切顶卸压沿空留巷围岩控制效果数值模拟研究

为研究切顶卸压对沿空留巷围岩控制效果的影响规律,基于UDEC软件,对沿空留巷侧向顶板悬顶与垮落2种情况下的围岩受力变形特征进行深入分析。研究表明:相对于直接顶悬顶状态,直接顶垮落时煤帮侧煤层和巷旁支护墙体上的垂直应力集中系数分别降低0.19和0.49;直接顶垮落状态下沿空巷道顶板下沉、底板鼓起、煤帮内移和墙体内移量相对于直接顶未垮落状态下,分别降低73%、60%、27%、75%;巷道侧向悬顶是造成沿空巷道围岩大变形的重要原因,切顶会促使采空区上方直接顶有效垮落,采空区上覆岩层的重力无法有效向巷道周围的煤岩体中传递,且垮落的岩层会对顶板起到一定的支撑作用,有助于降低巷道围岩所承受的压力。     

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。     

米山煤矿中厚煤层切顶卸压自动成巷技术研究

为研究米山煤矿中厚煤层切顶卸压条件下的沿空巷道围岩及工作面矿压显现规律,有效控制巷道变形和顶板垮落,在15111工作面进行现场试验,确定预裂爆破钻孔间距与装药量;并采用理论分析与数值模拟相结合的方法,对切顶高度与切缝角度进行分析。结果表明:随着切顶高度的增加,实体煤侧最大垂直应力逐渐减小,应力集中区逐渐远离巷道帮部,顶板卸压范围也有所增大,有利于巷道稳定;切缝角度越大,采空区顶板垮落越充分,从而能更好地支撑上位岩层运动。研究成果在米山煤矿15111工作面的成功实施,对于切顶卸压自动成巷技术在该矿的推广应用具有重要意义。     

切顶卸压沿空留巷巷帮支护新工艺及应用

在采用切顶卸压沿空留巷工艺中,留巷侧采空区垮落的矸石会蹿入巷道内,垮落的矸石若是没有巷帮支护来抵挡矸石蹿入巷道,则无法保证人员作业安全和成巷效果。为解决上述问题,本文详细介绍了切顶卸压沿空留巷挡矸铺网技术及现场应用情况。     

塔山煤矿复合坚硬顶板切顶留巷围岩变形机理及控制技术研究

以大同矿区塔山煤矿8304工作面切顶留巷为工程背景,综合采用理论计算、数值模拟及现场监测等方法对切顶留巷围岩的变形机理进行了分析,并提出了相应的控制技术。沿空顺槽实施切顶后,留巷顶板形成短臂梁结构,巷道整体处于卸压状态。切顶形成的切缝结构面阻断了采空区顶板压力传递到实体煤帮的路径,降低了煤帮应力集中程度,从而较大幅度减弱了实体煤帮及底板的变形;顶板最大变形集中在切缝侧,但下沉量有所减小;矸石帮变形分为垮落阶段的冲击变形和稳定阶段的缓慢变形,变形先急剧增大,后缓慢增加至稳定。基于对留巷围岩的变形分析,提出了对留巷顶板实施恒阻大变形锚索加强支护以控制顶板下沉,垮落矸石帮侧布置单体支柱配合11#工字钢与钢筋网片防冲护巷,煤帮采取左旋无纵筋螺纹钢锚杆加固处理及底板采用C20混凝土硬化的综合控制技术。现场监测留巷断面尺寸约为2 834 mm×4 615 mm,较原巷道断面最大收缩率为15.6%。监测结果表明:该控制技术能够有效控制围岩变形,所留巷道完全满足复用生产需求。     

切顶卸压爆破技术在沿空留巷中的应用研究

针对某煤矿采空区直接顶及上覆顶板悬露面积大,采空区侧悬臂梁结构载荷加载到混凝土墙体及巷内,使巷内顶板下沉量大,巷旁混凝土墙体过早承载破坏等问题。采用超前工作面预裂爆破切顶卸压法,研究了切顶卸压机理以及工作面端头支架架间预裂爆破切顶设计,并分析了放炮工艺及安全技术措施,研究得出:通过采用切顶卸压爆破技术,可使垮落矸石充满采空区,减小了沿空巷道顶板悬臂梁上覆荷载以及旋转变形对巷旁混凝土墙体的压力以及巷旁顶板下沉量,实现了留巷围岩稳定。     

顶板预裂沿空留巷的应用

为了解决坚硬顶板条件沿空留巷工作面顶板悬顶距大,悬顶时间长,围岩应力集中程度大,围岩不稳定的难题,基于定向爆破理论提出顶板预裂沿空留巷方式。该留巷方式采用岩石定向爆破原理控制留巷采空侧顶板的垮落,冒落的大块矸石经喷浆密闭后形成新巷帮,减少巷旁支护成本且明显减轻基本顶的来压强度。根据断裂力学理论推导出顶板预裂单孔装药量q及炮孔间距S计算公式,并将研究结果成功应用于工程实践中。     

坚硬顶板切顶卸压无煤柱开采技术研究

为解决唐山沟煤矿留煤柱开采存在的巷道掘进率高、煤炭资源浪费严重、留设煤柱造成应力集中存在安全隐患等问题,采用数值模拟和现场试验的方法,对坚硬顶板条件下切顶卸压无煤柱开采技术的切顶高度、切顶角度、爆破钻孔间距等关键参数进行研究。数值模拟结果表明：采用双向聚能爆破技术可以起到顶板卸压作用,而且随着切顶高度的增加,其切顶卸压效果更为明显;切缝存在明显的角度效应,不但能够影响采空区顶板垮落,还能够影响应力增高区分布。现场爆破试验表明,当钻孔间距为600 mm时,爆破孔贯通效果最好,对围岩的破坏最小。采用切顶高度6 m、切顶角度15°、爆破钻孔间距600 mm的技术参数,在唐山沟煤矿8820工作面回风巷进行沿空留巷现场试验取得了良好效果。     

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。     

切顶卸压沿空留巷碎石巷帮控制技术及应用

基于切顶卸压沿空留巷无煤柱开采技术原理,分析了切顶卸压沿空留巷碎石巷帮的形成机理,建立了沿空留巷围岩结构模型,明确了顶板岩层运动特征;通过结合现场实测数据分析了采空区矸石运动特征,提出了将矸石运动过程划分为两大阶段,即快速垮落阶段和缓慢压实阶段,揭示了在矸石不同运动阶段矸石与碎石巷帮支护结构相互作用关系;基于顶板岩层及矸石运动特征提出了"侧向动静结合、纵向伸缩让压"的碎石巷帮控制思路,同时针对不同煤层开采厚度开发了3种不同的碎石巷帮控制结构,形成了切顶卸压沿空留巷无煤柱开采技术碎石巷帮稳定性控制体系,并在现场进行了支护应用,取得了良好的应用效果。     

哈拉沟煤矿切顶卸压自动成巷无煤柱开采技术

针对传统沿空留巷技术临近工作面煤体上方应力集中,巷道维护困难等问题,以哈拉沟煤矿12201综采工作面回撤巷道为工程背景,研究切顶卸压自动成巷技术在浅埋煤层条件下的应用。结果表明:切缝角度存在角度效应,可影响采空区顶板垮落及应力集中区分布;在切顶爆破的影响下,直接顶破断垮落后,形成碎涨的矸石通常可以将采空区充满,基本顶发生回转的空间较小,回转变形也较小,进而对沿空留巷直接顶产生的压力也较小;工作面回采过后,当滞后工作面距离大于95 m后,巷道顶板离层才趋于稳定。     

柠条塔煤矿大采高工作面110工法挡矸支护实践

在大采高的切顶留巷无煤柱开采(长壁开采110工法)过程中,对垮落的顶板进行挡矸支护形成采空区侧巷帮,而工作面顶板岩体在垮落至底板时变破碎且动能较大,给留设巷道采空区侧的巷帮支护带来很大困难。结合柠条塔煤矿的实际工况条件,以挡矸支护作为采空区侧破碎巷帮的关键支护技术,在现场试验了9种挡矸支护方案,通过对比得到挡矸效果较好的支护方案。碎石帮挡矸支护技术有效防止了垮落矸石蹿入巷道内,对人员和设备的安全提供了重要保障。该研究结果可为类似条件下巷帮支护设计提供参考,同时对切顶留巷技术的进一步推广具有重要意义。     

定向预裂爆破切顶卸压沿空留巷技术实践

为提高煤炭资源的回收率,在陶二矿1223皮带巷开展了爆破切顶卸压沿空留巷技术的研究。研究表明:(1)通过在采场前方巷道中施工爆破钻孔,使巷道顶板与工作面顶板产生裂缝,待工作面回采过后,采空区顶板沿裂缝回转垮落,减少了对巷内支护体的载荷,保持巷道的稳定;(2)沿空留巷的巷道变形具有明显的阶段性,不同区域应采取不同的支护方式;(3)根据1223工作面的地质条件,计算可得,切顶高度为7.8 m,切顶角度为12°～17°;(4)1223工作面定向预裂爆破切顶卸压技术成功实现了沿空留巷,巷道稳定,变形量小,取得了显著的经济和社会效益。     

双切顶成巷条件下采空区瓦斯综合治理体系研究

为了探索双切顶成巷条件下采空区瓦斯综合治理方法，采用理论分析、数值模拟等方法，对双切顶成巷条件下顶板运移规律和采空区瓦斯分布规律进行研究，并提出了双切顶成巷条件下采空区瓦斯综合治理体系。研究结果表明，由于基本顶被切断，基本顶及其控制的覆岩充分垮落，采空区垮落带高度明显增加。当工作面回采过后，在预裂爆破切顶的影响下，与传统开采方法相比，采空区顶板岩层更快垮落，采空区上覆岩层更快趋于稳定；超高位裂隙带、靠近沿空留巷胶带巷处以及靠近采空区后部尾巷处为瓦斯主要聚集区域。4502工作面综合采用高位定向长钻孔抽采、留巷顶管抽采和采空区后补切眼钻孔抽采等方式，对采空区瓦斯进行治理，有效解决了采空区瓦斯超限问题。     

霍尔辛赫矿井沿空留巷水力压裂切顶卸压技术研究应用

针对霍尔辛赫矿井3802工作面沿空留巷压力大,局部柔模墙体和巷道有压力显现情况,巷道出现不同程度的底鼓或顶板下沉现象,为确保留巷效果,改善沿空留巷的地质条件,设计采用水力压裂切顶方法进行卸载,采用ZDY3500LP型钻机打设钻孔,钻孔间距15 m、深度42 m、孔径63 mm,通过应用表明,水力压裂技术有效控制了工作面顶板的垮落,最大程度削弱了顶板的整体性,使得采空区顶板呈分层垮落,顶板与两帮移近量变小。     

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。     

坚硬顶板、软弱底板条件下切顶卸压沿空留巷效果研究

基于切顶卸压沿空留巷技术探究在坚硬顶板、软弱底板条件下的切顶卸压沿空留巷效果。通过对现场数据的采集和分析,研究36层里部右二面在该项技术指导下的覆岩运动规律、支承压力分布规律和留巷段围岩稳定情况。结果表明,该项技术在本工作面应用效果良好,有效切断了工作面与巷道上方顶板的应力传递路径,工作面采空区顶板垮落未引起顶板大面积变形,顶板锚杆、锚索支护状态良好。     

预裂爆破切顶卸压沿空留巷技术应用

以青洼煤业2207综放工作面为工程背景,在概述该工作面特殊地质条件的基础上,对预裂爆破切顶卸压沿空留巷技术原理进行阐述,并对该综放工作面所采取的沿空留巷恒阻锚索补强、单体柱密集支护、预裂切顶爆破的联合支护方式进行分析探讨。结果表明,深孔爆破技术能够保证顺槽顶板预裂卸压,采空区顶板在采场周期来压的作用下必将沿爆破设定方向切落;垮落的矸石因受到岩石碎胀影响而形成对采空区顶板的有效支撑,并自动形成采空区临近侧巷帮,保留胶带顺槽,避免常规留设煤柱所引起的资源浪费,使煤炭资源回收利用效率显著提升。     

切顶留巷下挡矸支护研究

针对切顶留巷下采空区侧帮碎落矸石压力导致采空侧帮变形量增大、矸石涌入巷道等问题,提出了具有一定抗弯强度的曲线挡矸柱对采空侧帮挡矸支护方法。基于力学分析,研究了采空侧巷旁受力特点,建立了采空侧支撑结构简化力学模型,推导了巷旁顶、底板压力和矸石侧压的计算方法,并对垂直和曲线挡矸柱进行了结构分析。     

切顶卸压无充填沿空留巷技术在神火集团的研究与实施

针对柔模混凝土、高水充填沿空留巷存在支护材料成本较高、人员占用多及后期修巷工程量较大等问题,根据何满潮院士的"110工法",依托聚能水压光面爆破技术,结合采空区上覆岩层垮落规律和采空区的压力显现规律,在实验室进行了"巷道底板岩层应力分布区域"技术研究;掌握了巷道原岩应力区、应力集中区、卸压区、应力恢复区4个区域的分布地点和受力状况;总结出切顶卸压无充填沿空留巷技术的技术原理,并制定了无充填留巷技术的支护方案。利用切顶卸压无充填沿空留巷技术,留巷断面、支护强度符合相关要求,生产成本大大降低,经济社会效益较为显著。