切顶卸压无煤柱自成巷开采与常规开采应力场分布特征对比分析

为了探索切顶卸压无煤柱自成巷开采与常规留煤柱开采应力分布的区别,以国内外首个切顶卸压无煤柱自成巷开采工业性试验为工程背景,运用FLAC3D数值模拟软件建立了大煤柱开采,小煤柱开采Ⅰ(相邻工作面回采巷道未掘),小煤柱开采Ⅱ(相邻工作面回采巷道已掘),无煤柱开采4种不同开采方式的数值计算模型,并对其应力分布特征进行了模拟和对比分析。得出如下规律:在工作面前方,平行于工作面长度方向,煤柱留设方式对应力分布的影响存在一定范围,在影响范围内垂直应力大小关系为:小煤柱开采Ⅱ大煤柱开采小煤柱开采Ⅰ无煤柱开采;留大煤柱,小煤柱开采时,靠近本工作面回采巷道附近均存在明显的应力集中,而无煤柱自成巷开采由于取消了超前掘进巷道,从而消除了掘巷引起的应力集中;在工作面侧向,大煤柱开采应力集中位置始终位于大煤柱内部,小煤柱开采Ⅱ位于下区段工作面实体煤内部,小煤柱开采Ⅰ和无煤柱开采则位于巷道煤帮内部,应力峰值位置与巷道距离大小关系为:无煤柱开采小煤柱开采Ⅰ小煤柱开采Ⅱ和大煤柱开采;大煤柱开采时侧向应力峰值最大,小煤柱开采时次之,无煤柱开采最小,其峰值较大煤柱开采降低18.1%~20.3%,较小煤柱开采Ⅱ降低11.8%~17.3%,采空区顶板稳定后,无煤柱开采和小煤柱开采Ⅰ峰值较为接近。     

切顶卸压无煤柱自成巷研究进展与展望

长壁采煤方法是地下矿山开采中普遍采用的采煤方法之一。长壁开采沿空掘巷方法每开采1个工作面,需掘进2条回采巷道并留设1个护巷煤柱,煤柱资源无法回收、巷道掘进量大。基于采矿岩石力学的基本原理,笔者团队建立了平衡开采“切顶短臂梁”理论,提出了切顶卸压无煤柱自成巷技术,研发了顶板定向预裂切缝、高预应力恒阻锚索支护、矸石巷帮挡矸支护等关键技术。国内外学者在切顶卸压无煤柱自成巷的理论、试验和技术方面开展了系统研究。在理论研究方面,形成了无煤柱自成巷平衡开采理论,建立了切顶短臂梁模型和“三阶段”动态分区模型,为新型煤炭开采方法奠定了理论基础;在试验研究方面,开展了切顶卸压无煤柱自成巷地质力学模型试验,进行了顶板定向预裂切顶设计研究,分析了恒阻吸能锚杆(索)的静力拉伸、动力冲击等性能,探究了护帮挡矸结构的承载能力,为无煤柱自成巷关键技术设计提供了依据;在现场试验方面,针对不同工程地质特征进行了现场试验研究,研发了适用于实际工程的配套核心技术装备。文章对切顶卸压无煤柱自成巷理论和关键技术的研究现状进行梳理与总结,并对未来的发展方向进行展望。     

切顶卸压无煤柱自成巷顶板断裂特征研究

为研究无煤柱自成巷开采条件下基本顶不同断裂位置对巷道变形的影响,分析顶板岩层运动特征,建立基本顶不同断裂位态力学模型,分别推导出基本顶在不同断裂位置时的巷内临时支护强度计算公式,得出巷内临时支护强度临界值。采用离散元数值软件UDEC对基本顶不同断裂位态下的岩层运动进行模拟分析。结果表明:基本顶在实体煤侧及采空区侧发生断裂,巷道变形较小,而在巷道上方发生断裂时变形破坏严重;通过调整切顶护帮支架对巷道顶板支撑力控制下位顶板的变形,使基本顶在较为有利的位置发生断裂;通过切顶护帮支架、恒阻大变形锚索支护等技术可以有效控制巷道变形,并在柠条塔煤矿S1201-Ⅱ工作面成功应用。     

切顶卸压无煤柱自成巷关键技术研究及应用

为了缓解矿井采掘衔接紧张局面,以曙光煤矿一采区2~#煤开采进行切顶卸压无煤柱自成巷关键技术研究,使工作面一定范围内的周期压力和巷道内的压力得到了降低,大大提高了矿井的安全生产水平,为相似开采条件下的工作面提供实际的技术经验。     

切顶卸压无煤柱自动成巷技术在亿欣煤业的应用

晋煤集团晋圣亿欣煤业XV1306工作面采用切顶卸压无煤柱自动成巷技术,文章介绍了切顶卸压无煤柱自动成巷原理及工艺流程。现场应用表明,巷道成型良好,完全能够满足正常回采要求,该技术的成功应用产生了较大的经济和社会效益,具有较高的推广价值。     

切顶卸压自成巷覆岩运动红外辐射特征试验研究

以店坪煤矿5-200工作面为背景开展物理模拟试验,通过沿煤层走向逐步开挖模拟切顶卸压自成巷覆岩运动全过程。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。采用红外热像仪和高精度散斑系统为主要观测手段,选取红外辐射温度、红外热像和岩层位移量为监测指标,重点研究覆岩运动过程红外辐射时空特征。结果表明,受切顶卸压影响,切缝侧与非切缝侧覆岩运动红外辐射特征不同,结合覆岩运动过程可分为4个阶段:(1)有限变形阶段,切缝侧与非切缝侧覆岩表面温度均呈现"上升→下降→上升→下降"的M形变化特点,红外热像无明显分异;(2)直接顶破断垮落阶段,两侧覆岩均呈现红外辐射温度突降特点,最大温度突降幅度为1.8℃,红外热像中垮落矸石上部出现低温带;(3)基本顶破断阶段,切缝侧红外辐射温度突增转缓降,红外热像呈现局部高温区与低温区共存特点,非切缝侧红外辐射温度突增转缓增,之后由稳定转突降,红外热像呈现低温带层叠分布特征;(4)覆岩趋稳阶段,切缝侧红外热像存在局部块状高温区,红外热像整体逐渐呈...     

切顶卸压无煤柱自成巷全周期围岩受力及变形规律

切顶卸压无煤柱自成巷所留巷道需经受掘进期间影响、本工作面超前采动影响、滞后工作面覆岩运动影响及下一工作面超前采动影响,因此对巷道顶板变形的全周期性研究至关重要。以神府-东胜煤田典型特点煤层开采为工程背景,综合运用理论分析、数值模拟和现场试验方法对无煤柱自成巷过程中的顶板变形规律和机进行研究。理论分析认为,开采煤层在基岩层薄、松散层厚的赋存条件下,厚松散层可简化为上覆荷载,巷道顶板的变形可视为顶板来压控制关键岩层的变形。巷道掘进阶段可将顶板视为两端固支的超静定梁式结构,预裂切缝阶段、留巷稳定阶段和二次回采超前影响阶段可将顶板视为受力状态不同的简支状态,一次采动影响阶段可将其视为悬臂状态。在一次采动影响阶段,顶板最易发生变形的位置为悬臂岩梁的自由端,该阶段是留巷过程中稳定性最差的阶段,应做好高强临时支护。数值模拟和现场试验发现,巷道顶板在掘进阶段应力及位移最小且呈现对称分布,预裂切缝后顶板应力开始出现非对称分布。一次采动阶段,围岩应力显著增大并最终趋于平稳,二次采动阶段巷道围岩应力会再次轻微增大。巷道顶板变形与应力分布相对应。巷道掘进阶段和预裂切缝阶段顶板轻微变形,一次采动影响阶段为巷道围...     

切顶卸压沿空留巷无煤柱开采技术研究与应用

为解决高瓦斯煤层群开采保护层遗留煤柱所带来的冲击地压、煤与瓦斯突出等事故,提出了切顶卸压沿空留巷无煤柱开采的技术方案,实践表明:切顶卸压沿空留巷技术实现了对采场的卸压作用,成功地保留了工作面机巷作为邻近工作面风巷,消除了保护层遗留煤柱带来的不利影响,并为以后沿空留巷技术和切顶技术的应用提供借鉴。     

店坪煤矿切顶卸压无煤柱护巷技术应用

以店坪煤矿9#煤层9-100工作面开采为工程实例,为提高采出率,拟在该工作面回风巷应用切顶卸压无煤柱护巷技术;通过理论计算与实践分析,确定了切顶卸压技术的关键参数;实践表明,护巷达到预期效果,经济效益增收显著.     

坚硬顶板大采高工作面切顶卸压无煤柱自成巷矿压显现特征分析

为掌握厚层坚硬顶板大采高工作面切顶卸压无煤柱自成巷矿压显现特征，以吉宁煤矿2109工作面为工程背景，通过对留巷过程中工作面支架压力、巷道围岩变形量、恒阻大变形锚索受力、顶板离层变化分析，表明切顶爆破能够切断采空区顶板对巷道顶板的应力传递，使留巷侧顶板处于明显的卸压状态，并给出工作面自成巷受采动影响范围和影响程度，为设计提供依据，供相似条件参考。     

无煤柱自成巷预裂切顶机理及其对矿压显现的影响

预裂切顶是无煤柱自成巷技术的核心,预裂切顶的效果直接关系到成巷的稳定性。以柠条塔煤矿无煤柱自成巷工程项目为背景,首先运用理论分析方法研究了预裂切顶的机理,进而运用离散元数值模拟方法和现场试验方法,对不同切顶条件下巷道围岩的响应规律进行了研究。研究发现,非聚能爆破模式下裂隙向四周扩展,导致巷道顶板形成裂隙分支,破坏巷道顶板的完整性。聚能张拉爆破模式下,应力波在侵彻裂隙的导向作用下可实现定向成缝。为达到理想的切顶效果,装药量及孔间距需协调设计,以保证孔间裂隙贯通。切顶参数变化对巷道围岩的整体变形及矿压分布有重要影响。在一定范围内,增大切顶高度可增大矸石碎胀体积,减小巷道顶板变形和作用在实体煤帮上的应力峰值,但切顶高度不宜过大,否则会增大施工难度,且会增大留巷变形。切顶角度对矿压显现亦有一定影响。当垂直巷道顶板切缝时,巷道围岩变形最大,但当切缝向采空区偏斜10°~20°,留巷围岩变形明显减小。柠条塔煤矿4.1 m采高、砂岩为主顶板的条件下,爆破孔间距为600 mm,单孔装药量为3 200 g时,切顶高度设计为9.0 m,切顶角度为10°时,矸石垮落充分,成巷效果较好。总结认为,切顶高度影响的是采空区矸石的碎胀体积及其对切顶短臂结构的作用力,切顶角度主要影响采空区顶板在垮落中对切顶短臂结构的动态下坠力及稳定后对切顶短臂结构的稳态支撑力,无煤柱自成巷预裂切顶的关键是保证采空区顶板和巷道顶板切得开,在切顶参数设计时应综合考虑预裂效果和切顶后碎胀矸石与切顶短臂结构的作用关系。     

鹿台山煤矿切顶卸压无煤柱成巷技术应用分析

针对鹿台山煤业2号煤层留设区段煤柱护巷造成资源浪费以及由于留设区段煤柱产生较强的应力集中危害生产等问题,经过查阅大量的相关文献以及大量的矿井调研,提出切顶卸压无煤柱开采技术;并通过分析切顶卸压的作用机理,提出本矿的切顶卸压的具体参数以及相应的支护方式;通过现场观测表明所选用的参数较为合理。     

切顶卸压自动成巷无煤柱开采切缝钻机关键技术北大核心

为解决切顶卸压无煤柱开采技术顶板预裂钻孔成孔效率低、钻孔角度调节偏差大、钻孔保直率差等问题,研制了ZDY2-300LM型切缝钻机,研究了切缝钻机的结构布局、车体平台、调角装置、施工钻具、水路系统和液压系统的关键技术和设计要点。进行了空载试验和负载试验,型式试验结果表明钻机各项指标满足设计要求。进行了3个煤矿井下试验,钻孔累计进尺近50000 m,井下试验结果表明:钻机满足切顶卸压无煤柱开采技术顶板预裂钻孔施工要求,并取得了良好的切顶卸压效果,有效解决了顶板预裂钻孔施工缺乏专用、可靠设备难题;且钻机具备施工作业高效、钻孔间距调节范围广、钻孔角度参数调节多,机身窄小及较好的钻孔保直率等显著特点。     

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。     

深井巷内预制充填体切顶无煤柱开采技术研究

针对目前深井高地应力开采环境复杂、煤炭资源采出率低等问题,提出了巷内预制充填体切顶无煤柱开采技术,以山西某矿21214工作面运输巷为研究对象,通过理论分析以及数值模拟仿真方法确定切顶参数、预制充填体合理宽度,并结合工程实例进行了可行性研究,按照设计的施工工艺和参数在21214工作面进行了实施。现场观测结果表明,巷内预制充填体切顶无煤柱开采技术实践效果显著,巷道顶底板最大位移量为120 mm,实体煤帮位移量为145 mm,巷道围岩变形量能够得到很好地控制。     

深部高强锚注切顶自成巷方法与验证

针对深部高应力回采巷道围岩控制难题,以我国最大采深矿井——山东泰安孙村煤矿为工程背景,对传统沿空掘巷、锚杆(索)支护巷道进行监测分析,结果表明:巷道围岩变形量大,破坏范围广,锚杆大部分处于强度劣化区内,难以发挥支护作用,锚索受力大,接近极限破断力。为解决上述问题,系统开展了不同煤柱宽度、地应力大小、顶板围岩强度、切顶高度等影响因素下的数值试验研究,建立了顶板应力释放率、侧向支承压力提升率与围岩变形控制率等定量评价指标,对比分析了多种因素下切顶自成巷与沿空掘巷矿压变化规律与围岩控制机制。基于此,提出了深部高强锚注切顶自成巷方法,利用高强锚注提高巷道顶板完整性,利用顶板预裂切缝切断采空区与巷道顶板之间的应力传递,使巷道处于应力降低区。为进一步验证该方法的合理性,利用自主研发的地质力学模型试验系统,开展了模型试验对比研究,高强锚注切顶自成巷围岩应力比沿空掘巷平均降低20.8%,围岩变形量为后者的45.1%,应力释放与围岩控制效果明显。结合上述研究,提出了相应的工程建议,并在孙村煤矿2215工作面进行了现场应用,监测表明该方法有效控制了巷道围岩变形,实现了无煤柱开采。     

城郊煤矿大深度中厚煤层切顶卸压自动成巷无煤柱开采技术研究

依据21304工作面大深度中厚煤层的具体工程地质条件,对切顶卸压自成巷技术进行了研究,并配套研发出相关实用的关键技术。主要研究了深部工程地质条件,大深度中厚煤层恒阻大变形锚索支护机理及关键技术,大深度中厚煤层预裂爆破切缝机理及关键参数设计,大深度中厚煤层切顶卸压自动成巷工艺及设备配套,大深度中厚煤层切顶卸压远程监控系统设计及矿压显现规律,大深度中厚煤层切顶卸压岩石碎胀规律,研究改变传统的开采模式,提高资源采出率,缓解采掘接替紧张局面,为工作面瓦斯治理和防治水工程开展赢得时间。     

不同煤厚条件下切顶卸压无煤柱自成巷技术应用

为了探究不同煤厚条件下切顶成巷技术体系,以禾草沟二号煤矿薄煤层工作面、店坪煤矿中厚煤层工作面和柠条塔煤矿厚煤层工作面为工程背景,研究了以煤厚为主要影响条件下的切顶成巷关键技术参数,并开展了现场工程试验。研究发现:巷道顶板切得开、留巷围岩护得好是保证切顶成巷技术成功实施的关键,其关键技术可概括为顶板定向预裂成缝技术、NPR恒阻锚索支护技术、动压区临时支护技术和碎石帮挡矸护巷技术;不同煤厚条件下,采空区矸石的垮落状态和顶板覆岩的运动规律不同,从而决定了应采取不同的设计参数。     

切顶卸压无煤柱开采矿压显现特征分析

针对某矿切顶卸压无煤柱开采技术条件,采用理论分析、现场监测与数值模拟相结合的方法对其矿压显现特征进行了分析。结果表明:沿空留巷段可分为初次来压、矿压显现强烈及一般3个危险区,巷道变形发展主要分为掘进变形、采前变形、掘巷渐次变形与变形稳定4个阶段,其中掘巷渐次变形阶段对巷道影响最为严重。切顶卸压可以有效切断顶板的应力传播路径,使应力集中向支架远端的实体煤层中传导,提高支架的支撑效果。工作面滞后40～100 m范围内,煤壁侧应力与顶板累计沉降值显著增加,此阶段顶板岩梁运动剧烈,需要加强支护。研究成果可为矿山沿空留巷巷道施工与支护设计提供指导。