基于高精度微震监测的承压水上底抽巷合理位置研究

以古汉山矿1604工作面为研究背景,采用高精度微震监测和数值模拟,研究了工作面回采过程中底抽巷围岩动态破坏特征以及底板突水危险性。结果表明:工作面两巷外侧底板岩体在沿空侧与沿实体煤侧出现不对称能量释放现象,其中沿实体煤侧运输巷外侧底板破坏尺度最大,深度约30 m;底抽巷位于底板下12 m、内错运输巷8 m位置时,巷道围岩释放能量密度值介于5～50 J/m~2,结合巷道围岩变形监测结果认为底抽巷位于该位置时受开采扰动程度较低;若底抽巷位于运输巷正下方或者外错于运输巷,围岩释放能量密度值均大于100 J/m~2,受开采扰动程度高。数值模拟结果表明底抽巷内错回采巷道8 m时处于底板卸压区,位于回采巷道正下方和外错回采巷道时处于应力集中区,受采动影响程度高,与微震监测结果较吻合。     

复杂构造带条件下底板岩巷控制技术研究

为减少矿井瓦斯涌出量,工作面底板瓦斯抽采巷道被广泛采用。由于受采动支承应力及地质构造带的影响,围岩应力大、稳定性差,因此,结合工作面开采时底板应力分布分析底板巷道稳定性,对采动影响下地质构造带底板岩巷围岩变形破坏机理、变形规律及控制手段进行研究具有十分重要的意义。为解决构造带底板岩巷开采过程中的控制问题,本文以某矿10414机巷底板瓦斯抽采岩巷为工程背景,采用理论分析、优化支护设计方案及参数和工程实践相结合的研究方法,对底板岩巷失稳主控因素及其破坏机理、围岩强化控制技术进行了研究。     

深部承压水上底抽巷围岩破坏特征及合理位置

针对赵固二矿区域瓦斯治理需开掘底抽巷与承压水上开掘底抽巷易引发底板突水之间的矛盾,通过承压水影响下的圆形巷道围岩塑性区边界方程,分析了底抽巷围岩塑性区的分布特征与底板突水危险性之间的关系;采用数值模拟研究了工作面开挖后的底板应力分布状态及底抽巷布置在不同位置时的围岩破坏特征及相应的突水危险性。结果表明:底抽巷围岩塑性区的非均匀分布会显著减小底板隔水层厚度,增加底板突水危险;工作面开挖后底板应力根据其双向应力比值大小及应力加卸载状态可分为4个区域且按对底板突水危险的影响程度可排序为:卸压高应力比值区卸压应力比值稳定区增压低应力比值区原岩应力比值区。据此提出了赵固二矿底抽巷的合理位置为沿待采工作面法向布置,并在规划的煤柱中部下方的L9灰岩上部砂质泥岩层中沿底掘进。     

深井跨采巷道围岩应力分布及变形规律模拟研究

基于煤矿跨采过程中存在的工作面矿压显现加剧、巷道围岩难于控制等现实问题,结合具体工程条件,应用FLAC数值模拟软件对上方工作面开采过程中的巷道围岩应力分布特点及围岩变形移动规律进行了模拟研究,得出了工作面前方移动支承压力在底板的传播引起底板岩层处于应力升高区,位于该区内的底板巷道,随着工作面的推进,巷道依次处于原岩应力区、应力升高区、卸压区和卸压稳定区,且在工作面距离跨采巷道前后50 m范围内,应力集中程度较强。在跨采期间,巷道的主要变形发生在工作面跨巷道的时间段,2帮应力集中程度强于顶底板,并引起巷道一定程度的变形。     

动压巷道多次扰动失稳机理及开采顺序优化研究

应用计算机模拟、现场实测和理论分析综合研究方法,分析了煤层群开采条件下的张集煤矿1113(1)工作面轨道巷多次扰动失稳机理,并对煤层群邻近层多工作面回采顺序进行了数值计算,再现了不同开采顺序下的底板动压回采巷道围岩力学环境。研究表明：目前采用的邻近层交错同采方式,1113(1)工作面轨道巷失稳的力学本质为,本工作面回采活化了已破坏的上覆层间似连续-非连续-散体结构,加剧了工作面前方受多重采动影响的轨道巷浅部高应力环境下的大范围持续强变形,突出表现为巷道底鼓强烈;回采顺序显著影响煤层群回采巷道围岩稳定性,下行开采下伏回采巷道受扰动程度最低,巷道变形及围岩破坏范围最小;邻近层对应同采,下伏工作面轨道巷受上覆工作面底板聚压影响区高应力、巷道开挖、本工作面开采扰动等多重因素叠加作用,巷道围岩破坏范围最大、变形最严重。煤层群开采采区设计中应尽量采用下行开采,同时避免或减少巷道受多次采动影响。     

近距离煤层群下行开采底板应力分布与瓦斯抽采技术研究

针对沙曲煤矿近距离突出危险煤层群开采的瓦斯防治难题，采用室内试验、数值模拟现场试验等研究手段对近距离煤层群下行开采底板应力分布特征与卸压范围及钻孔瓦斯抽采布置有进行分析。结果表明：煤层群各顶底板岩层物理、力学性质呈现不均匀分布，表现为岩层间横向性质相近，垂向岩性差异性较大的典型层状分布。其中，3号、4号、5号煤层间顶底板均为密度较大、内聚力较大、抗拉、抗压强度均较高的砂岩。4号煤层开采后采空区中部底板岩层一定范围内出现明显的垂直应力为0MPa的区域，底抽巷处在卸压区范围内，采空区中部下方底抽巷围岩垂直应力低于5MPa。底抽巷布置在距5号煤层14m处是合适的。工程实践表明，抽采半年后瓦斯压力由1.5MPa降至0.2MPa，平均抽采率维持在80%以上，采用底抽巷抽采瓦斯效果较佳。     

迎采动宽煤柱承载特性及矿压显现规律研究

单翼开采矿井为解决采掘接替紧张的问题,常会出现迎采对掘的情况,而迎采动掘巷期间,矿压显现规律和煤柱宽度的确定是巷道掘进及安全回采的关键。以炭窑坪煤业100303运输巷迎采掘巷期间为工程背景,采用理论分析、数值模拟、现场监测等方法,对煤柱的合理宽度及迎采期间的矿压显现规律进行研究分析。主要结论有：通过理论计算,煤柱在受到掘进扰动和工作面采动的双重影响下,确保煤柱不完全发生塑形破坏且存在弹性核的宽度至少为30 m。数值模拟发现,掘进迎头至相遇位置前方20～30 m时,围岩变形开始增大,煤柱帮和回采帮变形量均超过0.5 m。当掘进至采空区后方一定距离后,围岩因同时受掘进扰动与采空区侧向支承应力的叠加影响,变形增幅加快,煤柱帮变形严重,最大变形量超1 m。提出100303运输巷掘进距100302综采工作面70 m时,停止掘进,在迎采扰动范围内,优化支护参数,提高煤柱承载能力。现场监测表明,巷道顶底板和两帮均变形较小均在可控范围内,有效控制了迎采动工作面掘巷的围岩变形。     

采动影响下底板岩体及巷道破坏时空演化特征分析

明确工作面底板采动应力分布规律,实现采动影响下底板岩体及巷道破坏程度的精准把握,能有效防止底板巷道的变形失稳。为此,根据极限平衡理论,构建煤岩体超前采动应力力学模型,获得支承压力扰动阶段和采空区卸压阶段底板岩体的力学分布规律,并基于压剪破坏准则及岩体卸荷损伤机制,得到底板岩体及巷道围岩破坏时空演化特征,进一步采用数值模拟进行可靠性验证。结果表明：采高增大,工作面前方煤体塑性区范围增大,超前支承压力集中系数减小;超前采动支承压力越大,底板岩体内主应力差越小,莫尔应力圆半径小,对底板的影响强度减弱,具体表现为底板岩体压剪破坏深度的减小;卸荷后底板岩体受力状态相同,岩体卸荷起点的增大,卸荷量增加,卸荷张拉破坏加剧,底板岩体塑性区呈“马鞍形”;推进过程中巷道围岩塑性区发生由“椭圆形”-“蝶形”-“竖直椭圆形”时空演化特征,采动支承应力越大,巷道破坏越严重,破坏主要集中在顶板及肩角位置。设计初采高度为3.5 m,通过布设光纤测试系统,得到采动过程中底板岩体及巷道随工作面推进变形与破坏的时空演化规律,测得底板岩体破坏深度最大为16.7 m,巷道围岩破坏深度最大为5.2 m,巷道围岩体在整个监测期间...     

深部近距离煤层群采动力学行为探索

我国深部近距离煤层群赋存开采比重大,采动力学机理不清,导致开采效率低,安全事故频发。深部煤岩体所表现出的物理力学特性及变形破坏特征较浅部有着本质差异,尤其在深部近距离煤层群开采条件下,临近工作面扰动影响将导致更加复杂的采动应力重分布过程。针对深部近距离煤层群采动影响下巷道围岩控制难题,依托平煤十二矿己_(14)和己_(15)深部近距离煤层群工程实践,在己_(15)-31030工作面进风巷内开展了巷道收敛变形、锚索应力现场原位监测试验,理论计算了近距离煤层群底板破坏范围并推导得出了巷道围岩变形速度公式,初步揭示了深部近距离煤层群采动力学行为。研究表明:己_(14)煤层底板破坏深度理论值约21.24～30.88 m,上覆煤层采动影响导致本煤层采场边界改变,巷道顶底板及左右帮收敛量约400 mm,巷道收敛变形量随采煤工作面推进呈现阶梯式缓慢增长与指数式快速增长两阶段模式,其中指数式快速增长阶段为巷道变形的主要阶段;锚索应力随采煤工作面推进呈现"近线性增长—跃阶式降低"两阶段演化模式,顶板锚索应力平均变化率、峰值应力均显著高于巷帮相应参数,巷道顶板采动效应较巷帮更为明显;锚索应力峰值点滞后最大收敛变形位置约40 m,采动影响时效相比单一煤层开采大幅延长约35 m,采动应力变化率及其峰值分别降低约53.5%,24.5%,己_(15)煤层采动影响范围约105 m;巷道围岩变形速率与距采煤工作面距离呈现反比例函数关系,在此基础上,进一步推导得出深部近距离煤层群距采煤工作面不同距离处围岩变形速度预测公式,并对比现场原位监测数据验证了该公式的合理性。研究成果可为同类深部近距离煤层群的巷道围岩变形速度预测、巷道支护及采矿技术优化等工程问题提供参考。     

构造型近距离煤层群底板瓦斯抽放巷控制机理与应用

针对构造型近距离煤层群的地质条件,建立了构造区底板瓦斯抽放巷屈曲破坏的力学模型。通过计算得出结论：当巷道顶底板所受轴向压力大于0.8倍使梁达到屈曲的最小轴向压力时,变形明显增大;顶底板变形破坏导致两帮出现压缩破坏;巷道围岩破坏的发展与支承压力转移程度密切相关。结合力学分析、理论研究和矿井巷道围岩与开采环境条件,提出了底煤层开采动压产生裂隙导通上煤层瓦斯通道的底板瓦斯抽放巷控制机理与支护新技术,确定近距离煤层群两工作面巷道的相对距离为35 m,达到了近距离煤层群巷道掘进与工作面开采的瓦斯立体抽采的要求,既控制了瓦斯浓度,实现了安全开采,又保证了民用瓦斯用量。     

跨采影响下巷道围岩变形力学机制及其控制技术

以鹤煤公司九矿东总回风巷为工程背景,采用理论分析和数值模拟方法研究了跨采期间巷道围岩应力、位移和塑性区的变化特征。结果表明,跨巷采动导致巷道围岩垂直水平应力比值发生变化,应力比值最大为1.34,是巷道发生变形破坏的主因;巷道最大破坏部位位于顶板与底板部位,顶板破坏深度已超过锚杆锚固范围,底板破坏深度为3 m左右,并因缺乏支护导致底鼓。因此,必须在跨采工作面回采前,对顶底板进行加固,使塑性破坏区域位于锚固范围以内。     

底板巷注浆变形破坏特征的相似模拟研究

随着能源需求的增加和开采深度的不断增加,浅部资源日渐枯竭,矿井已进入深部开采阶段,所面临的工程灾害也日益增多,尤其是瓦斯突出对矿井的高产高效的开采带来了巨大威胁,采用底板巷对工作面进行提前预抽瓦斯是瓦斯治理的一项主要措施。由于鹤煤公司三矿4101底板巷和4101运输巷相距10 m以内,底板巷受到多次扰动,4101底板巷变形严重,因此需要对底板巷进行全断面注浆,来控制底板巷的稳定。运用相似模拟试验的方法,分别观测底板巷注浆和未注浆下其上部轨道巷的变形破坏情况,通过从巷道围岩的位移变化规律和围岩裂隙演化规律等方面进行对比,结合相似模拟实验结果可以看出,底板巷注浆提高了其上部巷道围岩稳定性,并为同类地质条件底板巷注浆变形破坏特征相似模拟提供了一定的借鉴。     

采动影响下瓦斯综治巷围岩稳定性控制技术

控制采动影响下瓦斯综治巷围岩稳定性是高瓦斯矿井亟待解决的支护难题,通过理论分析、数值模拟、现场试验等方法探究了切顶卸压技术在潘三矿瓦斯综治巷稳定性控制的实施效果。理论分析得出瓦斯综治巷所在岩层处于工作面开采后形成的裂隙带层位,巷道周边原有集中应力与工作面侧向采动支承压力叠加,引起瓦斯综治巷应力环境恶化,且采动应力场起主导作用。数值模拟研究表明实施运顺切顶卸压技术措施后,巷道两帮应力集中程度降低,应力集中系数减小,围岩破坏程度减弱,破坏范围减小,有效地改善瓦斯综治巷围岩应力环境。现场监测表明,实施切顶爆破技术措施后,对瓦斯综治巷的卸压保护效果有一定滞后,首个切顶炮孔前100m范围内瓦斯综治巷仍变形明显,但变形量随着切顶范围的增大逐渐减小,巷道维护状态逐渐改善;首个切顶炮孔前100m范围以外,远场卸压及应力阻断效果明显,瓦斯综治巷基本无剧烈变形破坏情况,巷道维护状态良好。     

综放面瓦斯抽采高抽巷布置参数优化分析

为了确定高抽巷的合理位置,进而保障矿井的安全开采,根据阳泉煤业集团和顺新大地煤业有限公司15201综采工作面的地质参数,结合瓦斯高抽巷的相关经验,确定了煤层开采过程中的关键层,采用导水裂隙带经验公式粗略估算出高抽巷的大致位置后,以UDEC软件对高抽巷的变形破坏情况进行数值模拟,最终确定了高抽巷的理想层位。分析结果表明,在走向高抽巷位于工作面9倍采高时,巷道顶底板移近量及两帮移近量都较小,巷道断面完整性较好。     

突出矿井叠加应力影响巷道围岩破坏特征及控制对策

以晋煤集团寺河煤矿巷道为工程背景,研究叠加应力影响下巷道围岩变形破坏特征,表现出剧烈底鼓、巷帮严重收敛、顶煤破碎下沉、长时间持续变形、支护体严重破坏等特点,在此基础上分析得出强烈耦合高应力、初期支护强度刚度不足且后期补强不及时、瓦斯抽采导致巷帮煤体强度降低是巷道变形破坏的三个主要影响因素。针对井下巷道中存在的问题,提出围岩控制对策和改进意见。     

高河矿双侧采动大巷变形破坏分析及合理煤柱尺寸留设研究

针对高河矿2#煤层大巷受双侧工作面采动影响导致巷道围岩大变形的问题,采用现场监测、数值模拟的方法,研究了大巷在双侧采动条件下的变形破坏特征及应力分布规律,并结合围岩变形量理论及锚杆锚索应用性验证确定出合理停采线位置。结果表明:双侧采动后北胶巷围岩最大破坏深度可达4m、顶底板移近量在0.5m以上,北轨巷距离采空区远,采动影响小,变形破坏小;单侧采动时停采线前方45m后主应力趋于稳定,双侧采动时停采线前方56m后主应力趋于稳定,且对称分布;双侧采动时距停采线60m以内的围岩塑性区面积大且呈非对称性,距停采线70m以上时塑性区较小且形态规则。结合围岩变形量理论及锚杆索应用性验证确定合理停采线位置为70m,应用于下区段的2309工作面和2304工作面,结果显示巷道变形得到明显控制,效果良好。     

新峪矿采空区下近距离巷道矿压特征研究

为研究采空区下近距离巷道的矿压特征,通过现场围岩变形监测分析了回采期间巷道的围岩变形规律,采用数值模拟的方法研究了巷道围岩应力的变化规律。 结果表明:巷道的竖向收敛量是两帮收敛量的2.02~3.09倍;距工作面10m的范围内,是采动影响的剧烈区,两帮在此区域受到的影响更为显著;巷道靠煤柱一侧围岩,竖向应力均呈现出一直增长的趋势,采空区的出现破坏了其下方围岩应力变化曲线的指数函数分布形式;上层采空导致了下层工作面的顶板不完整,支承压力作用明显减弱,影响范围仅为5~10m,相比常规类型巷道,影响范围大大缩小;由于上层煤柱侧向支承压力的存在,帮部岩体易因受压膨胀而破坏,引起顶板整体下沉,采空区渗水会加剧铝质泥岩的底板隆起。     

顶板瓦斯尾巷采动变形规律及控制技术

为研究顶板瓦斯尾巷采动变形破坏规律,结合五阳煤矿7605高瓦斯综放面地质条件,采用物理模拟和FLAC3D数值计算方法,对顶板瓦斯尾巷和回采巷道围岩应力分布和塑性区发育特征进行了分析。结果表明:工作面充分采动后,在煤壁前方10～16 m范围内出现应力叠加集中区,最大竖向应力集中系数2.72。现场采用瓦斯尾巷围岩控制技术后取得了较好效果。     

基于3DEC的大采高回采巷道围岩变形特征研究

为探究大采高回采巷道围岩变形失稳特征,通过3DEC数值模拟软件,以22204辅助运输平巷为背景,分别分析了巷道围岩裂隙发育、应力分布、位移分布以及塑性区分布特征。研究结果表明：大采高回采巷道围岩裂隙发育、变形具有非对称性,随着工作面向前推进,巷道围岩位移量不断增大,其中较大水平位移向巷帮中上部及顶板位置转移,且靠近煤柱一侧巷帮水平位移、裂隙发育较为显著;采动影响下巷道围岩发生了一定程度的剪切破坏,导致其煤岩体应力释放,且煤柱长期处于高应力状态,因而靠近煤柱一侧的巷帮及巷道顶板塑性破坏较为严重和频繁。基于此,明确了大采高回采巷道围岩变形的重点防控区域,为该类巷道围岩稳定性控制提供参考。     

近距离煤层群底板拦截钻孔抽采回采工作面卸压瓦斯技术研究

根据赤峪煤矿近距离煤层群开采及瓦斯含量在10 m3/t以上等特殊条件,采用近距离煤层群底板拦截钻孔抽采回采工作面卸压瓦斯技术,利用在3号煤层的掘进巷道施工拦截钻孔,拦截钻孔抽采3号、4号煤层卸压瓦斯,降低回采过程中3号、4号煤层卸压瓦斯涌入2号煤层采空区的量。该技术通过在赤峪煤矿中央采区C1204工作面试验结果表明,底板拦截钻孔抽采回采工作面卸压瓦斯技术可替代底板抽采巷施工底板卸压钻孔,不仅有效的降低煤层瓦斯含量、压力,保证了工作面安全生产,同时节省了底板抽采巷因变形严重需要维修的费用。