无煤柱自成巷三维地质力学模型试验系统研制与工程应用

切顶卸压无煤柱自成巷技术是一种新型煤炭开采方法,利用矿山压力做功与岩体碎胀特性自动形成巷道,实现了煤炭开采无巷道掘进、无煤柱留设。为深入研究无煤柱自成巷开采全过程的覆岩运动机制、矿压显现规律与自成巷变形破坏机制,自主研发了切顶卸压无煤柱自成巷三维地质力学模型试验系统,由反力液压加载系统、自动采煤成巷系统和高精实时监测系统组成。试验系统配备无煤柱自成巷推采、切缝、成巷等核心工艺的成套模拟试验装置,实现无煤柱自成巷采掘留一体化开采全过程的真实模拟与完整工作面矿压规律的监测分析,通过组合式反力装置,可开展5.5 m×2.4 m×3.0 m(长×高×宽)以内不同尺寸模型体的地质力学模型试验。以我国首个N00工法工作面——柠条塔煤矿S1201–II工作面为工程背景,利用该试验系统开展了无煤柱自成巷工艺中最复杂的N00工法的三维地质力学模型试验,揭示了N00工法开采的矿压显现规律,得到了自成巷围岩变形控制机制,明确了自成巷关键破坏部位,提出了相应的工程建议,指导了现场设计与应用。现场试验与模型试验结果相一致,验证了模型试验系统研发与应用的合理性与有效性。     

无煤柱自成巷聚能切缝技术及其对围岩应力演化的影响研究

 基于切顶短臂梁理论,分析无煤柱切顶自成巷技术原理,结合柠条塔矿施工经验,总结出“支、切、护、封”四步成巷工艺。通过建立联孔聚能爆破力学模型,分析无煤柱自成巷聚能爆破机制,得出联孔爆破损伤贯通判据条件,并结合试验巷道围岩特性,进行聚能切缝关键参数设计。综合运用理论分析、数值模拟及现场实测,对无煤柱自成巷切缝前后工作面和巷道矿压分布规律和演变机制进行系统研究。结果表明,由于切缝结构面切断巷道顶板与工作面顶板岩体间的应力传递路径,改变顶板岩层结构形态,工作面和巷道矿压分布发生明显变化。切缝对工作面矿压影响有一定范围,切缝影响区内周期来压强度有所减小,周期来压步距有所增大。切缝引起的充填结构的支撑作用是造成工作面顶板压力减小的直接原因,来压控制关键层上的有效荷载减小是导致来压步距增大的根本原因。受切缝影响,碎石帮顶板岩体将经历“垮落→压实→稳定”的演变过程,充分利用采空区碎胀矸石的自承载特性和巷道围岩的协同支撑作用,可有效减小支护强度,增强巷道稳定性。     

大同矿区特厚煤层综放回采巷道强矿压显现机制及控制技术

为保证大同矿区特厚煤层开采过程中临空巷道超前支护段的稳定性与可用性,采用理论分析与现场实测相结合的方法,得到巷道超前支护段的强矿压显现机制。研究表明:侏罗系煤层采空区区段煤柱应力集中影响区深度仅50~70 m,不足以影响石炭系工作面回采巷道的强矿压显现;石炭系工作面临空巷超前支护段的强矿压显现,主要受工作面采动超前支承压力及相邻工作面采空区悬顶的双向高支承压力的影响,且当工作面过上覆煤层采空区边界煤柱后,侏罗系煤层顶板大结构被重新激活,再次运动失稳,加剧了临空巷道的强矿压显现。提出并实施巷道顶板水压致裂有效控制技术,对同忻矿8105工作面5105临空巷实施定向高压水力致裂,实现巷道围岩高应力的转移,大大降低了临空巷超前支护段的强矿压显现强度,取得良好的临空巷卸压效果,保证了特厚煤层综放工作面的正常生产。     

急倾斜三软厚煤层留小煤柱沿空护巷技术

在急倾斜三软厚煤层走向长壁俯伪斜采煤条件下实施留小煤柱沿空护巷十分困难,煤柱稳定性和巷道围岩变形极难控制。针对这一难题,提出了包含煤柱小角度锚固法和十字护顶方法的留小煤柱沿空护巷技术,有效解决了煤柱易沿顶底板剪切破坏并向巷内搓动的问题,降低了巷道软弱围岩的破碎程度和变形量。现场试验结果显示,留设小煤柱的完整性保持较好,其中相较于原支护方式顶底板移近量减少了40%,两帮收敛量则减少了42%,巷道围岩变形得到了有效控制。与此同时,还得到工作面前后方回采巷道的矿压显现呈现明显的6个分区,分别为工作面前方无影响区、工作面前方矿压显现影响区、工作面前方矿压显现强烈区、工作面后方顶板激烈活动区、工作面后方顶板活动减缓区和工作面后方基本稳定区。其中,工作面前方矿压显现强烈区和工作面后方顶板活动激烈区的范围明显大于缓斜近水平煤层,这为分区制定围岩控制措施提供了有利依据。所得研究成果可为我国急倾斜走向长壁俯伪斜工作面沿空护巷技术研究提供一定的补充。     

深部高应力动压巷道支护方法研究

深部高应力巷道的支护方法是目前的工程难点问题。中平能化集团十二矿31010己15煤层皮带巷和回风巷埋深超过1 000m,同时将承受上部保护层开采的动压作用,巷道稳定性不易控制。首先通过地应力测试和围岩松动圈测试,得知巷道为高地应力环境下大松动圈巷道;之后通过三维数值计算分析,获得了上部保护层开采过程中下部巷道的矿压显现规律,得知巷道将受到高应力动压作用。针对此巷道高应力动压特点采用卸压让压以及高强锚索的联合支护方法,即在围岩卸压让压的基础上采用高强锚索进行加强支护,同时采用单体柱进行局部临时加强支护。现场工业试验结果说明卸压让压以及高强锚索组成的联合支护系统可用于深部高应力动压巷道的稳定性控制。     

中厚煤层复合顶板切顶卸压自动成巷工作面矿压显现特征分析

为探究切顶卸压自动成巷技术条件下的工作面矿压显现特征及机制,以塔山煤矿8304工作面为例,在对切顶成巷技术原理及工艺流程进行总结的基础上,提出具体成巷设计,随后通过现场监测、数值模拟以及理论推导等手段,对工作面的矿压分布特征及演化过程进行分析。监测结果显示:(1)工作面中部来压步距最短、来压强度最高,且受留巷切顶影响,工作面来压步距及强度分布呈现非对称性;(2)留巷侧顶板的周期来压步距较之未切缝侧较大,平均增幅为4 m,但来压压强降低,平均来压压强降低2.1 MPa,降幅9.2%,峰值来压强度降低10.2 MPa,降幅25.0%,切顶卸压效果明显,且峰值压力受切顶卸压影响更大;(3)顺槽切顶于工作面的横向影响范围大致为29.75m,越靠近切缝处影响效果越显著。数值模拟进一步发现:顺槽预裂切顶对工作面来压在走向方向上的超前影响范围约为20 m,超前影响范围内,影响程度随超前距离增加逐渐减小;在滞后工作面30 m范围内,滞后工作面距离越远,顺槽切顶卸压影响越大;在滞后工作面30 m之后,顺槽切顶影响幅度基本维持不变。     

切顶卸压自动成巷岩层运动规律物理模拟实验

为研究切顶卸压自动成巷无煤柱开采(110工法)工艺条件下上覆岩层运动规律及留巷效果,以店坪煤矿5–200工作面工程实例为原型,开展岩层运动尺度110工法物理模拟实验研究。采用石膏粉、细河沙、重晶石粉等相似材料构造砂质泥岩、中砂岩、石灰岩以及煤岩4种岩层;根据不同推进尺度沿煤层走向设计6种开挖步骤,用于观测有不同开挖阶段下的上覆岩层的垮落规律及留巷围岩的变形特征。实验中,采用可见成像、高精度数字散斑成像以及现场人工素描等方法来观测岩层的垮落规律。研究结果表明:当工作面开挖12 m,直接顶完全垮落;工作面开挖16m,基本顶完全垮落,工作面开挖20m,上覆岩层垮落达到稳定状态。受切缝影响,覆岩运动前期切缝侧岩层超前于未切缝一侧垮落,且位移大于未切缝一侧;后期由于岩层的碎胀性,切缝侧采空区填充效果较好,其垂向位移小于未切缝侧,且离层多集中于未切缝侧。全场位移云图及巷道顶底板位移监测表明,顶板垂向位移最大10mm,底板垂向位移最大4mm,围岩稳定性较好,说明通过顶板预裂切缝,有效缓解巷道围岩压力,控制围岩变形。     

中厚煤层复合顶板快速无煤柱自成巷适应性研究与应用

为解决区段煤柱资源浪费、工作面生产接续紧张的问题,于塔山煤矿8304工作面引入快速无煤柱自成巷技术。首先,对切顶卸压无煤柱自成巷技术的工艺流程及工序时空关系进行总结,以此为基础将围岩结构分为煤体支撑区、动压承载区、成巷稳定区。随后,以该工作面中厚煤层复合顶板地质条件为基础,分别对顶板切缝、聚能爆破、恒阻锚索支护、挡矸支护、临时支护以及松动爆破六项关键技术相关参数进行设计。最后,通过数模模拟、现场监测对相关设计的技术效果进行分析、验证。现场留巷实践显示,最终留巷顶底移近量为261mm,两帮收缩量为390 mm,有效断面尺寸为2 839 mm×4 610 mm,足以满足相邻工作面回采复用需求。     

禾二矿浅埋破碎顶板切顶成巷试验研究

针对浅埋薄煤层沿空留巷在工作面回采后垮落带内顶板不易垮落、沿空巷道动压显现剧烈的关键问题,通过关键理论分析、数值模拟、现场工程地质条件分析等手段,对浅埋深、薄煤层、破碎顶板条件下的切顶成巷技术开展研究,并在该条件下的禾草沟二号煤矿1105工作面回风顺槽进行现场应用。通过数值模拟,对比分析了切顶不充分和切顶充分时沿空巷道围岩应力分布及巷道围岩位移,结果表明:切顶充分时,采空区顶板对沿空巷道顶板动压影响大大减弱,巷道围岩变形较小,能够保证留巷效果。根据禾草沟二号煤矿浅埋、破碎顶板开采顶板运动模式和矿压显现特征,确定了切缝角度和恒阻锚索支护等关键参数,为浅埋、破碎顶板切顶卸压自动成巷的成功应用奠定基础,提出了切顶卸压自动成巷的预裂爆破参数设计、自动成巷支护技术;通过对禾草沟二号煤矿1105工作面回风顺槽留巷的工程地质条件分析,运用切顶成巷技术原理进行了留巷设计,并应用到现场,取得较好的应用效果。     

沿空掘巷煤柱合理宽度研究与应用

沿空掘巷时周围岩体受二次采动影响,巷道围岩更易变形,矿压显现更为剧烈。护巷煤柱的合理留设是沿空掘巷技术成功实施的关键因素。煤柱的合理宽度应既能满足煤柱自身的稳定性,又能在巷道掘进和工作面回采期间利于巷道的维护。为了研究沿空掘巷煤柱的合理留设宽度,以某矿1622(3)工作面为背景基于内外应力场理论以及弹性核理论,考虑煤柱对巷道围岩变形的影响,进行理论分析确定了沿空掘巷煤柱宽度合理范围解析表达式,确定了煤柱合理宽度范围为4.8 m～6.9 m。通过数值模拟进一步分析了不同煤柱宽度时的煤柱的垂直应力分布及巷道围岩变形,最终选取煤柱宽度为5 m。将研究结果应用于实际,现场观测数据表明,该煤柱宽度对控制巷道围岩变形,维护巷道及煤柱的稳定性起到了良好的作用。     

大倾角煤层工作面采场围岩矿压分布规律光弹性模量拟模型试验及现场实测研究

以平煤集团香山矿戊9-0-22090大倾角煤层工作面为工程背景,通过室内光弹性模拟模型试验和工作面现场矿压实测,对大倾角煤层工作面开采后采场围岩矿压分布规律进行研究.光弹试验和现场实测结果表明:倾角对煤层工作面开挖后采场围岩应力分布、支承压力的分布有显著影响.大倾角煤层工作面开采后,采场顶板岩层的变形、破坏和运动形式不同于一般缓倾斜煤层工作面,采场支架载荷的分布、来压显现程度、来压步距沿采场倾斜方向均不同.工作面煤层开采后,采场顶板应力分布是高度不均匀、不对称的,在采空区两侧保护煤柱角高度集中,形成支承压力区,采空区上方形成支承卸压区.采场顶底板应力释放,两侧煤柱出现应力集中,采场四个角部位出现较大剪应力.剪切应变主要出现在采场下端部顶板和上端部的底板,而体积应变主要出现在煤层较近顶板和两侧煤柱.研究成果,对香山矿和类似条件下大倾角炮采煤层工作面的开采和顶板的支护的优化和管理具有一定的指导意义.     

无煤柱自成巷短臂梁顶板补偿支护力设计方法及其影响因素分析

为实现无煤柱自成巷开采条件下短臂梁顶板结构安全稳定，研究短臂梁顶板结构平衡机制及其动态演化机制，明确锚索的补偿支护作用机制，利用Hoek-Brown强度准则和塑性力学中的上限分析方法分析锚索支护作用下短臂梁顶板围岩的冒落破坏机制，推导短臂梁顶板在摩擦垮落、动压影响、成巷稳定3个阶段的锚索补偿支护力计算公式，形成无煤柱自成巷短臂梁顶板补偿支护力设计方法。在此基础上，建立敏感性分析指标，分析不同参数对锚索补偿支护力的影响程度。研究表明：围岩应力、切缝参数、巷道宽度是锚索补偿支护力的主控因素，其中围岩应力为最敏感指标，据此提出短臂梁顶板稳定性控制相关工程建议。研究成果在新泰煤矿N00工法5101工作面运输巷进行了应用，现场应用效果良好。     

大采高双巷布置工作面巷间煤柱合理宽度研究

巷间煤柱合理宽度的确定是确保大采高双巷布置工作面安全回采的关键。以亭南矿二盘区204大采高工作面双巷掘进运输顺槽和瓦斯抽放巷之间的煤柱为工程背景,首先通过现场应力监测的方法对巷间煤柱受双巷掘进及2次采动过程中的破坏规律进行了系统的研究,得出一次采动影响后靠近采空区侧煤柱的破坏区域宽度约为3 m;上位岩层低应力区域宽度约为18 m;一次采动后煤柱应力分布曲线呈不对称形态;二次采动影响后煤柱应力分布曲线呈不对称"马鞍状",巷间煤柱边缘累计破碎宽度略大于9 m;同时对2次采动影响后煤柱的破坏区域进行了划分,初步确定巷间煤柱优化范围在5.2~13.0 m之间。其次采用数值模拟的方法分别研究了2次采动影响下宽度为4,6,8,10,12 m的5种不同尺寸巷间煤柱的应力演化规律、弹塑性区域变化规律和巷道变形规律,同时综合考虑安全生产、资源回收率等因素,最终确定大采高双巷布置工作面巷间煤柱的合理尺寸为10 m。最后通过工程实践验证了巷间煤柱留设的合理性。该研究结果可以为类似开采条件下巷间煤柱的留设提供参考。     

密实充填矿压显现时空演化规律研究

建立和分析密实充填矿压显现时空演化力学模型,运用相似材料模拟方法研究充填开采条件下的采场矿压显现时空演化规律,并以邢台某矿充填实践为工程实例进行分析验证。研究结果表明:顶板下沉活跃期间,充填体受力与充填步距和推进时间呈正相关;在充填开采物理模拟中,顶板测点应力普遍经历了应力升高-急剧卸压-缓慢升压再到稳定的过程,且工作面前方顶板应力峰值和煤柱受力随着充填步距的增加而增大;充填体受力随着工作面推进而不断增加至趋于稳定,稳定后的顶板应力和充填体受力均小于原岩应力;停采后静置阶段,随着时间增长,充填区顶板依然存在缓慢下沉现象。某矿充填实测结果显示距离切眼15和40 m处的充填体压力为3.5和5.5 MPa,且顶板下沉和覆岩离层在工作面推进过程中均随着充填距离的增加和充填时间的推移表现出了规律性变化。     

深井上下山煤柱区巷道围岩响应特征数值模拟及其灾害控制

深井上下山煤柱区巷道围岩应力高度集中,矿压显现剧烈,是煤矿动力灾害多发区。文章通过FLAC~(2D)数值模拟及微震监测等对深井上下山煤柱区巷道围岩响应特征进行研究。结果表明:随着7、9煤层两侧工作面的开采,上下山巷道围岩应力、位移、塑性区分布等响应特征均不断增加,且上升趋势越明显,越易发生冲击破坏;针对不同的开采阶段及矿压显现,提出针对性的煤柱区动力灾害控制措施。研究成果为深井煤岩动力灾害防治提供借鉴和指导。     

高头窑煤矿G3-1102工作面矿压显现规律及压架原因分析

结合高头窑煤矿G3-1102工作面压架情况,分析了矿压显现规律和压架原因,结果表明,由于工作面开采时引起上覆煤柱应力集中并传力于煤柱下两侧区域,从而导致上覆保护煤柱下两侧的区域支架压死。     

大采高沿空掘巷留设煤柱合理宽度研究与实践

沿空掘巷容易对周围岩层造成二次影响,伴随围岩变形的增大矿压显现强烈,合理的护巷煤柱宽度成为沿空掘巷的关键。为了厘清沿空掘巷的合理宽度煤柱留设,以山西某煤矿为工程背景,利用理论研究与数值模拟相互印证的方法,得出最佳契合现场条件的煤柱宽度。经现场实测,煤柱宽度为8 m时,可有效控制沿空巷道围岩变形量,有利于维护大采高工作面沿空巷道及煤柱自身的整体稳定性。     

双系煤层孤岛结构对工作面矿压显现影响研究

为了确定大同矿区侏罗系煤层群开采形成的孤岛覆岩结构对石炭二叠系工作面开采矿压显现的影响,以同忻矿8104、8106工作面为研究对象,通过理论分析确定侏罗系煤层群开采孤岛覆岩结构的形成条件,构建FLAC^3D数值模型,分析孤岛覆岩结构对石炭系煤层应力控制及矿压显现特征,并结合微震监测数据进行了合理验证。研究表明:当侏罗系煤层遗留煤柱宽度≥22.3 m时可形成孤岛覆岩结构,煤柱宽度为80 m时,孤岛覆岩结构对石炭系煤层工作面影响达到峰值;数值模拟说明8106工作面及5105巷道受到孤岛覆岩结构影响,其矿压显现强度及范围明显增大,围岩应力最大增至40 MPa;微震监测显示8104工作面推进孤岛覆岩结构过程中,个别微震事件能量级别达到了10⁶ J,具备了诱发冲击地压发生能量条件。     

近距离煤层群回采巷道失稳机制及其防治

 近距离煤层群开采过程中下层煤回采巷道将受到上煤层采空区遗留煤柱、本煤层邻近工作面动压的影响,针对崔家寨矿E12505工作面机巷出现的冒顶、底臌等严重现象,采用现场实测、理论分析及数值模拟等研究方法,探讨巷道失稳机制。研究结果表明,当上煤层采空区遗留煤柱宽度较小,下层煤巷道位于正下方、本煤层邻近工作面护巷煤柱较小时,受采动影响后巷道容易失稳;提出应距上煤层采空区遗留煤柱25 m、护巷煤柱尺寸20 m,加强巷道支护后可保证下层煤巷道稳定。据此,在E12611和E12504工作面进行工业性试验,取得较好效果。     

千米深井采动工作面矿压显现规律及覆岩位移特征研究

深部煤炭开采过程中,岩体受到高地应力和强开采扰动的作用,是典型的动静组合加载问题,特别是千米级深井开采中少有成熟工程可借鉴,井下衍生的一系列工程地质灾害直接影响回采安全。为探索千米深井采动工作面矿压显现规律及覆岩位移特征,以平煤十矿24130工作面为依托,构建矿压立体监测–覆岩离层位移监测体系,对采动条件下,保护层开采过程中工作面前方钻孔应力、锚杆应力与巷道顶板离层位移进行长效监测与数据分析。结果表明,深部煤岩体受开采扰动影响呈现出显著非线性力学特性,而非单一线性增减,且开采扰动不是在整个回采过程中均对矿压显现产生明显影响,而是在开采至距采面45～65 m与25 m以内2个范围内存在显著影响;在上述2个范围内推进速度增加,扰动效果显著,因而在围岩较破碎的区域适当降低推进速度至0.5m/d左右,可保证煤岩体结构完整,始终具有一定承载力;此外,釆动对巷道顶板矿压影响相较于巷道巷帮更显著,在支护设计时应该对巷道顶板加强支护;采面前方15～5 m范围为采动对覆岩位移的主要影响区域,该范围内顶板离层发育较快,且顶板离层发育速度受到工作面推进速度的影响更显著,表明该区域内适当控制开采速度在0.8～1.1 m/d时,可保证生产要求的同时更利于工作面前方顶板管理,为千米级深井的采面安全生产提供科学指导。