无煤柱自成巷聚能切缝技术及其对围岩应力演化的影响研究

 基于切顶短臂梁理论,分析无煤柱切顶自成巷技术原理,结合柠条塔矿施工经验,总结出“支、切、护、封”四步成巷工艺。通过建立联孔聚能爆破力学模型,分析无煤柱自成巷聚能爆破机制,得出联孔爆破损伤贯通判据条件,并结合试验巷道围岩特性,进行聚能切缝关键参数设计。综合运用理论分析、数值模拟及现场实测,对无煤柱自成巷切缝前后工作面和巷道矿压分布规律和演变机制进行系统研究。结果表明,由于切缝结构面切断巷道顶板与工作面顶板岩体间的应力传递路径,改变顶板岩层结构形态,工作面和巷道矿压分布发生明显变化。切缝对工作面矿压影响有一定范围,切缝影响区内周期来压强度有所减小,周期来压步距有所增大。切缝引起的充填结构的支撑作用是造成工作面顶板压力减小的直接原因,来压控制关键层上的有效荷载减小是导致来压步距增大的根本原因。受切缝影响,碎石帮顶板岩体将经历“垮落→压实→稳定”的演变过程,充分利用采空区碎胀矸石的自承载特性和巷道围岩的协同支撑作用,可有效减小支护强度,增强巷道稳定性。     

重复采动巷道围岩塑性区叠加扩展形态特征及量化判别方法

重复采动巷道围岩破坏问题一直是矿业学科研究的中心问题,其研究关键在于2种应力叠加影响前后巷道围岩塑性区形态间关系.为研究巷道围岩塑性区叠加扩展形态问题,综合运用数值模拟试验及理论分析的方法,研究不同形态塑性区叠加扩展规律及形态扩展机理,提出叠加塑性区形态量化判别准则,建立以叠加塑性区形态扩展规律及判别准则为依据的叠加塑性区判别方法流程.结果表明：1)巷道围岩叠加塑性区可看作一次塑性区与二次塑性区形态的叠加;当二次塑性区呈蝶形时,蝶叶位置扩展存在不稳定性.2)揭示叠加塑性区形态扩展机理：一次偏应力产生的前态塑性区存在不可逆性,叠加二次应力后产生的后态塑性区是在已破坏围岩基础上的再破坏形式,叠加前后偏应力大小决定后态塑性区形态;不同主应力角度叠加塑性区扩展偏转位置取决于主应力偏转角.3)提出围岩叠加塑性区形态量化判别公式及判定准则,通过叠加塑性区形态系数量化判别叠加塑性区形态.4)建立叠加塑性区形态量化判别方法流程,并通过采场模型及平面模型联合分析,完善重复采动前后围岩塑性区形成扩展过程,为重复采动巷道围岩稳定性控制提供更加准确的理论依据,并通过工程实例对该方法可靠性进行验证.     

红庆河煤矿厚煤层巷道切顶卸压关键参数研究

为研究红庆河煤矿切顶卸压无煤柱自成巷开采技术关键参数,并改善3101工作面巷道及其煤柱的围岩应力环境,减小巷道大变形,进行了定向聚能爆破切顶卸压技术试验。通过有限元数值模拟软件对比计算不同切顶高度下巷道围岩的应力云图和位移云图,得出不同切顶高度下的巷道卸压效果。同时结合现场定向爆破试验效果,确定了炮孔装药量和炮孔间距。结果表明,预裂切顶后,煤柱应力峰值和巷道顶底板位移量明显减小,巷道围岩应力得到改善,围岩变形量得到控制,试验效果良好,可为切顶卸压自动成巷无煤柱开采技术提供应用参考。     

近距离煤层群下煤层开采顶板结构分析及支护强度确定

里彦煤矿16上煤和17#煤为近距离薄煤层群,在16上煤的采动影响下,17#煤顶板的应力环境和顶板结构发生变化。为了解决17#煤的顶板支护问题,采用数值模拟和理论计算分析了17#煤的顶板运动规律,得出了17#煤的回采工作面结构由梁结构变为了"类拱结构"。利用霍克-布朗强度准则和位态方程,得到了基本顶岩层被破坏后的抗拉强度及初次来压和周期来压时支架的合理支护强度。在确定了支架的工作阻力的基础上进行了支架选型,选用ZY3200/07/13型支架可以很好的满足17304工作面顶板控制的要求。     

煤矿高恒阻大变形锚索受力特性、规律及应用研究

 为解决煤矿锚索材料在缓慢大变形和瞬时大变形支护时出现的问题,采用理论分析、实验室测试、现场试验等相结合的方法,研发由恒阻装置和锚索体组成的煤矿专用高恒阻大变形锚索;室内试验得出恒阻锚索静力拉伸时,可保持350 kN的恒阻力,延伸量可达300～950 mm;动力冲击荷载时在达到极限延伸量1.6 m时,冲击阻力基本稳定在280～375 kN;恒阻锚索以滑脱破坏失效代替传统锚索的崩断破坏。在锚索受力超出恒阻值后,恒阻器进入滑移阶段,该阶段恒阻器温度呈现先陡然增加后缓慢减小趋于平缓的特征,最高温度35.6°;并且随着锚索拉伸量的增加恒阻套管外径均匀增大的负泊松比的工程材料特性,外径最大增加量4.1 mm,负泊松比值－0.5～－2.0。在回采巷道爆破冲击破坏试验、高瓦斯恒阻锚索留巷、浅埋大断面切顶成巷等大变形巷道工程中的现场试验,恒阻器滑移量最大值57 mm,具有低温、高预紧力、大延伸量等支护优势,支护效果良好,在软岩巷道支护、深井支护、冲击巷道、动压巷道等支护实践中,具有良好的推广价值。     

柠条塔煤矿大采高工作面切顶沿空留巷围岩变形机理研究

以柠条塔煤矿大采高工作面预裂切顶沿空留巷为工程背景,采用有限元数值模拟方法分析预裂切顶对沿空留巷围岩应力分布的影响。介绍了沿空留巷支护和爆破施工参数,根据围岩表面位移、顶板离层、恒阻锚索受力、液压支架工作阻力监测数据,分析了从开始留巷到变形稳定矿压显现规律。现场试验表明:切顶卸压自动成巷技术能够切断采动应力传递路径,明显降低了浅埋大采高工作面沿空留巷围岩受到的动压扰动,有效抑制了巷道围岩变形,成巷断面尺寸满足生产要求。     

上临采空区薄煤层顶板状况与综采实践

以里彦煤矿上临采空区的17304薄煤层工作面为例,分析了近距离薄煤层群上层煤采空条件下下层煤的顶板结构,在此基础上对液压支架及配套设备进行选型,并在该工作面进行了试验,对综采设备在17304工作面的适应性及控制效果进行总结改进,最终实现了安全、高效开采。     

切顶卸压沿空留巷动压承载临时支护技术研究

针对切顶卸压沿空留巷在一定时期内受动压影响显著的问题,提出了采用动压承载临时支护技术控制动压影响期间顶板变形的基本思路。通过理论计算和分析,探讨了动压承载临时支护的作用机理,得出临时支护对上位顶板岩层回转下沉产生的"给定变形"控制作用有限,其主要作用是控制下位顶板产生的扩容变形或离层。利用有限差分模拟软件FLAC~(3D)对动压承载临时支护的作用机制进行了模拟和分析,提出了动压承载临时支护的设计思路,并在柠条塔煤矿进行了现场试验,试验数据表明:在动压承载临时支护技术作用下,巷道顶板变形量普遍小于89mm,围岩控制效果良好。     

切顶卸压自成巷技术在浅埋中厚煤层开采中的应用

基于岩体碎胀特性是切顶卸压沿空留巷技术切顶参数计算和设计的关键,本文以哈拉沟煤矿12201工作面为工程背景,通过现场实测、理论分析等方法对采空区矸石碎胀特性及控制技术进行研究。现场实测表明:采空区顶板从垮落、压实到稳定,经历了三个过程,确定了每个过程的影响范围与时间效应,准确地测出采空区顶板稳定后的碎胀系数k为1.35～1.40,确定了切顶深度6m的合理性。通过建立冒落矸石稳定后力学模型,揭示了冒落矸石与留巷巷内支护的协同作用原理,提出了在工作面支架后挡矸装置采用由11#工字钢、金属网以及单体液压支柱联合而成体系进行支护,最后取得了良好的成巷效果。     

浅埋沿空留巷切缝顶板断裂条件及移动规律研究

根据浅埋煤层顶板断裂后岩块间水平挤压力较小难以形成砌体梁的特点,分析了切顶卸压沿空成巷下的巷道顶板断裂结构,建立了下位切缝上位弯曲裂缝的双边悬臂梁的断裂力学模型,推导了沿空巷道侧向基本顶沿切缝结构面裂缝扩展断裂时的切顶工作阻力;建立了侧向基本顶两种不同顶板断裂位态下围岩结构数值模型,得出了两种断裂位态下的结构移动变形规律。当切顶阻力Q?ql时,巷道顶板沿煤壁内一定深度内断裂,空区侧弧形三角板直接顶的倒台阶悬臂结构可向沿空巷道围岩传递较大破断动载和覆岩移动压力;而当切顶阻力Q≥ql并与切缝联合切顶同时作用时,则可使得垮落带内直接顶和低位基本顶沿切缝结构面断裂滑落失稳,实现顶板断裂位态主动控制,减小弧形三角板侧向悬臂传递覆岩荷载的结构长度,优化顶板承载结构和围岩应力,降低巷旁支护体承受的附加荷载。同时切落后碎胀的矸石及时充填空区将上覆岩触矸点前移,减缓了上覆岩下沉和旋转变形作用力。哈拉沟矿浅埋薄基岩大断面复合顶板切顶成巷试验结果表明:沿空巷道超前切缝可减小侧向顶板区域支架工作阻力和直接顶垮落步距,降低岩板破断引起的冲击动载,实际切顶阻力与理论计算分析结果较为吻合。