考虑采空区矸石非均匀充填影响的倾斜煤层沿空留巷稳定性分析

倾斜煤层开采后，由于采空区顶板冒落矸石在重力作用下向下运动堆积充填采空区，使得倾斜煤层沿空留巷矿压显现规律与水平煤层不尽相同。为研究倾斜煤层采空区矸石非均匀充填对沿空留巷围岩稳定性的影响，以四川龙门峡南煤矿3131运输巷为工程背景，对采空区垮落矸石充填分区长度进行量化，并采用双屈服模型反演得到采空区矸石分区压实特性参数；并以此为基础建立数值计算模型，重点研究了倾斜煤层沿空留巷全服务周期内围岩应力场环境和塑性区分布形态的演化特征，以及承载状态下巷旁充填体的应力状态和支护性能。研究结果表明：3131工作面采空区的充填压实区、完全充填区以及部分充填区的倾向长度分别为57.20、72.18、10.62 m；对于考虑采空区分区压实特性的倾斜煤层沿空留巷而言，其工作面前方支承压力和采空区残余支承压力沿煤层倾向随深度增加而增大；相比于一次采动，二次采动时工作面前方支承压力峰值和影响范围明显增大，侧向支承压力集中程度也明显提高；留巷阶段采空区垮落带矸石对巷道顶板岩层具有一定的支撑作用，侧向支承压力有明显的应力集中；受重复采动影响，两帮塑性区破坏范围发生顺层扩展现象，且巷道顶板与采空区顶板的塑性区相贯通...     

大粒径破碎岩石承压变形特性

为研究大粒径破碎岩石承压变形特性,研制了大尺寸破碎岩石承压变形试验系统,选取某矿区典型顶板砂岩,考虑垮落区破碎岩石粒径的分布特征和受力状态,进行了正态分布的粒径级配和梯形分级加载试验。试验表明:随轴向载荷增加,破碎岩石轴向变形逐渐增大,残余碎胀系数和空隙率逐渐减小,加载较恒载阶段尤为明显;恒载初期,轴向应变增长较快,而后逐渐变缓并趋于平稳,应变时间历程呈现对数关系;加载阶段,随载荷增大,破碎岩石试样轴向应变差值呈现先减小后增大,恒载阶段,随载荷增大,破碎岩石试样轴向应变差值则呈现先增大后减小;破碎岩石承压后的变形分为瞬时压缩变形和长期压缩变形两个阶段,主要由颗粒位置调整、原始或新生小颗粒滑动填充空隙引起的;破碎砂岩试样以粒径15~20 mm为承压变形过程中的稳定粒径,试验后,粒径15 mm的含量均有增加,粒径20 mm的含量则均有减小,为破碎砂岩试样总质量的16.76%。     

侧向渗透-轴向承载下煤样破坏及水-力耦合作用机制

煤矿邻空煤柱在采空区水渗透及上覆岩层载荷作用下变形破坏特征复杂。为研究这种侧向渗透-轴向承载作用下煤柱的变形特征，通过用于圆柱形试件渗透实验的单侧水压加载装置，进行不同侧向渗透压力下的煤样压缩试验，研究煤样的破坏特征与渗透特性。结果表明：煤样破坏总体上呈非对称形态，煤样在侧向渗透-轴向承载下的变形破坏可分为压密、弹性、裂隙稳定扩展、非稳定扩展、峰后破坏5个阶段；随着侧水压力不断增大，煤样峰值强度逐渐下降，裂隙稳定扩展阶段对应的轴向应变减小，使得水能在较小轴向应变下进入煤样内部空隙中，导致煤样脆性增加，加速煤样的破坏。     

沿空留巷底板变形力学分析及底臌防控

上覆岩层垮落产生的动载荷通过巷帮煤体、巷内支护体以及巷旁支护体传递给底板,造成工作面后方一段距离的沿空留巷底臌变形加剧。为了控制上覆岩层垮落引起的底臌变形,在分析沿空留巷力学环境的基础上,建立底板力学模型,计算出沿空留巷煤帮弹性压缩区、塑性区、破裂区的宽度,以及煤帮对底板的作用力。应用关键层理论,确定顶板硬岩层位置及其破断顺序,以及垮断极限层的层位;采用顶板载荷条带分割法,计算出巷旁支护体对底板的作用力,并引入等效载荷的概念,构建底板等效载荷分布力学模型,将沿空留巷底臌与上覆岩层垮落紧密联系起来,分析上覆岩层垮落对底板的受力及变形影响,推导出底臌变形计算式。研究结果表明:上覆岩层垮落引起的底臌主要是由于塑性区煤体和巷旁支护体下方底板岩层高应力压剪破坏,以及巷道底板和采空区底板在强卸荷条件的拉伸破坏共同影响造成的。基于此,提出了降低塑性区煤体和巷旁支护体传递给底板的作用力,提高采空区冒落矸石对底板的作用力,防止巷道底板岩层拉伸破坏,巷旁支护体宽度、刚度与底板岩层强度相匹配等底臌防控措施,并应用于工程实践。     

沿空巷旁支护适应性原理与支护方法

沿空留巷作为无煤柱开采技术的重要组成,在薄及中厚煤层等条件下已经试验成功,但对于厚层坚硬顶板来压剧烈状况,沿空留巷效果差。本文在分析坚硬顶板岩梁剧烈运动特征的基础上,提出了沿空巷旁支护适应性原理,包括载荷适应性和变形适应性两方面;构建了“柔-强”组合巷旁支护力学结构模型,即采用柔性材料缓冲坚硬顶板先期剧烈沉降、高强材料承担顶板后期作用,发明了定量确定巷旁“柔-强”巷旁支护体分层厚度的方法;初步探讨了采空区矸石压缩与巷旁支护的流变协同力学特征,推导了采空区矸石压实稳定时间计算公式,分析了巷旁支护强层材料流变性能要求。现场试验表明,采用该方法实现了坚硬顶板条件下的沿空留巷,推动了无煤柱绿色开采技术进步。     

沿空巷道切顶围岩变形控制机理及工程应用

为减少薄-中厚煤层开采工作面区段煤柱损失,提出了切顶法沿空成巷无煤柱开采技术,即在上区段回采工作面运输巷内,采用张拉聚能爆破在运输巷顶板与采场侧向顶板间形成一条切缝结构面,该结构面可阻滞采场侧向顶板移动压力向沿空巷道围岩的传递,并促使侧向顶板沿切缝切落,切落矸石则隔断采空区而形成运输平巷采空区侧巷帮,矸石碎涨后充填冒落空间支撑上位岩层继续移动,从而实现沿空巷道稳定。沿空巷道切顶力学模型的理论与数值分析结果显示,巷旁爆破切缝将可传递采场岩层移动变形压力的岩梁结构改变为沿切缝切落的短臂岩梁结构,大大降低了沿空巷道受采场侧向岩层移动变形压力的作用,减小了沿空巷道围岩压力及变形量。基于该原理提出的巷内加强支护、巷旁密集支护、巷道顶板切缝等主被动联合切顶技术,在各种不同条件下薄煤层、中厚煤层切顶成巷工程实践中均取得了良好效果,实践表明,该方法可有效降低采场岩层移动对沿空巷道产生的压力,减小沿空巷道围岩变形。     

充填墙提升煤柱性能机理与数值模拟研究

在对条带煤柱破坏失稳过程和规律分析的基础上,研究了充填墙加固煤柱以提升其性能机理,对低强度膏体和高强度矸石混凝土充填墙提升煤柱性能进行了模拟及分析。结果表明:充填墙加固作用主要体现在对煤柱侧向约束和分担煤柱承载载荷上,充填墙自身强度和对煤柱的侧向约束须满足一定条件才能保证煤柱性能提升效果;充填墙主要限制了煤柱塑性破坏区煤体横向变形并使其承载能力增加而宽度减小;充填墙分担煤柱承载载荷,煤柱整体支承压力都有所降低;高强度矸石混凝土充填墙提升煤柱性能效果优于低强度膏体充填墙,相同宽度下可以分担更多煤柱承载载荷、更有效地限制煤柱横向变形并提供足够的侧向约束力;在模拟地质采矿条件下当矸石混凝土充填墙宽度3 m时为最佳,煤柱性能得到显著提升,又不至过大增加成本,煤柱整体应力分布趋于平缓、均匀,横向变形较小,3 m宽矸石混凝土充填墙可等效7.93 m宽煤柱,煤柱尺寸可减小15.86 m,煤炭采出率可提高17.62%。     

沿空留巷围岩稳定原理与控制技术研究

建立了沿空留巷上覆岩层结构力学模型,根据沿空留巷围岩载荷和变形特征,将沿空留巷分为3个阶段。研究得到沿空留巷围岩稳定机理:1巷内支护采用高阻让压支护,提高沿空留巷围岩承载能力和抗变形能力;2在采空区顶板破断和沿空留巷围岩应力调整的剧烈阶段采用高阻力巷内让压加强支护;3构筑的巷旁支护体具备:快速增阻并有较大的切顶阻力和变形能力,在上覆岩层剧烈活动阶段能有效切断采空区侧一定高度的顶板、冒落矸石有效支撑上位顶板,确保沿空留巷处于卸压状态;在上覆岩层活动趋于稳定阶段,巷旁支护体有一定的后期支护阻力,适应沿空留巷围岩一定变形与应力调整。工程实践表明:巷内采用锚杆、锚索支护,回采工作面后方应力调整剧烈阶段采用高阻力、让压巷内加强支护,采用高水材料构筑巷旁充填体,可适应沿空留巷围岩活动规律,有效控制巷道围岩变形,适当卧底后满足第2个工作面安全回采的使用要求。     

矸石充填材料侧压系数影响因素试验研究

破碎矸石在压缩过程中的侧压系数是固体充填沿空留巷工作面巷旁支护体设计的关键参数。然而以往研究中大多使用经验参数,与现场实际情况差别较大。基于此,本文在破碎矸石压缩试验的基础上,采用颗粒流数值模拟软件,通过三维扫描重构矸石颗粒并建立数值模型,确定破碎矸石颗粒流细观参数,并研究颗粒级配、加载速率对破碎矸石压实特性和侧压系数的影响规律。结果表明:破碎矸石压实过程可分为初始压密阶段、承载能力增长阶段和应力-应变线性阶段3个阶段;破碎矸石侧压系数随着压实的不同阶段不断增长,在应力-应变线性阶段趋于稳定,稳定值在0.35～0.40;加载速率增高,能够提高破碎矸石早期承载能力,同时降低早期侧压系数,但在应力-应变线性阶段加载速率对破碎矸石压实特性影响较小;矸石颗粒级配中粒径较高时,矸石轴向承载能力降低,同时侧压系数降低。研究成果可为充填开采无煤柱沿空留巷参数设计提供理论依据。     

一维动静组合加载下充填体动力学性质试验研究

充填采矿法二步回采时，充填体矿柱不可避免地受到爆破振动的扰动。开展对其动力学特性的研究对实现二步矿柱安全高效回采具有重要的理论意义和工程价值。以尾砂胶结充填体为研究对象，选取不同轴压水平，开展不同应变率的SHPB动载单轴冲击试验，对一维动静组合加载下充填体的动静组合加载强度、变形特性、能量传递规律和破坏模式进行了分析。研究表明：①在应变率近似相同的情况下，充填体试样的动态强度会随着轴向载荷的施加而呈现先增大后减小的趋势，而在轴向载荷相同的情况下，充填体试样的动态强度随着应变率的增加而增加，两者显现了较强的相关性；②充填体试样冲击试验应力-应变曲线主要分为3个阶段：弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段，没有明显体现出压密阶段，并且充填体试样在低应变率条件下并不敏感；③吸收能随入射能的增加，整体呈现增加趋势，但是增加幅度略有降低，单位体积吸收能随应变率的增加而逐渐增加，透射能的增量随入射能的增加逐渐减小；④常规SHPB情况下，充填体试样的破坏模式为拉伸破坏，组合加载条件下，充填体试样的破坏模式主要为压剪破坏。     

采空区紊流漏风相关系数的研究

利用中下分层工作面进、回风巷网上漏风的特点，建立了网上漏风数学模型，通过实测通风参数，拟合漏风强度与漏风位置的关系，揭示出网上矸石紊流漏风风阻的分布规律，得出采空区矸石漏风相关系数随矸石冒落时间的变化规律；由实测数据开始偏离回归直线的位置，可判断出漏风由紊流向层流转化的时间，为相同或类似条件下工作面采空区漏风的研究打下了基础。     

密实充填采煤沿空留巷巷旁支护体合理宽度研究

基于固体密实充填采煤的覆岩移动规律,分析了沿空留巷围岩变形特征及巷旁支护体的作用机理,得出夯实机构夯实充填体而传递来的侧压力是导致巷旁支护体失稳和变形的主要因素,据此建立了侧向压力与巷旁支护体稳定性力学模型,推导出巷旁支护体宽度计算公式.根据花园煤矿的具体条件,对不同宽度巷旁支护体的变形特征进行了数值模拟分析.结果表明,当支护体宽度大于2.5 m并采用锚带网联合支护加固后,侧压力引起的巷旁支护体变形可得到有效控制.现场工程实践证明该项技术成功有效,巷旁支护体稳定性力学模型及宽度计算公式合理.     

一维动静组合加载下充填体动力学性质试验研究

充填采矿法二步回采时，充填体矿柱不可避免地受到爆破振动的扰动。开展对其动力学特性的研究对实现二步矿柱安全高效回采具有重要的理论意义和工程价值。以尾砂胶结充填体为研究对象，选取不同轴压水平，开展不同应变率的SHPB动载单轴冲击试验，对一维动静组合加载下充填体的动静组合加载强度、变形特性、能量传递规律和破坏模式进行了分析。研究表明：①在应变率近似相同的情况下，充填体试样的动态强度会随着轴向载荷的施加而呈现先增大后减小的趋势，而在轴向载荷相同的情况下，充填体试样的动态强度随着应变率的增加而增加，两者显现了较强的相关性；②充填体试样冲击试验应力—应变曲线主要分为3个阶段：弹性阶段、屈服阶段和破坏阶段，没有明显体现出压密阶段，并且充填体试样在低应变率条件下并不敏感；③吸收能随入射能的增加，整体呈现增加趋势，但是增加幅度略有降低，单位体积吸收能随应变率的增加而逐渐增加，透射能的增量随入射能的增加逐渐减小；④常规SHPB情况下，充填体试样的破坏模式为拉伸破坏，组合加载条件下，充填体试样的破坏模式主要为压剪破坏。     

特厚煤层综放开采采空区侧向矿压特征及应用

以水帘洞煤矿3801特厚硬煤层综放工作面开采为工程背景,对采空区侧矿压显现进行了两次在线实时观测,结果如下：① 得到了采空区巷道覆岩移动、支护体受力、侧向支承压力显现特征,揭示了工作面上端头采空区侧周期来压等于走向周期来压步距,建立了采空区侧向上位直接顶“岩-矸”结构（位于煤层上方16~24 m）、基本顶“岩-梁”结构的覆岩结构模型;② 建立采空区巷道隔离墙受力模型,结合实验得到的矸石充填体“应力-应变”关系,计算得出采空区巷道隔离墙承载性能适应覆岩运动;③ 根据工作面上端头采空区侧周期来压超前于支护受力、侧向支承压力显现的时序关系,确定了覆岩运动对压力显现的主导作用。应用研究结果,优化3802运输巷与3801综放工作面煤柱宽度为8 m,较以往煤柱宽度减少22 m,已施工完毕的3802运输巷达到了预期效果,技术经济效益显著。     

大断面沿空掘进巷道窄煤柱内裂隙演化规律分析

3102回风巷道采用6 m煤柱护巷,且邻近的3101工作面开采的3-1煤层为自然发火煤层,受采空区侧向压力及掘进影响,3102回风巷道护巷煤柱变形量较大.为了确保巷道掘进安全、避免邻近采空区内遗煤自燃,采用模拟分析、现场观测方法对煤柱内裂隙演化规律进行分析.结果表明,随着3102回风巷道掘进煤柱内裂隙逐渐扩展,且煤柱内...     

破碎矸石侧限承载条件下的宏-细观尺寸效应研究

矸石充填体在承压过程中力学性能受充填体尺寸的影响较大，实验室力学参数测试结果很难反映工程实际情况。为研究破碎矸石充填体侧限承压条件下的力学性能尺寸效应，借助实验室试验和颗粒流数值模拟，从宏-细观尺度分析了破碎矸石试件的直径与径高比对其承载性能的影响。结果表明：试件直径对其宏观力学性能影响显著，随着试件直径增大其抗变形能力明显减弱；破碎矸石的孔隙率变化量随试件直径增大而增加；其压缩过程中试件两侧的矸石块发生挤压破碎，细颗粒逐步填充至试件中部，颗粒配位数随试件的可变形空间增加而增大；在应力加载阶段，颗粒逐渐破碎，颗粒力链由“环状力链”演化为“柱状力链”,平均接触力变化率表明体积大的试件更易达到抗压缩变形能力极限；矸石试件主要以拉伸破坏为主，矸石块的破碎程度随试件尺寸增加而增大。研究成果对矿山充填开采的充填物料选择具有重要意义。     

带—网—栓式矸石袋巷旁充填支护体力学性能研究

针对沿空留巷中矸石充填体的大流变性和低支护强度等问题,提出带—网—栓式矸石袋巷旁支护技术方案。该技术选取钢带、锚网、锚栓等作为矸石袋的侧向支护材料,以此约束矸石袋的横向变形、增加矸石袋的围压,最终提升矸石充填体的支护性能。通过对矸石充填体的侧向分别添加钢带、锚网、锚栓进行承压力学试验后,矸石袋的最大承载能力提高了2～5倍。同时,该技术在山西左权天一煤业公司3102工作面进行了工业试验,结果表明其具有促使巷道围岩变形减小、巷旁支护效果显著等优点,取得了较好的经济技术效果。     

带-网-栓式矸石袋巷旁充填支护体力学性能研究

针对沿空留巷中矸石充填体的大流变性和低支护强度等问题,提出带-网-栓式矸石袋巷旁支护技术方案。该技术选取钢带、锚网、锚栓等作为矸石袋的侧向支护材料,以此约束矸石袋的横向变形、增加矸石袋的围压,最终提升矸石充填体的支护性能。通过对矸石充填体的侧向分别添加钢带、锚网、锚栓进行承压力学试验后,矸石袋的最大承载能力提高了2~5倍。同时,该技术在山西左权天一煤业公司3102工作面进行了工业试验,结果表明其具有促使巷道围岩变形减小、巷旁支护效果显著等优点,取得了较好的经济技术效果。     

水力压裂基本顶沿空留巷顶板变形特征研究

摘 要：为探究水力压裂基本顶沿空留巷对巷道顶板及巷旁支护体顶部变形的影响,本文以榆家梁矿43308运输顺槽沿空留巷水力压裂基本顶工程为背景,采用FLAC3D数值模拟方法对水力压力前后沿空留巷顶板与巷旁支护体顶部的变形特征进行了分析,结果表明：沿空留巷顶板下沉量呈现由煤壁处向支护体处逐渐增大的趋势,巷旁支护体顶部变形量呈现由沿空留巷处向采空区处逐渐增大的趋势,均呈现“倾斜”特征。水力压裂基本顶前后,沿空留巷顶板平均下沉量由10.7 mm减小到7.23 mm,而巷旁支护体顶部平均变形量由16.82 mm减小到9.13 mm,沿空留巷顶板下沉量与巷旁支护体顶部变形量分别降低32.43%和45.72%。现场实测结果显示,水力压裂基本顶沿空留巷的巷道顶板下沉量与巷旁支护体顶部变形分别维持在20 mm~25 mm和60 mm~65 mm之间。水力压裂基本顶沿空留巷技术在榆家梁矿的成功应用,为其他类似矿井或工作面提供了一定的借鉴意义。     

矸石充填材料承载压缩变形时效性试验研究

掌握矸石充填材料承载压缩变形时效性是矸石充填开采顶板变形、岩层移动与地表沉陷预计的重要基础。基于矸石充填材料在采空区的受力状态,分析了矸石充填材料承载压缩变形特征,借助自制的散体充填材料双向加载试验系统,采用分级加载方式测试了矸石充填材料承载压缩特性,得到了矸石充填材料在承载过程中的瞬时与蠕变压缩变形规律。研究结果表明:1)矸石充填材料本身的强度越高,其瞬时与蠕变压缩应变越小;2)随着轴向应力增加,矸石充填材料瞬时压缩应变占总应变的比例逐渐减小,而蠕变压缩应变占总应变的比例逐渐增大;3)随着蠕变时间增加,矸石充填材料瞬时压缩应变占总应变的比例逐渐减小,而蠕变压缩应变占总应变的比例逐渐增大。