区段煤柱聚能失稳关键因素及控制技术

针对综放工作面区段煤柱失稳问题,以蒋家河煤矿ZF211工作面25 m宽区段煤柱为工程背景,通过理论分析、数值模拟以及现场试验的方法分析了煤柱极限能量与侧向应力之间的函数关系,提出了煤柱弹性区失稳判据,研究了塑性区范围以及承载宽度对煤柱弹性区极限能量的影响.结果 表明:区段煤柱弹性区极限能量与侧向应力呈二次正相关关系,侧...     

变区段煤柱工作面诱冲机理及防治技术研究

针对某矿变区段煤柱工作面开采冲击危险性较高的问题,运用数值模拟方法对工作面采掘过程中煤柱区域垂直应力分布规律进行研究,分析了不同宽度区段煤柱应力积聚特征,揭示了变区段煤柱工作面诱冲机理,并制定了“近场-远场”协同卸压方案。研究结果表明,较宽的区段煤柱（30 m和55 m）受采空区侧向支承压力和超前支承压力影响,煤柱应力集中程度较高;受“近场高静载+远场动载”叠加影响,变区段煤柱工作面回采期间易诱发冲击地压;采取近场高承压煤体强卸压+远场高位坚硬顶板超前预裂断顶卸压协同控制方案后,微震能量事件始终维持在104J以下,表明控制方案能够有效降低工作面采掘期间的冲击危险性。     

冲击地压矿井综采工作面区段小煤柱合理性研究

合理宽度区段煤柱的留设对综采工作面临空巷道动力显现、冲击地压防治具有重要作用。以纳林河二号矿井2种宽度区段煤柱综采工作面为研究背景,首先,采用理论计算分析确定综采工作面合理区段煤柱宽度;其次,采用FLAC^3D数值模拟软件,分析2种宽度区段煤柱综采工作面回采期间煤柱、巷道应力场和塑性场分布特征,得到2种宽度区段煤柱条件下煤柱和巷道的力学特征;最后,收集现场微震、应力监测数据进行对比分析,验证动静载叠加条件下区段小煤柱留设合理性。研究区段小煤柱对鄂尔多斯地区综采工作面防冲具有积极意义。     

深埋煤层孤岛工作面煤柱对冲击危险性的影响分析

以某矿4^-2205孤岛工作面为研究对象,结合工作面采掘实际情况,采用理论分析、数值模拟等方法,分析该工作面冲击危险性的影响因素及煤柱失稳机理,研究孤岛工作面回采过程中的煤柱应力变化及其对冲击危险性的影响。研究表明,4^-2205孤岛工作面回采过程中区段煤柱宽度逐渐减小,煤柱应力集中程度逐渐增加,破坏程度升高,煤柱逐渐由稳定状态向塑性不稳定状态变化,冲击危险性亦升高;4^-2205工作面回采至相邻采空区切眼前后位置以及顶板初次来压、周期来压及工作面“见方”时,覆岩运移破坏严重。     

区段煤柱变形光纤光栅监测应用研究

针对近距离煤层下伏工作面过上覆遗留煤柱时,发生动静载叠加诱发强矿压显现,导致区段煤柱发生变形失稳造成人员伤亡和设备破坏。为探索基于光纤光栅实时监测区段煤柱变形发育特征,分析进、出遗留煤柱阶段矿压显现机理,将FBG、光栅应力计的光测方法相结合,结合现场实测的区段煤柱变形应力应变水平参量变化规律,研究煤柱应变空间分布规律及回采过程中工作面前方煤柱内部应变时域响应特征,验证光测方法在煤体应变水平观测的可行性。结果表明：工作面回采经过上覆遗留煤柱期间,区段煤柱顶板受集中应力影响,上部岩层块体破断并发生回转导致煤柱载荷增加,随着工作面推进覆岩断裂进一步向上传递,关键层断裂回转发生导致工作面来压,最终导致区段煤柱变形失稳。根据现场光栅应变增量幅度判断煤柱内局部变形的剧烈程度,在集中应力作用下,区段煤柱变形时发生最大应变为650×10-6,上覆岩层集中应力造成煤柱应变水平峰值位置为煤柱宽度11.5 m,沿煤柱宽度方向应变表现出先增加后减小然后趋于稳定的趋势,内部应变随采动过程中影响范围在5 m左右。综合研究工作面回采经过上覆遗留煤柱时应变对区段煤柱发生变形失稳的特点和规律,以及应变水平变化和煤柱物理...     

基于Salamon模型的采空区应力响应特征及区段煤柱合理留设宽度研究

:针对临空巷道大变形及控制难题,以陕北某矿５－２ 煤两相邻工作面开采为研究背景,提出了通过优化区段煤柱留设宽度来减小巷道变形的方法.综合采用理论分析和数值模拟,研究了不同区段煤柱宽度下采空区应力分布特征及中部应力恢复区宽度,区段煤柱载荷分布形态及演化特征,并结合区段煤柱弹塑性演化规律,确定区段煤柱合理留设宽度.结果表明:① 双面开采后,首采工作面采空区 Salamon单元垂直应力呈不对称“马鞍形”分布,且随着区段煤柱宽度的增加,应力峰值从５．８ MPa逐步减小至３．９ MPa,采空区应力恢复区宽度从１８７m 缩减至１６２m;而临空工作面采空区Salamon单元采空区垂直应力呈“尖顶拱形”分布,峰值及中部应力恢复区宽度变化不大;② 随着区段煤柱宽度的增加,其垂直应力分布形态由“拱形”逐步演化为“马鞍形”,应力峰值由３７．１９MPa逐步减小至２８．３２ MPa,垂直应力趋于均匀化,并以弹性核区占比４０％作为煤柱临界失稳判别指标,确定区段煤柱的合理宽度为２０m,与理论计算结果基本一致.     

中高煤阶煤储层水力压裂消突能量耗散特性

煤储层是一种三元孔隙结构和三相介质系统组成的弹性体,煤储层相比其他常规储层对应力的响应更加敏感。水力压裂前后煤储层弹性能发生聚集与耗散,能量耗散特性决定了消突能量失控方式及机制。本文根据煤岩表面学、热力学定律及中高煤阶煤全应力-应变物理模拟实验,提出了不同相态弹性能计算模型,探讨了压裂前后煤储层弹性能聚集与耗散特性,建立了中高煤阶煤储层水力压裂单位体积煤体消突能量计算模型,并界定压裂消突能量指标临界值。研究表明:煤基块弹性能是煤储层弹性能的主要组成部分,是破碎煤体的主要能量,煤基块弹性余能(Ec)是发动突出动力,煤体破碎后剩余弹能(?W)是抛出煤体的动力;压裂后区内煤储层弹性能减小,单位体积煤体弹性能和瓦斯膨胀能消突临界值为21.22,0.79 MJ,对应的瓦斯含量和瓦斯压力临界值为7.54 m3/t和0.77 MPa。     

动力扰动下区段煤柱稳定机理和宽度设计研究

区段煤柱宽度的确定应兼顾煤炭回收率和巷道稳定性。区段煤柱受2个工作面回采的影响,尤其第2个工作面回采时,顶板剧烈活动对煤柱产生动力扰动。利用FLAC~(3D)动力分析模块对动力扰动下煤柱稳定机理和围岩动力响应进行了数值分析。窄区段煤柱(10.5 m)受2个工作面回采影响,处于全塑性状态,但通过应力释放达到卸压作用,有效抵抗动力扰动,通过提高护表能力,可防止片帮和煤柱失稳,巷道围岩变形量明显减小,煤柱在动力扰动后承载能力仍达到5.98 MPa,满足承载需求。研究成果与现场实测相吻合。     

基于极限平衡理论的大倾角区段的煤柱合理尺寸研究

针对大倾角综放开采区段煤柱留设尺寸的确定难题,建立了相应区段煤柱力学模型,并用极限平衡理论分析及数值模拟结合的方法,研究了煤柱尺寸的理论公式、应力分布、模拟分析。研究表明:区段煤柱合理留设宽度是煤柱两侧塑性区宽度和中心弹性区煤体的临界尺寸之和;揭示了不同宽度区段煤柱受上、下区段工作面采动影响时,区段煤柱支承压力分布规律曲线;得出孟家窑煤矿大倾角煤层区段煤柱宽度为25 m时即可保持稳定。研究结果在该矿5102工作面的成功应用,可为大倾角煤层区段煤柱合理尺寸提供理技术参考。     

红庆河矿典型工作面冲击地压灾变机理及防治

针对深部高静载应力环境下采掘工作面局部应力集中导致煤岩动力事件频发的问题,以新街矿区红庆河矿采煤工作面为工程研究背景,结合工作面开采方式与采掘期间煤岩动力事件对3^-1煤层地质条件进行初步分析;运用数值模拟软件对工作面采动应力场和能量场进行模拟,分析3^-1103综采面回采过程中采场潜在的易煤岩冲击失稳区域和冲击地压孕育-灾变机制,研究危险区域煤岩灾变力源、影响因素及防控措施。结果表明：(1) 3^-1103综采面回采期间顶板岩层结构、采空区、区段煤柱等是影响冲击地压的主要因素;(2)模拟得到3^-1103综采面回采期间采场易冲击失稳区域位置及特征,确定了采场范围内存在5个强冲击性和11个中等冲击性区域;(3)提出了包括切断冲击力源、降低应力集中、阻隔高集中应力传递三个方面的采场高静载或高静载+动载区域分源防控技术,对煤岩冲击失稳危险区域回采前进行预先卸压、回采期间局部解危和防冲减冲处理。     

“刀把”工作面附近孤岛煤柱稳定性分析

以义桥煤矿已开采“刀把”工作面与接续工作面之间形成的孤岛煤柱为研究对象，采用FLAC^3D数值模拟方法研究了采动影响下孤岛煤柱体内应力集中塑性区发育情况。结果表明：接续工作面推至孤岛煤柱时，在三侧应力叠加下煤柱应力高度集中并完全塑性破坏，煤柱易失稳且易诱发冲击地压；随工作面与孤岛煤柱南端距离增大，应力集中程度随之降低，煤柱稳定性逐渐增大，冲击危险性相应减小。     

孤岛综放面穿越顶分层煤柱区煤体应力变化规律

巨厚砾岩下孤岛综放面穿越顶分层煤柱区时,随着工作面向前推移,煤柱上的支承压力越来越大,煤体失稳破坏的危险性也逐步加大。根据钻孔应力测试原理,采用钻孔应力计测试了煤体的应力,分析了煤柱区煤体应力的变化规律,确定了煤柱区煤体的危险程度;在此基础上给出了工作面矿压和上下巷变形控制的措施。     

深部大采高综采工作面区段煤柱宽度优化研究

为解决深部大采高综采工作面大尺寸区段煤柱护巷效果与煤炭资源回收率之间的矛盾,以红庆河3-1煤大采高工作面为研究背景,通过极限平衡理论计算深部采场煤柱塑性区、弹性区宽度,采用应力监测手段分析煤柱内应力分布特征,结合不同宽度煤柱数值模拟结果,得出结论:3-1401工作面回采侧与掘进侧塑性区宽度分别为6. 28m、5. 83m,并采用数值模拟计算对该结果进行了验证;应力监测结果表明,40m煤柱呈现双峰状应力分布特征,应力集中程度明显,回采侧应力峰值位于距煤壁6m位置,应力集中系数达2. 18,掘进侧应力峰值位于距煤壁5m位置,应力集中系数为1. 98;综合以上分析结论,确定该条件下区段煤柱合理宽度为25m。     

煤层压裂卸压防冲机制研究

针对彬长矿区高地应力厚煤层开采时冲击动力灾害严重问题,采用理论分析和现场试验等方法,对压裂煤层卸压防冲机制进行了研究。研究表明：煤层压裂破碎后,煤体裂纹扩展表面能降低,产生碎块数量增多,耗散能占比越大,可释放弹性能减小;煤层压裂区应力存在往非压裂区转移现象,巷道侧煤体由压裂前的塑性-弹性2区变为压裂后的塑性-弹性-塑性-弹性4区分布;压裂煤层裂隙发育,应力集中系数降低,塑性区范围显著扩大,煤体弹性能得到释放,有效地预防了冲击地压的发生。     

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．     

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．     

基于动静应力分析的复杂工作面冲击危险评价

为在回采前定量评价复杂条件工作面冲击危险等级及划分冲击危险区域,基于冲击矿压发生的动静叠加诱冲原理,以济宁三号煤矿复杂条件工作面为工程背景,提出了基于动静应力分析的冲击危险评价方法。实验室试验研究表明,煤体动力破坏的临界应力与煤的单轴抗压强度密切相关,根据煤体单轴抗压强度,确定了济宁三号煤矿复杂工作面冲击临界应力为70 MPa。采用FLAC3D数值软件,研究了工作面原岩应力与采动支承压力分布规律,得到了静载应力分布曲线。探讨了工作面过断层期间的应力演化规律,根据断层至工作面的距离,将采动作用下断层附近支承压力对冲击影响程度分为4级,即小于10 m时为塑性变形区,10～20 m为冲击弹性区,20～50 m为应力叠加区,大于50 m为原始应力区。采用理论分析,计算了坚硬顶板破断来压的能量释放规律,工作面基本顶破断步距在50 m时,释放能量达到105J,对应动载应力为10 MPa。基于动静载应力水平,给出了冲击危险等级评价与划分标准,将冲击危险性分为4级,动静载最大叠加应力小于50 MPa为无冲击危险; 50～70 MPa为弱冲击危险; 70～105MPa为中等冲击危险,大于105 MPa为强冲击危险。对123下04工作面冲击危险进行了评价与分区,与现场微震监测结果具有较高的一致性,为工作面的安全回采提供了支持。     

极近距离中厚煤层联合开采煤柱破坏演化规律与尺寸研究

文章采用现场煤体应力测试和有限元模拟结合的方法,以东大煤矿极近距离中厚煤层开采条件为依据,对巷道在工作面开采时巷道围岩的受力和变形特征进行了分析。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,得出适合东大煤矿条件的合理煤柱宽度应为6~8m,对指导类似的工程施工有一定的指导意义。     

极近距离中厚煤层联合开采煤柱尺寸优化设计

本文采用现场煤体应力测试和有限元模拟结合的方法,以东大煤矿极近距离中厚煤层开采条件为依据,对巷道在工作面开采时巷道围岩的受力和变形特征进行了分析。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,得出适合东大煤矿条件的合理煤柱宽度应为6~8m,对指导类似的工程施工有一定的指导意义。     

动静载耦合作用下工作面冲击危险的数值模拟分析

针对工作面开采过程中经常受到爆破震动、顶板垮落以及远场地震等动力扰动作用,开采过程中易诱发冲击危险。基于FLAC~(3D)数值模拟软件,以工作面静载20MPa、28MPa、36MPa为基础,在此基础上分别施加扰动应力波峰值为10MPa、20MPa、30MPa的动载作用,分析动静载耦合作用下工作面顶底板垂直应力与位移的演化规律。结果表明:静载相同时,随着动力扰动荷载的增加,垂直应力与位移受到动力扰动的现象越明显,顶底板均易出现扰动失稳;随着扰动循环次数的增加,顶底板垂直应力呈现出逐渐降低的趋势,表明煤体的损伤程度逐渐增大。同一动载扰动时,随着静载的增大,工作面顶底板的垂直应力与位移也呈现出逐渐增大的趋势,从而发生冲击危险的可能性越大。