采空区矸石压缩特性对临空煤柱影响模拟研究

基于不同压实程度下,矸石堆提供的支撑反力不同从而影响临空煤柱的稳定性这一事实,主要研究了矸石压缩的体积模量与压实率关系,利用FLAC3D数值模拟软件建立地层模型,在考虑到矸石区弹性模量变化的情况下,分析了不同压实率下,煤柱的应力分布规律,以及矸石堆的应力特征。在矸石与煤柱不同位置设置监测线,结果表明:随着矸石压缩率增加大,矸石堆应力回弹期逐渐缩短,而煤柱上垂直应力回弹速度也增快,同时煤柱应力峰值减小,但不同压实率下,煤柱竖直方向上不同位置应力变化趋势均基本相同。     

千米深井大采高采场围岩应力分布规律数值分析

煤矿深部开采的应力集中异常突出,以唐口煤矿1305工作面为例,利用FLAC3D有限差分软件对千米深井大采高采场围岩应力分布规律进行数值分析。模拟结果表明:1305工作面回采时,在采空区四周煤体内形成对称的"双肺"状支承压力影响区;随着工作面推进,采场支承压力峰值及采空区上覆岩层破坏高度逐渐增大,工作面见方后,采空区顶板破坏高度与超前支承压力峰值变化趋于稳定,支承压力最大峰值约为72MPa,应力集中系数k为3.0;工作面煤壁前方与采空区两侧煤体内支承压力峰值随工作面推进向深部转移,且支承压力影响范围逐渐增大,压力峰值与工作面煤壁之间的距离基本保持在8~15m范围内。     

大倾角煤层沿空掘巷窄煤柱合理宽度数值模拟研究

采用离散元数值模拟方法研究了大倾角煤层采动应力演化规律,并依此提出了考虑侧向支承压力峰值点位置的窄煤柱尺寸选取方法。结果表明:煤层倾角大时,工作面下部垂直应力大于上部,但工作面下部垂直应力集中程度小于上部;布置窄煤柱时,煤柱宽度应小于侧向支承压力峰值点到煤壁的距离,即将侧向支承压力峰值点位于下侧工作面煤体内;选取21051工作面与21071工作面之间窄煤柱尺寸3~5m,指导了矿井采面设计。     

深部厚煤层走向支承压力动态分析

通过现场实测与FLAC3D数值模拟的方法分析了某矿1310工作面走向支承压力的变化特征,研究了工作面推进步距对支承压力变化规律的影响。结果表明,走向支承压力随煤壁前方到煤壁之间距离的增大而逐渐增大,在煤壁前方125 m处达到峰值后迅速下降,釆动影响范围为125m;顶板断裂前,支承压力逐渐增大,顶板产生回转式破断时,支承压力减小,顶板断裂下沉稳定后,支承压力也逐渐趋于稳定。数值模拟结果表明,随着工作面前方到煤壁间距离增大,支承压力在煤壁前方20m范围内迅速升高,达到峰值后,随着工作面前方到煤壁之间距离的继续增大,垂直应力最终在煤壁前方130 m处趋于稳定,且稳定度与工作面推进距离无关,均为23.75 MPa。     

采空区上覆岩层应力恢复规律的模拟分析

通过数值模拟方法对工作面支承压力及采空区应力的分布规律进行分析,得到工作面及岩层采空区应力恢复距离在覆岩内部的变化规律。依据煤层极限平衡区和弹性区的支承压力分布函数的表达式,通过载荷守恒原理对采空区应力恢复函数进行分析,得到了采动岩层采空区应力恢复函数中增长系数的变化规律。结果表明:工作面支承压力峰值位于煤壁前15 m附近,其峰值为18.5 MPa,应力集中系数为2.52,上述参数与理论计算结果误差较小,证明了数值模型计算的准确性;当岩层与煤层的垂距越大时,采空区应力恢复距离越大,且岩层采空区应力恢复距离与其和煤层的距离呈现线性增加的关系。根据采动岩层空间载荷守恒原则,采动岩层采空区应力恢复函数的形态呈现出“上凸”的形态,并且岩层与煤层垂距越大,其“上凸”的形态越明显,采空区应力恢复的过程越快。     

不同条件特厚煤层综放开采侧向支承压力分布特征

以某矿特厚煤层开采为背景,运用理论计算和数值模拟的方法,分析了不同条件下特厚煤层综放开采侧向支承压力分布特征。基于极限平衡理论计算侧向支承压力峰值距煤壁距离,运用FLAC~(3D)有限差分软件分析工作面后方采空区顶板垮落之后,煤层厚度和煤层埋深对侧向支承压力分布的影响。分析表明:煤层厚度增加时,侧向支承压力峰值逐渐降低,但塑性破坏区逐渐增大,且应力峰值逐渐远离煤壁;而煤层埋深与侧向支承压力峰值正相关,塑性破坏区也随着埋深增加逐渐增大,且峰值越深入煤体。分析掌握了不同条件下侧向支承压力较低区域,将沿空巷道及煤柱布置在此区域,利于巷道支护,对煤矿安全高效开采具有重要意义。     

基于应变软化模型的煤柱采动应力分布精细化数值模拟

以山西经坊煤业08综放工作面工程地质条件为背景,开展了工作面护巷煤柱采动应力的现场钻孔应力实测;同时,分别建立了基于摩尔-库伦(MC)本构模型以及应变软化(SS)本构模型的数值计算模型,精细研究了综放工作面煤柱采动应力空间分布及演化规律。现场钻孔应力监测及数值模拟结果表明：与传统的MC模型相比,基于SS模型的精细化数值模拟能够准确地获得综放工作面煤柱采动应力空时分布规律,其结果更接近于现场钻孔应力监测结果;基于SS模型的煤柱上的支承压力峰值位置滞后工作面40-50m,而基于MC模型煤柱采动应力峰值位置始终处于采空区中部,不能反映采空区顶板垮落破断对采动应力分布规律的影响;基于SS模型的煤柱上的侧向支承压力与工作面前方的超前支承压力分别相比基于MC模型的结果小43.3%与26.2%。研究成果对于指导综放工作面护巷煤柱尺寸留设以及巷道布置与支护设计具有一定的理论与工程指导意义。     

固体充填开采中的矸石粒径级配优化试验

针对原生矸石级配较差、在固体充填过程中压缩量大、充实率低等问题,采用理论计算、实验室试验和数值模拟等研究方法,对固体充填开采中矸石粒径级配优化进行了研究.通过分析应变随级配系数的变化规律,得到4种变形最小的级配组合.进一步分析压实破碎前后粒径变化规律和变形模量与应力之间的关系,得出级配组合为D=30 mm,n=0.3时...     

相邻采空区煤柱采动应力变化规律研究

为了研究回采过程中相邻采空区工作面不同尺寸煤柱中的采动应力变化规律,针对兴隆庄煤矿七采区冲击地压防治的实际需要,采用离散元数值模拟研究了相邻采空区煤柱的采动应力、塑性区和顶板下沉量变化规律。研究表明:开采过程中所留设的煤柱,受两侧采空区的影响而产生压力叠加,形成较高的煤柱支承压力;随着工作面的推进,煤柱中的双峰应力逐渐合二为一,应力峰值并逐渐增大,在煤柱附近及其上下方的应力集中区内,最容易产生冲击地压。实践证明:模拟结果与现场实际基本相符。     

巴彦高勒矿大采高工作面合理煤柱宽度留设研究

以巴彦高勒矿311101工作面巷道间的煤柱留设为工程背景,通过理论计算、数值模拟方法,分析了大采高工作面支承压力分布特点,得出超前支承压力分布范围为22~35 m,峰值距煤壁5 m左右。运用FLAC3D数值模拟软件模拟了不同煤柱宽度下煤柱的稳定性,确定合理的煤柱宽度为25 m,为大采高工作面安全生产及降低巷道间煤柱损失提供了技术保证。     

正断层附近煤的物理力学性质变化及其对矿压分布的影响

通过对正断层附近煤层显微裂隙、孔隙观测,力学性质实验和数值模拟分析,系统地揭示了正断层对煤的物理力学性质和矿压分布的影响。研究表明,正断层带附近煤岩体破碎,煤（岩）体中裂隙的发育程度随距断层面距离的变小而增强,煤岩力学强度越靠近断层越低;且裂隙的力学性质向断层面方向由张性向张扭、压扭性再到张性转化;断层导致初始应力场的挠动,局部产生附加应力。在采动影响下断层“活化”,随着距断层面距离的减小,工作面前方煤（岩）体中支承压力均明显增大,支承压力峰值位置向前方煤岩体中转移,在回采工作面煤壁和其前方断层之间煤柱之上压力分布类似于小的残留煤柱的情况,煤柱愈窄,压力峰值愈高,煤的抗压强度是残留煤柱承压作用的极限。     

综放面单侧采空煤柱稳定性研究及实测

在使用留煤柱护巷的长壁采煤工作面中,单侧采空煤柱的稳定是后采工作面安全顺利回采的保障.近年来随着煤矿开采强度加大,对采对掘情况比较普遍,形成的护巷煤柱将经历两次工作面回采动压影响,对煤柱的稳定产生较大影响,对巷道围岩控制带来困难,特别是在综放开采的矿井尤为明显.因此,对厚煤层放顶煤工作面及相邻巷道对采对掘形成的区段煤柱在单侧采空状态下煤柱内支承压力分布规律进行了理论计算和现场实测分析.以东坡煤矿922和923综放工作面间20m护巷煤柱为例,分析和研究了煤柱形成后各阶段支承压力演变过程,得到了单侧采空煤柱采空区侧和巷道侧极限平衡区范围计算公式、煤柱最小宽度公式;通过钻孔应力计对现场煤柱内支承压力进行实测,得到了本工作面回采超前压力的影响范围和峰值,并说明现场20m宽煤柱内存在稳定弹性核区,煤柱可进一步优化以提高采出率.     

象山矿无煤柱沿空留巷成套技术研究

基于切顶卸压沿空留巷理论及象山矿现场实践,以3号煤21311辅助进风巷切顶沿空留巷为研究对象,围绕三软煤层切顶卸压沿空留巷主要影响因素,形成一整套集巷道支护、井下设备快速运输、采空区封堵于一体的沿空留巷成套技术。对巷道表面位移及新型单体支柱支承力进行测量,研究沿空巷道在切顶卸压工艺下的围岩及压力变化规律,对新型挡矸柱挡矸效果进行分析,结果表明：单体支承压力与工作面距离成正比,离工作面越近,巷道压力越大。     

综放采场围岩支承压力分布及动力灾害的层厚效应

以谢桥矿1151(3)综放工作面地质及开采技术条件为背景，采用大型非线性三维计算机数值模拟，对不同开采高度（3.0，5.4，8.0，12.0 m）进行模拟研究.研究表明：不同采高工作面围岩支承压力分布规律存在明显差异，随着煤层一次采高的增加，工作面煤体内和采空侧煤柱内支承压力峰值呈下降趋势，峰值位置超前工作面距离增大，煤体抵抗损伤应变能的区域变大；工作面侧向实体煤支承压力峰值沿走向在工作面前方与煤层厚度无明显关系，而在工作面后方随采高逐渐降低，峰值位置离煤壁也越远.应用损伤力学和能量法分析了支承压力分布对煤与瓦斯突出层厚效应影响规律，表明综放开采随一次开采高度的增加，采场周围煤岩体内积聚的弹性能降低且抵抗损伤变形的能力增强，有利于减缓动力灾害.     

遗留煤柱下近距离特厚煤层临空掘巷合理煤柱尺寸北大核心

选择合理的护巷煤柱尺寸是临空掘巷成功和安全的前提;以某矿30503工作面为背景,采用理论分析、数值模拟和现场实践相结合的方法,对上覆遗留煤柱和本煤层相邻采空区条件下临空掘巷区段煤柱的合理尺寸进行了研究。结果表明:通过理论分析遗留煤柱沿底板应力变化规律,确定区段煤柱留设尺寸范围应在7~10 m之间;运用数值模拟分析了不同煤柱宽度条件下临空巷道煤柱应力和变形破坏规律,综合理论分析和数值模拟得出留8 m煤柱合适。现场监测结果表明,留8 m煤柱时,临空巷道顶板最大变形量为359 mm,两帮变形量为66 mm,巷道围岩变形稳定,能够满足现场实际生产要求。     

无煤柱开采条件下煤岩体支承压力的数值模拟

基于煤层的开采引起上覆岩层大范围移动和应力重分布,尤其是工作面周围煤岩体的承载应力变化这一理论,运用ANSYS对无煤柱开采进行数值模拟,观察到在开采过程中采空区上方煤岩在3个主应力方向均出现裂缝,且裂缝沿着工作面推进方向向前扩展,由此初步得到在开采影响下采空区上方的煤岩体内裂缝分布及发育情况;依据数值模拟结果,拟合出工作面周围煤岩体应力环境曲线,即减压区、增压区和稳压区3个区;通过计算得出无煤柱开采过程中支承压力集中系数的范围为2.54~2.96。同时由小煤柱的宽度与应力集中系数的关系发现：柱宽越大,相同条件下的集中系数越小,并且增幅越小。     

整合矿井沿空巷道围岩破坏机制及支护优化

针对整合矿井巷道掘进揭露采空区时煤柱宽度变小所导致的巷道持续变形、原有支护失效的围岩控制难题,分析了不同宽度煤柱条件下沿空巷道的顶板结构及应力场分布状态,得出支承压力峰值位置随煤柱宽度的变化规律,巷道原有支护失效的主要原因为围岩的应力环境差及支护强度低。通过数值软件模拟了不同巷道断面的围岩应力分布状态,提出采用U型钢可伸缩拱形支架进行原有矩形巷道断面的优化,并结合水泥背板及充填缓冲材料构建巷道空间。近两年的监测结果表明,错车硐室2表面位移值为0,巷道喷浆完好,未发生开裂剥落等破坏现象,表明采用U型钢可伸缩拱形支架进行揭露采空区段巷道的支护优化是合理可行的,为类似地质条件下的巷道支护提供了技术借鉴。     

Numerical simulation and actual research on safety and suitable position of roadway driving along next goaf

In view of the stress concentration problem left by the joint coal seams mining since the reservation of the coal pillar, it was proposed that non-pillar mining technology be used in Dongrong No.2 coal mine.The numerical simulation software FLAC~(2D) was used to draw the relationship between surrounding rock deformation of roadway driving along next goaf and the size of the coal pillar, so the safety and suitable position of roadway was determined.The distribution of lateral abutment pressure was measure...     

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。