深井跨采巷道围岩应力分布及变形规律模拟研究

基于煤矿跨采过程中存在的工作面矿压显现加剧、巷道围岩难于控制等现实问题,结合具体工程条件,应用FLAC数值模拟软件对上方工作面开采过程中的巷道围岩应力分布特点及围岩变形移动规律进行了模拟研究,得出了工作面前方移动支承压力在底板的传播引起底板岩层处于应力升高区,位于该区内的底板巷道,随着工作面的推进,巷道依次处于原岩应力区、应力升高区、卸压区和卸压稳定区,且在工作面距离跨采巷道前后50 m范围内,应力集中程度较强。在跨采期间,巷道的主要变形发生在工作面跨巷道的时间段,2帮应力集中程度强于顶底板,并引起巷道一定程度的变形。     

底板动压巷道压裂弱结构体应力转移控制技术

为了满足煤矿安全生产的需要,许多巷道都会布置在煤层底板中,如部分运输大巷、排水巷道、瓦斯抽采巷道等。采动应力容易造成底板巷道围岩应力升高,加剧底板巷道围岩变形,造成支护永久失效、顶板下沉、巷道底鼓、两帮收敛等破坏。针对此,提出了在应力传递路径上实施水力压裂,在指定的区域制造出一定空间形态的水压裂缝网,形成压裂弱结构体,实现区域范围内的应力转移,从而降低巷道区域范围内的应力,控制巷道的围岩稳定性的控制技术,并通过理论分析及现场工程验证等方式,揭示了底板动压巷道压裂弱结构体应力转移的力学机制,建立了相应的力学模型,对压裂弱结构体的合理位置、范围等影响因素进行了求解。得出：(1)压裂弱结构体使局部应力场发生明显变化,出现应力升高区和应力降低区,应力降低区主要分布在弱结构体与采动应力连线的方向上,主要集中在一个拱形的范围内;由于膨胀效应,在与应力来源垂直的方向上产生应力集中,出现应力升高区。(2)最大主应力变化幅度与压裂弱结构体的长轴长L、短轴长H、到巷道的距离P、与巷道连线的水平夹角β、压裂层的强度C及内摩擦角α、压裂的损伤变量D等有关。其中到巷道的距离P对卸压效果影响最大,损伤变量D对卸压...     

动压巷道水力压裂切顶卸压技术研究与应用

针对晋城矿区动压巷道多、服务周期长、服务期间受多次强烈采动影响等特点带来的围岩控制难题,以王坡煤矿典型动压巷道为工程背景,通过现场地应力与围岩强度实测,分析了复用巷道围岩变形破坏的原因,通过分析诱发巷道围岩变形的主要力源,揭示了水力压裂切顶卸压维护复用巷道围岩稳定的作用机理。利用理论计算确定了合理压裂层位高度及相关参数,制定了水力压裂卸压技术方案,并成功应用于井下试验。现场应用效果表明,水力压裂卸压技术有效缩短了工作面悬顶、降低周期来压步距,同时减小来压时动压系数;显著降低了支架所受顶板压力。压裂段巷道顶板移近量减少了55.7%,采动影响范围明显减小,水力压裂能够极大减小复用巷道围岩的收敛量与收敛速度的同时在远场上形成了应力缓冲区,缓解了复用巷道的高应力状态,起到了良好的卸压效果,维护了巷道围岩的相对稳定。     

顶底板双软型薄煤层工作面矿压显现规律分析

针对顶底板双软型薄煤层综采过程中围岩控制难度大的问题,建立了顶底板双软型薄煤层围岩变形力学模型,并结合现场实际条件,采用FLAC3D数值模拟分析顶底板双软型薄煤层开采过程中围岩塑性区、围岩垂直应力、煤壁前方支承压力的变化规律,得出薄煤层综采时的围岩破坏机理。赵官煤矿1705E工作面实测矿压结果表明:直接顶初次垮落步距为18.2 m;基本顶初次垮落步距为37.8 m,周期来压步距平均为16.0 m;煤壁支承压力在煤壁前方13 m左右明显增大,影响范围为0~25 m;巷道两帮最大移近量为300 mm;巷道顶、底板最大变形量分别为900、500 mm,围岩变形实测数据与数值模拟结果相吻合。     

开采扰动下底板巷道应力演化规律及围岩稳定性研究

为了研究开采扰动诱发底板瓦斯抽采巷围岩失稳问题,以龙凤煤矿5921底板瓦斯抽采巷为研究对象,采用数值模拟的方法分析了5921工作面开采过程中底板瓦斯抽采巷围岩应力演化过程及围岩变形破坏特征。研究结果表明：垂直应力在巷道跨度范围内随深度增加而增大,巷道位于工作面前方的位置,围岩应力分布特征大致相同,巷道位于采空区的部位,左帮岩体处于卸荷状态,而右帮岩体出现明显的应力集中现象;围岩变形在时空上相较工作面开采有一定的滞后,底板瓦斯抽采巷最大变形位置滞后于回采工作面10～30 m,工作面前方10 m范围内围岩变形呈增加趋势;底板瓦斯抽采巷位于采空区范围内的部位破坏以拉伸破坏为主,位于煤壁前方支承压力区的部位破坏则以拉伸-剪切组合破坏模式为主,巷道顶板垮落、底鼓的风险较大。     

大采高工作面二次动压巷道水力压裂切顶卸压技术研究

为了解决大采高工作面二次动压巷道围岩变形破坏严重问题,以小保当一号煤矿112202工作面回风顺槽为工程背景,从应力角度分析得出巷道围岩破坏的原因,主要为上区段工作面侧向应力和本区段工作面超前支承应力叠加造成;分析了水力压裂切顶卸压作用机理,即通过压裂使顶板岩层产生裂缝,降低其整体强度和完整性,阻断采空区应力传递路径,减小回采时巷道悬顶距;提出了二次动压巷道超前水力压裂方案,水力压裂切顶卸压现场试验结果表明,压裂段顶底板移近量相对未压裂段降低约54.3%,两帮移近量降低约51.1%,压裂段煤体应力相比未压裂段降低了50%以上。研究成果在现场工程的成功应用表明水力压裂切顶卸压技术能够明显改善大采高工作面二次动压巷道应力环境,增强围岩稳定程度。     

煤柱下煤层巷道围岩变形破坏机理

针对寨崖底矿煤柱下回采巷道失稳问题,通过理论分析、数值模拟和现场实测等方法,分析了寨崖底矿煤柱下煤层巷道的破坏机理。得出了上煤层工作面回采后,遗留煤柱底板应力分布规律。发现煤柱下煤层高应力集中区围岩受工作面采动动载高应力扰动出现垂直应力峰值增大、应力集中区范围增加、非对称应力场,是此类巷道大变形破坏的根本原因,且预测采动影响范围为工作面前方60 m至后方130 m。     

基于应力场干预的巷道围岩控制技术

高应力巷道围岩破坏严重变形剧烈,在服务期间难以满足回采的要求,已经成为煤矿安全开采研究的重点和难点.本文从应力转移、应力阻隔和应变能释放3个角度,归纳总结了应力场干预的巷道围岩控制技术.针对坚硬顶板提出水力压裂断顶,高应力底鼓聚能爆破断底,大变形巷道钻孔卸压技术,分别探讨了每种手段的技术原理.水力压裂使岩层的承载层向高位移动,同时应力向煤体深部转移;聚能爆破在底板岩层中形成连续的结构面,阻断水平应力的传播途径和改变其传播方向;钻孔卸压可以释放高应力岩体的应变能为围岩变形提供补偿空间.工程实践表明,提出的应力场干预技术能够有效地控制围岩稳定,为高应力巷道维护提供技术保障.     

急倾斜煤层大段高综放开采围岩变形监测研究

为研究急倾斜煤层大段高综放开采条件下围岩变形破坏的规律,对新疆碱沟煤矿+564m水平22m大段高工作面回采巷道、顶底板及顶煤体进行了围岩变形量监测。监测表明:工作面前方20m范围内,回采巷道顶底板变形量明显大于两帮变形量,但均在可控范围内;不同层位顶煤体完全垮落时距煤壁距离不同,从而保证支架在走向方向上承受上方顶煤体完全破坏后的部分压力;顶底板岩层的垮落区域均位于煤壁较后方采空区内,避免了工作面区域围岩大范围垮落的影响。研究为大段高开采条件下工作面的安全高效生产提供了基础依据,并为进一步提高工作面分段高度作了有益的尝试。     

采动影响下底板岩体及巷道破坏时空演化特征分析

明确工作面底板采动应力分布规律,实现采动影响下底板岩体及巷道破坏程度的精准把握,能有效防止底板巷道的变形失稳。为此,根据极限平衡理论,构建煤岩体超前采动应力力学模型,获得支承压力扰动阶段和采空区卸压阶段底板岩体的力学分布规律,并基于压剪破坏准则及岩体卸荷损伤机制,得到底板岩体及巷道围岩破坏时空演化特征,进一步采用数值模拟进行可靠性验证。结果表明：采高增大,工作面前方煤体塑性区范围增大,超前支承压力集中系数减小;超前采动支承压力越大,底板岩体内主应力差越小,莫尔应力圆半径小,对底板的影响强度减弱,具体表现为底板岩体压剪破坏深度的减小;卸荷后底板岩体受力状态相同,岩体卸荷起点的增大,卸荷量增加,卸荷张拉破坏加剧,底板岩体塑性区呈“马鞍形”;推进过程中巷道围岩塑性区发生由“椭圆形”-“蝶形”-“竖直椭圆形”时空演化特征,采动支承应力越大,巷道破坏越严重,破坏主要集中在顶板及肩角位置。设计初采高度为3.5 m,通过布设光纤测试系统,得到采动过程中底板岩体及巷道随工作面推进变形与破坏的时空演化规律,测得底板岩体破坏深度最大为16.7 m,巷道围岩破坏深度最大为5.2 m,巷道围岩体在整个监测期间...     

深井采场外错式顶板巷道围岩卸压控制技术研究

为了解决深井采场外错式顶板巷道围岩大变形破坏失稳问题,采用数值模拟、理论分析和现场试验等方法对淮南矿区潘三矿17191(1)工作面顶板瓦斯综治巷围岩变形失稳机理及其控制技术进行了研究。结果表明：工作面开采后形成的采动应力沿采空区侧向岩体向巷道围岩内部“转移”是导致巷道围岩变形失稳的主要诱因;结合应力“转移路径”和压力拱理论,推导出卸压“关键层位”高度计算公式,明确了影响顶板巷道矿压显现的“关键层位”为6.5 m厚的中细砂岩,并得到了切落“关键层位”的切顶高度(49.9 m)、角度(10°)和炮孔间距(10 m)。“关键层位”被切断后,巷道左右两帮应力峰值分别减小了42.1%,46.5%,顶底板移近量减小了44.9%,巷道高度由1.8 m增大至3.0 m,断面收缩率减小了34.3%。     

采动影响下瓦斯综治巷围岩稳定性控制技术

控制采动影响下瓦斯综治巷围岩稳定性是高瓦斯矿井亟待解决的支护难题,通过理论分析、数值模拟、现场试验等方法探究了切顶卸压技术在潘三矿瓦斯综治巷稳定性控制的实施效果。理论分析得出瓦斯综治巷所在岩层处于工作面开采后形成的裂隙带层位,巷道周边原有集中应力与工作面侧向采动支承压力叠加,引起瓦斯综治巷应力环境恶化,且采动应力场起主导作用。数值模拟研究表明实施运顺切顶卸压技术措施后,巷道两帮应力集中程度降低,应力集中系数减小,围岩破坏程度减弱,破坏范围减小,有效地改善瓦斯综治巷围岩应力环境。现场监测表明,实施切顶爆破技术措施后,对瓦斯综治巷的卸压保护效果有一定滞后,首个切顶炮孔前100m范围内瓦斯综治巷仍变形明显,但变形量随着切顶范围的增大逐渐减小,巷道维护状态逐渐改善;首个切顶炮孔前100m范围以外,远场卸压及应力阻断效果明显,瓦斯综治巷基本无剧烈变形破坏情况,巷道维护状态良好。     

高应力煤巷钻孔卸压与锚杆支护耦合作用研究

王庄煤矿+540 m水平厚煤层大断面巷道由于应力高、顶煤强度低及大采高工作面扰动影响,巷道围岩控制较为困难。在综合分析采矿地质条件基础上,提出对煤巷实施钻孔卸压与锚杆支护耦合作用的支护方案。通过数值模拟和现场试验相结合,分析比较巷道顶底板变形规律和应力特征,确定了合理的优化支护方案,即卸压钻孔直径400 mm、间距4 m,锚杆间排距0.9 m、预紧力90 k N。在8110工作面现场应用表明,采用耦合支护方案后,巷道顶板下沉量减小30.3%,底板变形量减少8.6%。围岩变形量在设计范围内,煤柱应力降低且向深部转移。证实了耦合支护方案能有效控制围岩变形,保持围岩稳定,而且也为类似巷道的设计和加固提供了参考价值。     

浅埋深动压回采巷道水力压裂技术研究与应用

为提高浅埋深窄煤柱回采巷道围岩稳定性,以红柳林煤矿15217工作面窄煤柱回采巷道为工程背景,依据顶板岩层分布特征分析了诱发巷道变形的主要力源,分析了顶板水力压裂卸压作用机理,确定了合理压裂层位高度,制定了水力压裂卸压技术方案,并成功应用于井下试验。试验结果表明,顶板水力压裂后,回采巷道超前矿压影响小,滞后工作面时锚杆受力以及变化幅度较小,最大受力88.7 kN,煤柱浅部应力增长突出,表明水力压裂后煤柱侧向悬顶结构尺度减小,顶板岩层应力逐渐向实体煤方向转移。回采巷道变形主要表现为肩窝内挤变形,顶板浅部离层3.0 mm,深部离层4.5 mm,巷道整体支护效果较好,表明水力压裂卸压技术对浅埋深窄煤柱回采巷道的围岩变形具有较好的控制效果。     

综采工作面回采巷道围岩变形规律研究

结合潘谢矿区谢桥矿综采工作面具体条件,采用现场实测的方法,对综采工作面回采巷道围岩变形规律进行了研究,得出了综采工作面动压巷道围岩变形规律.研究表明,受采动影响的范围为工作面煤壁前方40～55m处,此范围内的回采巷道围岩顶底板移近量和两帮移近量比较明显,两帮变形较大.     

水力压裂卸压技术在双U工作面留巷围岩控制中的应用

针对双U布置工作面外侧留巷巷道受到多次扰动影响,以山西潞安漳村煤矿2502工作面为工程背景,设计并实施了单排压裂孔不同压裂间距的定向水力压裂技术现场试验,探究了钻孔密度对压裂效果的影响,每个钻孔设定4个合理的压裂段,从孔底向孔口后退式分段逐次进行压裂,有效解决了顶板坚硬岩层悬而难跨问题。试验得出:定向水力压裂能够在顶板岩层中形成裂隙,破坏局部顶板的完整性,有效弱化顶板局部围岩强度,降低了应力集中程度,并减小了端头支架的工作阻力;钻孔密度对巷道围岩浅部卸压效果的影响不明显,对巷道围岩深部卸压效果明显;压裂孔布置得越密,卸压效果越好,钻孔密度提高3倍后,巷道卸压效果提升53%。综合对比分析得出:一定条件下14 m压裂孔间距经济合理;实施定向水力压裂后巷道顶底板和两帮位移量分别降低了45%和26%,对控制巷道变形效果良好。     

厚度突变煤层采动围岩应力显现及岩移规律研究

为研究煤岩层厚度突变条件下采动围岩应力显现及岩层移动规律,采用FLAC^3D数值模拟软件对平煤十矿己_15.16-24110工作面煤厚和倾角突变影响区域进行建模,模拟赋存条件突变煤体在采动影响下围岩位移和应力显现规律,进而分析顶底板失稳产生的原因及规律。结果表明,随着开采深入,卸压区和应力集中范围变大;在煤层突变的位置,煤层工作面煤壁及围岩出现卸压区影响范围突然扩大,顶板卸压范围变大,形成“双驼峰”状,煤壁的应力集中系数增加明显;煤厚突变区域上覆及下伏岩层应力显现和岩移量均明显高于其他区域,说明该区域易蓄积能量,成为动力灾害及岩层失稳频发区域。     

大采高工作面动压区的防治与研究

针对大采高工作面开采过程中的超前应力集中问题,所用的卸压法和支护加固法控制软岩巷道底鼓的机理,实质是采用措施改变巷道围岩应力状态,使底板岩层处于应力降低区,实现底板岩层稳定.     

近距煤层群底板大巷掘前卸压开采技术研究

为合理设计钱家营矿近距煤层群底板岩石大巷层位和施工顺序,减缓动压影响,采用理论分析、数值模拟等手段对大巷合理布置位置、减压开采工作面尺寸及减压开采效果技术论证与对比研究。结果表明:底板大巷应在上方采面回采结束底板稳定后掘进,采面斜长至少为两倍的支承压力影响范围,巷道应布置在采面底板破裂影响范围外;钱家营矿采用180m的9煤层卸压工作面开采,回风巷布置在12-1煤层底板岩层中,巷道两帮围岩应力降低明显,顶底板移近量为389mm,两帮移近量为324mm,减压开采效果良好,有利于巷道的长期维护和运营使用。     

深部矿井下山采区底板巷道跨采技术研究

针对平煤十矿采区底板回风下山巷道工程地质条件,通过数值计算研究了深部回风下山底板巷道变形破坏严重的主要原因、跨采前后底板巷道围岩应力场和位移场以及跨采期间巷道围岩变形规律。研究结果表明,原岩应力高、围岩岩性差以及工作面采动影响,是采区回风下山巷道围岩变形失稳破坏严重的主要原因。跨采前巷道底板应力场呈"泡形"分布规律,巷道围岩最大应力集中系数为2～3;跨采后底板巷道围岩应力恢复到原岩应力。跨采期间底板巷道围岩移近量为底板巷道与跨采工作面水平距离L的单调递增函数。研究结论对于实现采煤工作面安全跨采提供了技术支撑。