Calculation of rock mass stresses considering rock mass–support interaction in mines

The article describes a proved method to calculate stress state of support and surrounding rock mass, considering roof and wall rocks displacement until the contact with the support. The method is based on the use of the intact rock mass stiffness matrix formed prior to mining. Modeling of drivage using the method of initial stresses allows splitting the problem into two subproblems: the first subproblem is on mechanical state of rock mass during roof and wall rocks displacement, the second subproblem describes joint deformation of roof rock, walls rocks and support. The cases of stress calculation for rocks and support, considering support installation conditions, are described. The stress behavior depending on the value of roof and wall rocks displacement until the contact with the support is determined. The features of the method application in case of greatly different mechanical characteristics of rocks and support are discussed.     

Stress state of rocks surrounding excavations under variable Young’s modulus

Deep-level mining needs extra data on physical behavior of rocks at great depths (under high stresses). Without such data, any computations for deep-level technologies based on analogy with shallowdepth technologies are non-diagnostic. Elastic moduli of rocks may depend on the accumulated plastic deformation and their reduction is considerable in the known tests of metals. It seems interesting to study the influence of this property of rocks on distribution of residual stresses and displacements. Elastic transformation of an excavation after drivage (relief of stresses) largely affects surrounding rock mass and results in origination of a transition layer around the excavation. A local drop of deformation energy takes place in the surrounding rocks, which reduces stress concentration. The problem is studied based on an analytical solution obtained for a deep round excavation subjected to constant value compressive stresses at infinity and a solution taking into account the Young modulus. The article offers an algorithm for geomechanical condition of rocks and determines ranges for stresses and displacements in the zone of influence of excavation. Examples of calculations are given, and the results are discussed.     

大采高综采工作面切眼扩刷支护技术研究

针对大采高综采工作面切眼扩刷情况下矿压显现剧烈、应力集中严重和支护困难等难题,本文以木瓜矿S10-102大采高首采面切眼为例,分析了锚杆索在切眼支护中所起到的作用,结合现场地质条件提出了“锚网梁+锚杆(索)”联合支护方案。现场试验与矿压观测结果表明,该支护方案通过改善围岩体的力学特性,提高了切眼围岩整体强度和稳定性,控制了切眼顶底板及两帮变形,保障了采煤工作面开采初期支架安装期间的安全性。     

大采高工作面覆岩空间结构变化矿压显现规律研究

为研究工作面回采过程中，在经历不同的采空边界条件下，工作面不同覆岩空间结构变化及对矿压显现的影响，基于理论计算、微震监测、应力在线监测等方法，对母杜柴登煤矿30202工作面回采期间所形成的不同覆岩结构类型进行分析，得到不同覆岩空间结构下强矿压显现特征及危险区分布规律。研究结果表明：30202工作面回采过程中，先后经历“一面为自身采空区，三面为实体煤”到“两面为采空区，两面为实体煤”的边界条件，其覆岩空间结构相应的会经历“O”型、“O-S”型到“S”型覆岩结构转换和稳定的过程。工作面在“一面采空”条件下，回采过程中发生强矿压的危险性较小|工作面在经历“一面采空”到“两面采空”边界条件转变过程中，其临近已采工作面采空区侧及其端头煤发生强矿压的危险性较上一阶段明显增加|在“两面采空”条件下，本工作面高位岩层与相邻采空区上覆未回转下沉的高位岩梁容易产生连动，形成高位、跨度大的岩梁失稳，使得30202工作面回风巷侧在叠加应力影响下容易发生强矿压。研究结果可为工作面在不同开采条件下采场矿压特征分析、顶板控制和巷道支护设计提供一定借鉴。     

大倾角大采高工作面煤矸互层顶板漏冒规律研究

为了保证大倾角大采高综采工作面在煤矸互层顶板下的安全高效开采,解决工作面频繁发生顶板漏冒的问题。采用物理相似模拟实验与理论分析等方法对大倾角大采高工作面煤矸互层顶板应力分布与演化规律、破坏与漏冒特征进行研究。结果表明：工作面回采时,煤矸互层顶板受压在支架顶梁上方断裂|移架过程中煤矸互层出现离层、台阶下沉等现象,支架支护阻力急剧增大,断裂煤矸层因支架反复支撑作用而挤压破碎|当支架支护作用削弱时,支承应力向工作面前方煤体转移,工作面前方支承压力逐渐增大、应力集中,导致煤矸互层顶板超前断裂、煤壁片帮,破碎煤岩体从支架前方沿煤壁片帮处漏冒。通过理论分析,发现煤矸互层漏冒前,工作面顶板剧烈下沉,提出以控制顶板下沉量的方式来预防煤矸互层架前漏冒,具体防治措施为：带压移架、提高支架支护初撑力、提高煤壁稳定性。     

石场煤矿矿压观测与分析

综采工作面矿压显现规律对矿山生产实践具有深刻的指导意义,文章通过对石场煤矿4-2煤层综采工作面围岩在煤层开采过程中的移动规律进行研究,掌握了4-2煤层顶板初次来压和周期来压步距、工作面支架支护强度、围岩破坏活动过程煤壁中应力变化大小和应力影响范围。为现场管理提供完善、准确的资料,指导生产实践,解决工程问题。     

开采覆岩运动特征及动力响应的数值模拟研究

以地质单元勘查研究报告为背景,应用计算机对某煤矿厚岩浆岩下煤层开采时覆岩移动规律及其动力响应进行了数值模拟分析,得到:①由于岩浆岩这种特殊岩层的存在,使采空区上覆岩层的运动规律发生变异;②岩浆岩存在时,岩体内的应力、变形及位移的变化趋势,揭示了工作面开拓过程中岩体内应力的重新分布过程、工作面支承压力和支架阻力的变异性。     

不规则煤柱作用下工作面开采的三维数值模拟

通过对三河尖煤矿9202工作面实际开采情况的模拟,分析了近距离煤层或煤层群开采时,上部煤层开采后遗留的煤柱对下部煤层开采的影响.模拟显示下部煤层工作面推进到煤柱下方时形成的应力集中远大于工作面超前支承压力和煤柱引起的支承压力的简单叠加,形成的高应力区极易引发诸如冲击矿压的矿井灾害;指出在近距离煤层或煤层群开采时,要合理布置工作面的位置,根据上部煤层开采的时空关系来合理布置下部煤层工作面的回采巷道,并尽量避免在煤柱正下方采煤.     

刀柱式采空区下方近距离煤层综采工作面围岩应力分布规律

刀柱式采空区下方近距离煤层采用综采工艺回采时,刀柱会受到上方岩层垂直应力和下方工作面超前支撑应力的双重影响。同时煤柱将应力传递给下层煤岩体,在下方综采工作面形成应力集中区,对下方工作面顶板的稳定性、支撑压力的分布产生影响。针对唐山沟煤矿刀柱式采空区下方12#煤层的回采实际,研究刀柱下方综采工作面顶板应力分布规律,为回采巷道支护设计以及支架选型提供理论依据。     

Selection of efficient flow sheets for initial cutting in top-down mining in internatsionalny mine

Using numerical modeling of rock mass stress–strain state to estimate and predict stability of structural elements of a mining system in combination with the in situ observation data on deformation of rocks in sidewalls, roofs and floors of underground excavations, the authors perform geomechanical analysis of overcutting scenarios in top-down mining in Internatsionalny Mine, ALROSA. Various overcutting flow sheets are considered, and the optimal sequence of overcutting towards higher stability of stopes is determined.     

小错距上下煤层反向同采对上工作面巷道的影响

根据新集一矿已有的工程地质资料和科研成果建立模型,采用FLAC3D进行了数值模拟,并结合现场观测,研究了小错距上下煤层工作面反向同采时,上工作面巷道围岩应力、塑性区和变形情况,研究结果表明,上工作面巷道围岩变形在两工作面推进过程中呈现两个阶段的变化,该巷道围岩一定范围内发生塑性破坏是其围岩变形不断增长的主要原因,因此上工作面巷道支护的关键是加固其围岩的塑性破坏区,提高围岩的自承载能力.     

浅埋煤层采场围岩力链演化规律及工程应用

浅埋煤层回采过程中,矿山压力显现剧烈,压架事故时有发生。针对回采过程中易突发剧烈的矿压现象,系统研究了煤层围岩力学特征及支护结构的受力状态。首先采用颗粒元计算软件模拟分析采场围岩力链演化特征,随后分别建立了覆岩强力链拱失稳前、后力学模型,工作面支架受力模型,推导出强力链拱迹线方程,获得强力链拱在失稳前、后支架荷载的计算表达式,并在此基础上结合现场实测对工作面支架荷载进行了分析。研究结果表明:煤层开挖前,煤岩体受力架构由力链网络组成,围岩的承载作用主要来自于强力链,广泛分布的弱力链仅对围岩起辅助承载作用;煤层开挖后,强力链集结成束形成力链拱,力链拱是承载采场上方煤岩体重量的主要力系,工作面支架仅承担位于强力链拱下方的煤岩体重量;且随工作面的推进,强力链拱不断调整,先后经历了"形成—扩展—稳定—破断"的动态演化过程。随强力链拱拱顶的不断发育,当其承担荷载超过自身强度极限后便会失稳破断,导致剧烈的矿压现象,工作面支架荷载大幅增加,强力链拱的失稳断裂是工作面产生强动载现象的本质原因。研究成果合理解释了浅埋煤层工作面突发的剧烈矿压现象,为煤层的安全高效开采提供借鉴。     

混合开采孤岛面围岩稳定性分析

为了对混合开采孤岛面冲击矿压进行预报和控制,采用离散元数值计算程序UDEC4.0,对混合开采孤岛面围岩的应力分布、变形规律以及顶分层煤柱的稳定性进行了模拟研究,并结合现场观测分析了混合开采孤岛面的矿压显现特征。研究表明:1)孤岛煤柱开采过程中,上覆岩层引起的应力通过15 m煤柱向下传递至工作面,煤柱两侧6~8 m范围形成高应力区。2)下分层孤岛工作面两侧开采结束,煤层上方10.08 m处和147.3 m处测点的最大下沉量分别达到7.84 m和3.6 m,分别是采高的83.4%和38.3%。3)顶分层、孤岛面两侧煤层采后,15 m煤柱垂向压缩量分别为原始高度的38.8%和59.4%,15 m煤柱基本被压酥,己经失去支撑能力。4)现场实测孤岛面初次来压步距为23.2 m和周期来压步距为11.78 m,与数值模拟得到的规律基本一致。     

孤岛综放工作面沿空掘巷围岩变形因素研究

基于孤岛工作面地质条件、开采工艺及原始矿压显现规律,运用关键层理论研究两侧极不充分采动条件下基本顶关键层效应对巷道围岩稳定性的影响,并通过数值模拟软件UDEC,详细分析了煤层硬度、基本顶断裂位置、护巷煤柱尺寸及孤岛工作面开采等因素对综放沿空掘巷顶板垂直应力分布和围岩变形特征的影响,并指出沿空掘巷支护重点。     

孤岛煤柱下沿空掘巷底鼓机理及控制技术

针对孤岛煤柱下沿空掘巷围岩应力大、巷道底鼓严重的问题,分析了巷道围岩性质、工作面动压、沿空掘巷窄煤柱宽度、孤岛煤柱集中应力等对巷道底鼓的影响,通过数值计算得到该类巷道具有围岩塑性区分布大、最大主应力等值线远离底板、底板岩层易挤压流动造成巷道剧烈底鼓等特点。在分析平沟煤矿1603轨道平巷底板浅部围岩位移特点的基础上,提出采用2根底角锚杆、2根底板锚杆的加固法控制巷道底鼓,现场观测表明,该支护方案加固后巷道底鼓量减小65%,取得了良好的控制效果。     

中厚煤层窄煤柱沿空掘巷围岩稳定性研究

以恒源煤矿487工作面窄煤柱沿空掘巷为工程背景,基于该矿工程实况采用理论计算、数值模拟等手段综合确定487工作面回风巷最优护巷煤柱宽度为5m;基于数值模拟分析了487工作面回采后沿空掘巷超前段顶板、实体煤以及煤柱内围岩应力分布、围岩变形与塑形区演化特征,针对性提出了高强锚杆索组合非对称支护技术,并分析了巷道支护应力场的...     

三软、冲击地压煤层综采智能化工作面的安装与应用

目前国家政策及《山东省煤矿冲击地压防治办法》中必须在冲击地压矿井,推行应用采掘机械智能化,将综采工作面升级为智能化工作面。通过详细介绍综采工作面安装前的准备工作、各种设备安装顺序、安装方法,保证智能化工作面按计划快速、安全安装。     

Analysis of time-to-time variation of load on interchamber pillars in mines of the Upper Kama Potash Salt Deposit

The procedure to estimate growth in load exerted on interchamber pillars with time is based on mathematical modeling of stresses and strains in structural elements of room-and-pillar mining method and on roof rock failure criteria. The calculation results illustrate a real time scale of variation in strength of rocks and the associated partial collapse of a parting and failure of edges of interchamber pillars when their height is increased.     

宁东矿区复杂难采煤层工作面初采阶段工程实践

复杂难采煤层工作面初采阶段煤岩体灾变过程是朝着不利于采场稳定性方向演化的过程,存在断层活化、煤壁片帮、顶板断裂和溃水溃沙等灾变现象.宁东矿区各矿井面临的开采环境日趋复杂,存在高温、埋深大、倾角大、地应力集中、软岩巷道支护困难、硬岩顶板破断不及时,极大地增加了开采难度.大倾角仰斜开采工作面,采场稳定性是决定安全开采的关键...     

双承压水间采煤顶底板破断及渗流规律

以山西某煤矿双承压水间下组煤开采为背景,针对煤岩应力-渗流耦合机理,采用相似材料模拟和离散元数值模拟,揭示双承压水间下组煤不同开采尺度下岩体断裂模式和渗流规律,提出顶板导水裂隙带发展模式,并建立底板“四带”形成与工作面开采过程的对应关系。研究发现：初采期间底板仅发育矿压破坏带,达到充分采动后,新增损伤带及采动导高带开始出现,新增损伤带主要集中于工作面下方。采动岩体应力-渗流耦合效应归结为：煤层开采导致顶板破裂和应力的降低,顶板岩体渗透性能增大,太灰水透过顶板裂隙渗入采空区和工作面;底板隔水层在奥灰高承压水的楔劈作用下发育导高裂隙并导升。当残余水头压力无法继续劈裂隔水层岩体抗拉强度,底板岩层重新恢复到应力-渗流稳定状态。