长壁留煤柱支撑法开采顶板结构分析及应用

采用长壁留煤柱支撑法开采时会产生两个问题：一是煤柱尺寸留设过小，在限定的开采区域内会发生工作面切顶事故;二是煤柱尺寸留设过大，又会形成跨几个区域大面积顶板垮落事故.为了解决这两种顶板垮落问题，建立了＂连续梁＂力学模型，计算出不同位置、不同性质的煤柱受力状况，并运用RFPA2D软件对郭家湾煤矿采场围岩破坏进行了数值模拟，对顶板结构进行了分析，并得出两种问题顶板垮落的不同特征.据此，提出了设立关键点和关键区的监测方案，通过监测不同敏感区域的煤柱，来解决这两种顶板灾害问题.     

短壁工作面隔离煤柱稳定性研究

在短壁机械化开采中,煤炭回收后的采空区一般采用全部垮落法处理顶板,为防止顶板的大面积垮落,对回采空间产生不利影响,需留设一定宽度的隔离煤柱。文章采用理论计算与数值模拟方法,研究在煤柱两侧均采空的条件下,不同宽度隔离煤柱应力分布特征、煤体破坏规律;分析在煤柱采空一侧顶板大面积垮落时对隔离煤柱的影响,从而得出了神东矿区某煤矿隔离煤柱的留设宽度,研究结果为该矿区短壁工作面参数的确定提供了依据。     

老窑复合采空区下煤层安全开采技术研究

针对房采采空区下近距离煤层开采时上覆煤柱易失稳,易引发大面积顶板整体垮落灾害的问题,研究了房采采空区下煤层顶板破断特征,并以山西元宝湾煤矿为工程背景,分析了复合采空区下6#煤层顶板大面积垮落的可能性,研究了元宝湾煤矿复合采空区下煤层开采顶板致灾机理。在此基础上,以工作面安全回采为前提,为最大程度地降低顶板处理工程量,提出了以"采前预处理、采中监测分析跟进处理"为原则的顶板处理方案,为相似煤层开采提供借鉴。     

煤柱回收可行性分析

目前,我国内蒙古地区许多煤矿利用房式开采工艺,只采煤房不采煤柱,这必然留有大量的煤柱、顶煤及边角煤,不但使优质的煤炭资源浪费,还造成残煤自燃、地表突然塌陷等自然灾害.针对围岩条件和房式开采结果不同,提出了煤柱回收工艺及回收基本方法:以履带支架支护煤房顶板,逐排回收煤柱和顶板,然后推进支架,强迫顶板垮落,然后回收下一排煤柱.设计开发了煤柱回收的成套设备,包括连续采煤机、梭车和履带行走式液压支架.经分析指出,煤柱回收成套设备应用于煤柱回收工艺是可行的.     

中小煤矿在浅埋薄基岩下开采灾害防治研究

长壁留煤柱采煤法是陕北煤田中小型煤矿在采用单体支柱难以抗御剧烈的动压显现，在采空区留煤柱以支撑顶板防止切落而采用的一种特殊的采煤方法．在有限煤柱群的支撑下，顶板可能形成大面积悬露不垮，最终导致大面积整体垮落，这种大面积垮落的机理不同于坚硬或极坚硬顶板大面积垮落．针对陕北煤田中小煤矿采用的长壁留煤柱开采，其防灾减灾的技术目标是区分两类不同性质的煤柱，即区内煤柱和区域间的隔离煤柱，实现隔离小区域的适时无灾害垮落，防止跨隔离区的大范围垮落．建立防止大型顶板事故的“设计-诊断-监测-识别-对策”体系．     

浅部条采老采空区受荷载影响的模拟研究

采用相似材料模拟试验研究了建筑荷载影响下的条采老采空区覆岩和煤柱失稳破坏过程。研究表明:随着荷载增大,老采空区覆岩和煤柱在附加应力作用下变形破坏,在采空区上方地表加载时,覆岩呈"鼓形"破坏形态,而后岩层断裂垮落;在煤柱上方地表加载时,煤柱受压缩在边界上方发育高角度纵向裂缝,而后采空区覆岩垮落失稳,沿发育的裂缝切冒至地表。     

急斜放顶煤开采围岩破坏规律立体模拟研究

通过大型组合堆体立体模拟架，对急斜煤层开采过程中围岩及上覆层变形破坏特征进行了模拟研究．研究发现急斜水平分段放顶煤开采围岩破坏主要向顶煤和顶板两个方向发展．顶煤在冒放过程中可能成拱．随着工作面的推进和顶煤的放出，破坏向上发展．煤层开采后形成的沉陷由最初在地表生成的孔洞发展为孔洞间的贯通．形成塌陷坑．随着塌陷坑周边岩体的垮落，最终形成主要沿顶板及走向发展的深槽形塌陷坑．沉陷表现为反复多次沉陷，塌陷坑内垮落体整体呈现为由底板侧朝顶板侧的台阶式下降分布．     

开采沉陷力学的研究与发展

描述了采场开采后的周围岩体内的应力重新分布，采场顶板及其覆岩的受力、沉降、垮落破坏的过程，进而论述了开采沉陷力学的研究就是开采沉陷变形与采场矿山压力的结合研究。介绍了以黏弹性基础梁建立的地表下沉公式，指出了采用数值模拟、室内模型与现场实测相结合的方法，利用非线性大变形力学研究建筑物受开采沉陷破坏的力学机理。     

煤矿顶板突水事故数值模拟分析

应用东北大学岩石破裂与失稳研究中心(CRISR)自主开发的F-RFPA^20渗流与应力耦合分析系统，对煤层顶板随着开采的逐步进行，采动裂隙逐渐向上发展并最终与含水层连通，进而导致煤层顶板突水的全过程进行了数值模拟，直观地显示了煤层顶板的变形、破坏过程以及突水前后渗流场的变化情况，阐明了煤矿顶板突水事故通常由采动裂隙引起的突水机理．当垮落带与裂隙高度没有达到含水层高度时发生顶板突水的可能性较小，反之亦然．因此准确确定煤层顶板垮落带和断裂带高度，对于进一步确定煤层开采深度上限，合理留设防水煤柱具有重要的意义．     

急斜煤层阶段煤柱稳定性与顶板控制研究

为了保证急倾斜煤层综放时的生产安全,采用物理相似模拟实验对急斜煤层水平分段放顶煤开采时顶板的破断垮落规律和煤柱与顶底板的一体结构进行了研究。研究结果表明,在阶段煤柱的支撑下,急斜煤层的顶板极难垮落,很容易出现大面积悬顶现象。而阶段煤柱的连锁破坏,加速了工作面上方巨厚覆岩的大面积垮落,最终导致矿震。     

高强度开采综放工作面区段煤柱合理宽度与控制技术

针对高强度开采综放工作面区段煤柱合理宽度留设问题,以羊场湾煤矿为工程背景,建立了综放工作面侧向基本顶破断结构模型,推导出低应力区范围表达式及其影响因素;采用FLAC3D数值模拟软件分析巷道掘进和本工作面回采期间不同煤柱宽度下巷道围岩应力与位移演化特征。研究表明:(1)高强度开采综放工作面因采场尺寸大、推进速度快、断裂步距大,导致内应力场范围亦大于常规工作面。(2)高强度开采综放工作面区段煤柱宽度的确定,应充分考虑多次剧烈采动、基本顶破断、巷道大断面等因素,结合试验工作面地质生产条件确定内应力场范围6.31~7.58 m,合理煤柱宽度为9~14 m。(3)本工作面回采期间,覆岩结构被再次激活,致使围岩变形破坏加剧,煤柱宽度10~14 m时,煤柱具有一定自稳能力并承担较少的顶板载荷,综合考虑各因素确定合理煤柱宽度为10 m。(4)受高强度开采及基本顶破断等因素影响,窄煤柱沿空巷道可能诱发大范围破碎、煤柱帮大变形及顶板不对称下沉等变形破坏,要实现此类巷道围岩稳定性控制应对煤柱帮和顶板重点加固,据此,提出了非对称围岩控制技术,并进行现场应用,巷道控制效果明显。     

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。     

综放沿空巷道围岩系统稳定性的UDEC模拟分析

厚煤层综采放顶煤开采的沿空巷道顶、帮均为煤体或煤柱,其稳定性问题十分突出。本文以南屯煤矿综放沿空巷道为原型,进行了围岩稳定性的离散元数值模拟,提取表征巷道围岩系统的顶板下沉量ydis、煤柱表面水平位移xdis、煤柱垂直应力syy等指标,判断巷道的稳定性,确定合理的煤柱尺寸和支护方式。通过综放沿空巷道稳定性的离散元数值模拟分析,得到了一定地质条件下,综放沿空巷道稳定性与煤柱尺寸及支护方法的一些关系,对煤矿成功解决综放沿空巷道的支护,提高围岩稳定性,具有一定的现实意义。     

复合水体下特厚煤层综放开采安全性研究

为解决采空区和地表塌陷积水组成的复合水体下综放开采安全性问题,以灵露煤矿一采区Ⅱ3特厚煤层所面临的由Ⅱ2-1煤层采空积水和地面塌陷积水组成的复合水体下开采为例,采用工程类比和理论分析相结合的方法,计算得出了综放开采覆岩破坏高度以及防水、防砂和防塌安全煤岩柱高度|基于采空区积水区和开采煤层之间的距离与安全煤岩柱高度的差值,采用克里格差值法分别绘制了采空区积水对开采煤层充水、溃砂和防塌的影响图,综合分析了一采区Ⅱ3受顶板复合水体威胁情况,最终评价了复合水体下综放开采的安全性。研究结果表明：一采区开采能满足对地表塌陷积水留设防水安全煤岩柱的要求,地表塌陷水体下特厚煤层综放开采是安全的|对复合水体采取留设安全煤岩柱,物探和钻探疏放水相结合等综合防治水技术措施后,复合水体下综放开采是安全可行的。     

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。     

近距离煤层开采分组集中大巷稳定性数值模拟分析

针对西北地区某矿近距离煤层开采分组集中大巷稳定性问题,建立了近距离煤层开采分组集中大巷稳定性数值计算模型,分析了近距离煤层开采后顶板位移、顶板应力、围岩应力演化规律、锚杆（索）预应力场以及裂隙场演化规律。结果表明：（1）近距离煤层开采之后,大巷煤柱两侧的顶板发生断裂垮落,距离大巷煤柱越远,顶板下沉量越大;(2)随着近距离煤层开采,大巷之间保护煤柱的集中应力逐渐消失,工作面两侧大巷保护煤柱中出现10 MPa的应力集中现象,应力降低区范围大大增加,应力转移到左右工作面大巷保护煤柱中;（3）随着煤层开采,大巷围岩在地应力场与锚杆（索）预应力场的叠加场影响最小主应力的压应力逐渐增加,并在巷道周围形成了一个闭合连续的压应力带,其范围不断增大,最小主应力值逐渐减小,且下层煤的开采使上层煤的大巷锚杆（索）所受的力增加;（5）下层煤的开采使得上层煤两侧工作面大巷保护煤柱的剪切破坏带深度增加,最大破坏深度增加14 m,下层煤的大巷只在两帮出现深度为2 m的剪切破坏区,而两侧工作面的大巷保护煤柱出现10 m的剪切破坏。     

采空区留煤垛技术对综放工作面矿压显现规律影响研究

以酸刺沟煤为工程背景,采用数值模拟和现场实测等方法对6上105-2综放工作面矿压显现规律进行对比分析。研究表明:无煤垛和留煤垛条件下,随着工作面支架支护强度增大,煤壁片帮值和顶板下沉量均减小,相同支护强度条件下,留煤垛开采时,煤壁片帮值和顶板下沉量均较小,工作面支护效果明显优于无煤垛开采。     

大同矿区地表沉陷类型及成因初探

为研究大同矿区地表大面积沉陷成因,对不同采煤方法引起的不同沉陷类型进行分析,总结出大同地区坚硬顶板具有大面积冒落的特征.同时,通过对顶板冒落前煤柱受力情况和地表塌陷机理进行了模拟,得出如下结论:在采空区部分煤柱丧失承载能力后,上部覆岩将围岩应力转移到周边仍具有一定承载力的尚未完全失效的煤柱上,致使相邻煤柱发生破坏,产生"多米诺骨牌"连锁破坏效应,并最终引起坚硬顶板冒落,造成地表大面积沉陷.     

近距离房柱采空区下长壁采场顶板垮落特征研究

为了研究近距离房柱采空区下长壁采场覆岩随时间变化的渐进破断过程和采动裂隙的发展演化规律,以唐山沟煤矿某工作面为工程试验背景,采用物理相似模拟、顶板下沉梯度分析和图像增强算法方法研究了11-2煤房柱式开采后下部近距离的12煤长壁采场顶板岩层破断垮落及裂隙扩展情况.通过实验观察,并从能量释放的角度对岩层运移变化进行分析,结果表明:在近距离房柱采空区下,采用长壁回采工艺时,上部煤柱随时间变化产生破裂失稳,上覆岩层的能量以周期性的方式积累和释放,同时,每隔一个大的周期,有较大能量的突然释放.在此过程中,长壁采场顶板裂隙发育明显,裂隙扩展迅速,裂隙易与上部房柱采空区煤房导通,加速煤柱失效,并形成导水通道.     

野川煤矿3103回风巷口顶板淋水成因分析

为解决野川煤矿一采区3103回风巷口顶板淋水问题,对顶板充水条件进行分析,查明了顶板淋水来源于相邻矿井老空区积水的横向补给;运用ABAQUS对综放开采条件下的受力及变形破坏进行数值模拟,表明矿界煤柱存在塑性破坏区,但依然保存有弹性区;电法和微地震探查表明,煤柱宽度为17~20 m,存在失稳可能性;后采用钻探证实,两矿界煤柱宽度≥60 m,安全评估认为不存在失稳可能性,不会发生相邻矿井采空区积水导致的突水问题,后经开采验证,评估结论可靠。