征研究

采用现场实测、三维相似材料模拟、数值模拟和理论分析,对深井宽条带法开采煤柱稳定性及地表移动特征进行研究。研究表明:深井开采其煤柱塑性区的宽度明显增大,条带煤柱承载应力分布为明显马鞍形;煤柱横向变形主要集中在边缘9.5 m内,且呈现非连续、阶跃式、突变形态。随着煤柱留设宽度的变小,煤柱塑性区宽度显著增加,条带群开采地表下沉达到了该地质采矿条件的极值,下沉系数为0.22,下沉盆地面积大,但平缓且较均匀,移动变形连续且周期长,在下沉盆地外边缘出现了地表反弹轻微抬高的现象。针对深井宽条带法开采的特点,提出了深井宽条带法开采煤柱尺寸的计算设计方法。     

条带采宽及留宽对地表沉陷影响的研究

为了揭示同一采出率条件下不同采宽及留宽对地表沉陷影响的关系，采用求解非线性大变形问题有限差分法（FLAC），对相同采深、相同采出率下不同采宽及留宽的条带开采方案进行了模拟．结果表明，地表移动和变形的各项参数值都随采宽的增加而增大．研究结论及结果，对类似的矿山有一定的指导意义，为工程实践提供一定的理论依据．     

条带开采工作面煤柱合理宽度的确定

为了充分地回采"三下"煤炭资源,提高煤炭的采出率,同时又能最大限度地减少地下开采对地表沉陷的影响,对"三下"条带开采方法进行分析。采用FLAC3D数值模拟与理论计算相结合的方法,系统研究了在采宽为20 m,留设煤柱宽度分别取10、20、30、40 m时,围岩垂直应力分布和地表沉陷规律。研究结论表明,留设煤柱宽度为采宽的1.5倍左右时,地表最大下沉量为0.042 m,"三下"开采煤炭采出率达到了40%。     

不同采-留-充开采方法下地表沉陷控制研究

基于浅埋煤层开采下的地表沉陷控制理论及控制方法,提出不同开采方法相结合的开采模式。以关键层理论为依据,试验研究为基础,并结合数值模拟分析,研究了不同采-留-充相结合的开采方法对该矿区地表沉陷的控制作用。结果表明:在充填材料中加入膨胀剂能提高充填体的接顶率;采用采-留结合的方式开采时,采25 m留25 m时地表变形最小,煤柱能够保持长期稳定性;采用采-留-充开采时,若完全置换留设煤柱,即置换25 m煤柱时,充填高度需达到4.5 m,此时充填高度等于采厚,可有效控制地表变形;若置换20 m煤柱时,充填高度只需达到4.3 m,此时充填体最终抗压强度为7.41 MPa,能够维持充填体的长期稳定。     

“条采留巷充填法”绿色协调开采技术

为减轻高强度开采对我国西北地区地表及生态环境的破坏,结合条带开采与充填开采的优势,提出了一种“条采留巷充填法”部分充填的协调开采方法。采用理论分析与相似模拟相结合的研究方法,给出了条带开采的采留宽、沿空留巷的巷旁充填宽度和充填率的确定原则,分析了巷旁充填体提升条带煤柱稳定性的作用原理及置换煤柱开采的覆岩稳定性。以哈拉沟煤矿22407工作面地质条件为工程背景,确定了合理的工艺参数并进行了数值模拟研究。结果表明:在开采尺寸达到充分采动后,覆岩中的亚关键层4最大下沉量为12 mm,可推知地表基本不出现下沉,取得了良好的地表沉陷控制效果。该技术为降低充填成本,保护地表生态环境提供借鉴。     

基于采场覆岩空间结构的宽条带开采技术研究

基于采场覆岩空间结构理论,分析厚硬岩层组在控制地表沉陷中的作用.根据厚硬岩层组与煤柱组成的空间支撑结构原理,提出大采宽留宽宽条带开采设计思路,并推导该宽条带开采参数的设计方法,理论分析了其可行性和优越性.结合现场实例,设计相应的条带开采参数,通过FLAC^3D数值模拟和现场观测相结合的方法,对比分析了大采宽留宽条带开采实施前后地表下沉系数,以及对地表沉陷的控制效果.结果表明,基于采场覆岩空间结构的大采宽留宽宽条带开采技术是可行的,能够在控制地表沉陷的同时,提高了条带开采的效率和资源回收率.     

基于采场覆岩空间结构的宽条带开采技术研究

基于采场覆岩空间结构理论,分析厚硬岩层组在控制地表沉陷中的作用.根据厚硬岩层组与煤柱组成的空间支撑结构原理,提出大采宽留宽宽条带开采设计思路,并推导该宽条带开采参数的设计方法,理论分析了其可行性和优越性.结合现场实例,设计相应的条带开采参数,通过FLAC3D数值模拟和现场观测相结合的方法,对比分析了大采宽留宽条带开采实施前后地表下沉系数,以及对地表沉陷的控制效果.结果表明,基于采场覆岩空间结构的大采宽留宽宽条带开采技术是可行的,能够在控制地表沉陷的同时,提高了条带开采的效率和资源回收率.     

厚黄土层矿区建(构)筑物下条带开采合理尺度设计方法

针对西部厚黄土层压煤矿区建(构)筑物条带开采合理采留尺度设计难题,以霍州煤电集团丰裕煤业12采区为工程背景,综合运用理论分析、工程类比及现场实测等方法,从地表允许变形值、煤柱稳定性、回采率三方面,研究并提出厚黄土层矿区建(构)筑物下条带开采合理尺度多因素设计方法。研究结果表明:关键层理论确定条带开采最大采宽不大于66.19m;采宽—基岩厚度比确定条带开采宽度不大于88.13m;煤柱稳定性理论确定条带留宽不小于50m,综合确定丰裕煤业12采区采用"采60m留60m"的开采方案并进行了应用。岩移观测表明,12采区地表建(构)筑物在Ⅰ级变形范围之内。该设计方法由原来的采4留7变为采6留6,采出率由37.5%提高到50%。相关设计方法对类似条件下的厚黄土层矿区压煤开采具有一定的借鉴意义和推广价值。     

深部带状充填开采复合承载体变形特征研究

深部条带固体充填开采可以有效控制地表移动和变形,是解决高潜水位平原矿区建筑物下压煤开采的有效途径。宽条带状充填体和煤柱形成的复合承载体直接支撑控制上覆岩层变形,其变形特征和稳定性是控制地表变形的关键因素;同时,由于深部开采条件下采动应力水平的急剧增加,复合承载体中煤柱的破坏失稳可能诱发顶板突发性移动造成的矿压安全事故。为此,本文结合平顶山十二矿深部密实矸石充填开采地质采矿条件,采用离散-连续耦合数值模拟方法对深部带状充填开采复合承载体的应力承载和破坏特征进行了试验研究,在此基础上采用极限平衡法建立了复合承载体中煤柱破坏的力学模型,得到了煤柱破坏与复合承载体中充填体承压均值和煤柱承压极值相对覆岩自重应力的应力集中系数k0,k1的关系;采用数值模拟方法分析了充填体孔隙率和充填面宽度对应力集中系数k0,k1的影响,对实际工程煤柱留设和充填参数设计提供理论和设计依据。     

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。     

建筑物下压煤胶结充填条带开采模式

为了解决条带开采回采率相对较低和煤矿采空区全部充填开采成本相对偏高的问题,同时有效地控制建筑物下采煤围岩变形和地表沉陷,提出了采空区胶结充填条带开采模式,并阐述了该模式的技术思路;以胶结充填体和覆岩结构联合控制开采沉陷为原则,深入研究胶结充填条带开采模式下不充填区工作面采宽和充填区工作面采宽及两者间的协调关系,并求得了两者间的关系式;该模式对建筑物下开采设计是十分有效的,能够有效地控制地表移动和变形,提高采区回采率,以实现建筑物下安全采煤并最大程度地减少充填开采成本。     

“采-充-留”协调开采技术原理与应用

我国岩层移动控制主要采用条带开采、充填开采和协调开采方法。针对条带开采采出率较低、全采全充成本较高的问题,提出了一种"采-充-留"相结合的部分开采、部分充填、部分煤柱的协调开采方法,给出了留设煤柱、充填开采工作面、垮落法开采工作面的布置方式和采充留尺寸确定原则,分析了由充填体与小煤柱所构建的联合支撑体的作用原理和形成非充分开采的岩层移动控制实质。通过模型试验验证了该方法对地表下沉的良好控制作用,揭示了其控制覆岩及地表移动的机理。采用"采-充-留"协调开采技术,对某矿村庄下采煤试验区进行了方案设计,地表移动变形预测表明,该技术具有良好的减沉效果,建(构)筑物的损害等级可得到有效控制。该技术为提高滞压资源采出率、降低充填成本、减缓地表损害,提供了新的手段。     

基于关键层理论的建筑物下条带开采技术

为解决西细庄矿建筑物下煤炭资源回收的问题,结合其实际地质条件,运用关键层理论计算出5煤覆岩关键层的位置及其破断距;由于主关键层离地表较近,以亚关键层2为设计依据,确定了条带开采的采宽不大于70 m;结合采出率对条带开采的影响,提出了条带开采方案,并运用煤柱强度相关理论对其进行稳定性校验。运用理论分析和数值模拟对所提方案的煤柱应力和地表变形进行分析,并根据模拟结果确定出了合理的条带开采方案。     

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。     

跳采充填采煤法在村庄下采煤的应用

为了解放村庄下煤炭资源,综合条带法、充填法、跳采法的技术优点,提出采用超高水材料作为充填物,并将工作面划分成若干条带进行跳采充填。以邯郸矿区某矿为例,研究了地表移动变形规律。观测结果表明:采用该方法在平均埋深340m,采高为4m的近水平煤层开采时,地表最大下沉值为1174mm,减沉率约为61.5%,最大倾斜变形为10.6mm/m,最大曲率变形为-0.28mm/m2,采出率为89.2%,且下沉盆地范围明显减小;如果调整跳采顺序,使得地表最大变形区域人为可控,有效地保护了地表重要的建(构)筑物。该方法用于控制地表沉陷效果明显,为"三下"采煤工作提供了一种行之有效的新方法。     

许厂煤矿矸石置换充填开采模式研究

 针对许厂煤矿面临的村庄建筑物下压煤、矿井上下矸石大量堆积等问题,提出了在煤柱中掘进巷道并利用矸石回填以置换开采出部分条带煤柱的新技术。在条带开采后所留设得大煤柱中集中布置2条宽4.0m、高5.0m得矸石充填巷,巷间煤柱宽4.0m,利用井下产生的矸石对该巷道进行回填。通过对充填巷道围岩变形监测,测得两帮移近量最大为20mm,顶底板移近量最大为17mm;配合地表运动监测分析得出,地表下沉效果不明显,可保证地表建筑物的变形在I级变形之内。     

膏体充填条带开采技术

为了解决煤矿采空区全部充填开采成本相对偏高的问题,同时有效地控制煤矿开采地表沉陷和保证承压水上采煤的安全性,提出了煤矿膏体充填的条带开采技术,该技术以煤层顶板(关键层)、受承压水影响的底板极限垮落步距和条带煤柱留设的理论为原则,设计了膏体条带充填的充填宽度和留设宽度,并对影响条带充填体稳定的充填体尺寸、物料的配比、充填体空间的围岩岩性、地质构造和充填体侧向应力等因素进行分析。理论分析证明该技术构成的"煤层底板—充填条带—上覆岩层—主关键层"的结构体系能够有效控制地表下沉和减少底板破坏深度,达到承压水上建(构)筑下安全采煤的需求并最大程度地减少充填开采成本。     

高水材料充填置换开采承压水上条带煤柱的理论研究

针对山东埠村煤矿911采区开采条件,提出了利用高水材料充填方法对承压含水层上已经开采的条带煤柱进行二次置换开采的技术思路。从充填体稳定性以及置换充填开采对底板破坏的影响等方面分析了其技术可行性,确定了采区高水材料充填置换开采承压水上条带煤柱的合理方案,即首先对条带老采空区（平均采宽15 m）进行充填,待其充填体强度达2.2 MPa后对条带煤柱（平均留宽20 m）进行回收,回收过程中每间隔一个条带煤柱进行一次充填,该方案共需要充填体体积占采区采出煤层体积的65.6%。