空巷顶板稳定性力学分析及充填技术研究

以柳林郭家山煤矿4217综放工作面(回收上山煤柱)过空巷为工程背景,建立了基于工作面超前采动影响的空巷顶板力学模型,分析了空巷顶板稳定性与空巷充填体相互作用关系,得到了空巷顶板稳定的充填体支护阻力计算式,确定空巷充填体的支护阻力不低于3.58 MPa,提出采用高水材料充填过空巷技术∶1)高水材料浆液可对空巷周围破碎煤岩体与空间胶结形成整体结构,提高对顶板的支撑作用;2)采用高水材料水灰比2.5∶1能满足支护空巷顶板强度要求,保证顶板不发生滑落失稳和回转变形失稳.工程应用表明,高水材料充填空巷保持了煤壁和顶板的稳定性,是安全快速过空巷的有效途径之一.     

综放工作面过密集空巷群高水充填技术研究及应用

针对整合矿井残煤复采综放工作面过密集空巷群问题，采用理论分析和数值模拟方法研究了综放工作面超前支承压力对空巷群稳定性的影响，确定了全空间高水充填材料的合理强度。研究结果表明：综放工作面超前支承压力与空巷群侧向支承压力相互叠加，会造成工作面与空巷群之间的煤柱及空巷群自身的煤柱进入塑性屈服状态，易诱发密集空巷群及其顶板大范围采场围岩失稳|随综放工作面与空巷间煤柱宽度的减小，空巷充填体所需的支撑强度近线性增加，随充填体强度的提高，全空间充填体抑制空巷顶板下沉变形的能力近线性增大|综合理论计算和数值模拟结果，确定了荆宝煤业3号煤层全空间充填空巷群的高水充填体强度不小于2.5MPa，现场实践验证了充填材料设计强度的合理性和全空间高水充填技术的有效性，保证了工作面安全高效通过空巷群，避免了充填体材料过低带来的潜在安全隐患，也解决了充填体强度过高造成的经济投入浪费，为类似条件下工作面过密集空巷群高水充填技术的推广应用奠定了理论基础和实践经验。     

综放工作面充填过空巷顶板失稳机理及控顶研究

为了解决综放工作面过空巷时易造成压架、大面积冒顶等技术难题,以山西某矿4318综放工作面过空巷为背景,建立空巷基本顶力学模型,揭示空巷顶板稳定机理,确定顶板破断产生滑落失稳是造成压架的主要原因,进而确定维持空巷顶板稳定的最小支护阻力;采用FLAC3D软件对不同充填体强度下空巷围岩应力、塑性区宽度和巷道变形进行分析,确定了过空巷时的最佳充填体强度。研究结果表明:工作面空巷顶板所需支护阻力应大于4.5 MPa,合理的充填体强度为7.1 MPa。工业试验对比分析了木垛支护、锚杆(索)支护和高水材料充填3种方式,证明高水速凝材料充填支护效果最好,顶板未曾出现冒落现象,帮部也保持了稳定,能够保证综放工作面正常推进。     

综采工作面过空巷围岩变形与控制技术研究

为了解决山西某矿3204大采高综放工作面过空巷时围岩变形大、易发生冒顶、片帮等问题,对工作面过空巷时顶板变形情况进行了分析,提出了部分充填过空巷方案.利用FLAC3D数值模拟软件确定了充填体最佳长度为6 m.工业性验证结果表明,采用部分充填后,空巷影响范围内工作面液压支架最大压力为29.33 MPa,低于支架安全阀开启...     

深井孤岛煤柱工作面沿空留巷支护技术研究

以车集煤矿深井孤岛煤柱工作面为工程背景，探究深井高应力孤岛煤柱工作面沿空留巷充填体—围岩变形机理；构建沿空留巷围岩力学结构模型，计算出沿空留巷支护所需充填体的宽度及强度，并通过FLAC^3D软件模拟、现场监测验证了充填体宽度和强度的合理性。研究结果表明：孤岛煤柱工作面沿空留巷采用高水充填材料巷旁充填技术，以充填袋成形方式进行充填，可使充填体有效接顶；采用“锚杆锚索联合支护+巷旁充填体”方式进行煤柱中巷支护时，合理的充填体宽度为4.0 m,应力达到8.0 MPa时巷道变形趋于稳定。现场监测结果表明：23下工作面开采30 d内，煤柱中巷最大顶板下沉量不超过50 mm,充填体帮部变形不超过40 mm;回采结束后30 d内，顶板下沉量不超过20 mm,充填体帮部变形量最大为348 mm,煤帮变形量较小，最大处为150 mm,沿空留巷效果良好。     

大采深综采工作面充填留巷围岩稳定性关键技术研究

为解决大采深综采工作面无煤柱沿空留巷围岩稳定性问题,通过对充填体切断和支护顶板动力学过程进行理论分析,得出了充填体抗压强度22 MPa条件下,宽度不小于2.4 m;采用FLAC3D数值模拟,对不同厚度及不同强度充填体下巷道顶板下沉量和围岩塑性区变化规律进行了研究,得出了充填体厚度为2.5 m、强度为22 MPa时顶板下沉量达到工程需求,并提出了沿空留巷超前区、待充填区和滞后区分段支护技术,为类似地质条件矿井中该技术的应用提供借鉴。     

综采工作面通过走向空巷充填技术研究与实践

以综采工作面通过走向空巷为工程背景,综合运用现场调研、理论计算、数值模拟和工业性试验等手段,研究走向空巷围岩失稳机理,指出高跨比是影响空巷围岩稳定的关键因素;推演了空巷顶板变形破坏演化的4个阶段,提出空巷围岩控制应该遵循及时支护和减小顶板跨度原则;从技术和经济效益角度对比传统过空巷方式,提出了综采工作面通过走向空巷高水材料充填控顶技术,揭示了充填体对空巷顶板的作用机理,确定出充填体关键参数:充填体抗压强度为1.0 MPa,高水材料的水灰质量比为8∶1。在此基础上,设计了走向空巷充填技术及工艺。工业性试验表明:综采工作面过空巷期间,该充填体能够有效支撑顶板且未明显影响正常煤炭开采,保障了煤炭资源的安全开采。     

密实膏体充填面沿空留巷围岩稳定性控制研究

为减少区段煤柱的留设,提高建筑物下遗留煤柱的回采率,以岱庄煤矿2353工作面运输平巷沿空留巷为背景,提出"采空区密实膏体-巷内支护体-实体煤"共同作用于上覆岩层的联合控制系统,通过构建FLAC~(3D)模型,明确影响膏体充填面沿空留巷围岩稳定性的3个因素的合理取值,模拟结果表明:工作面充填率为95%,膏体强度为5 MPa,木桩排距与采高比为1∶3时可进一步强化围岩控制;同时依据该矿地质条件,给出了沿空巷道加固支护方案。现场施工后,监测到顶板最大下沉量为137 mm,两帮最大移近量为290mm,围岩变形量在允许范围内,满足邻近2354工作面的使用要求。     

浅埋综放工作面过空巷围岩变形规律数值模拟及方法研究

煤矿工作面开采普遍面临过空巷的技术难题，为研究浅埋综放工作面过空巷围岩变形规律，采用FLAC3D数值模拟的研究方法，研究了传统工作面调斜过空巷过程中围岩变形特征，同时提出一种综放面充填过大断面空巷方法，该方法以大断面空巷充填体为底板，通过仰采-平采-俯采三个过程完成工作面过空巷，避免了传统开采调斜、加强支护等难题，实现了工作面连续高效、安全开采。研究结果表明：调斜时在工作面距离空巷16 m时，空巷围岩逐渐受到影响，塑性区贯穿工作面与空巷之间煤柱，并发生破坏，而充填过空巷推进过程中仅在采场中部充填体及仰俯斜段煤体发生小规模破坏，塑性区发育面积较小，采场两端均未发生破坏，工作面调斜过空巷时超前应力最大达25 MPa，侧向应力最大达12 MPa；而充填过大断面空巷时受采动影响小，相比于工作面调斜过空巷超前应力峰值降低10 MPa，侧向应力峰值降低2.5 MPa，从围岩塑性区破坏及采场应力弱化角度证实了该方法的可行性。     

大倾角走向长壁工作面局部充填无煤柱开采理论与技术

大倾角煤层走向长壁采场围岩结构及应力环境异化,工作面不同位置“支架-围岩”系统的构成因素及灾变模式不同,导致工作面安全事故频发、煤炭采出率较低、巷道掘进率高。通过对大倾角采场围岩采动力学行为的分析,提出了大倾角走向长壁工作面局部充填无煤柱开采技术构想,工作面走向推进过程中沿倾向对采空区下部进行局部充填,充填体既与巷旁支护作用形成沿空巷道,取消区段保护煤柱,实现大倾角煤层无煤柱开采,又增大了工作面倾向下部充填压实区长度,加强了工作面“支架-围岩”系统稳定性。根据大倾角走向长壁采场特点,优选确定了大倾角膏体局部充填工艺,设计了大倾角局部充填回采系统、采充工艺。并采用理论分析、模拟实验、数值计算等相结合的方法,分析了局部充填对大倾角走向长壁采场围岩采动力学行为的调节机制。结果表明：充填体影响基本顶岩梁的变形破坏及采场倾向下侧煤岩体承载特征,基本顶、运输巷顶板变形量及运输巷倾向下侧煤岩体所受约束均随充填长度的增大而减小;为防止采空区未充填区悬顶灾害,充填长度不应超过工作面长度的1/3。局部充填体限制了工作面下部区域顶板破断,降低覆岩关键域形成层位,形成稳定的巷帮,减小沿空留巷围岩变形量;同时工...     

回收大巷煤柱工作面过空巷围岩破坏机理和控制技术

为解决回收大巷煤柱条件下综采工作面过空巷时,易造成压架、工作面中部大面积冒顶和煤壁稳定性的问题,以鄂尔多斯纳林庙二号矿井6^-2116综采工作面过8号联巷为工程背景,采用理论分析、FLAC^3D数值模拟、现场工程实测相结合的多重手段分析了6^-2116综采工作面围岩破坏机理;基于理论分析,确定了充填体强度应大于5.17 MPa,能够保证工作面顺利通过联巷,充填体可以维护空巷围岩的稳定性;通过FLAC^3D数值模拟,确定了充填体强度10.5 MPa最为合适;经过现场工业性试验综合对比了煤粉-水泥填充木垛接顶、高水速凝材料填充、锚索+工字钢棚支护等方法对围岩控制的优劣性,最终确定以煤粉-水泥充填木垛接顶的支护方式,这种方法支护效果与高水速凝材料强度基本一致,能够最大限度地节约充填支护的成本,同时也能够减少顶板中部的下沉量,大巷与联巷交叉处煤壁帮部也保持了稳定,能够有效保证综采工作面正常推进。     

工作面过走向空巷充填体作用机理及参数确定

工作面过空巷一直是未能很好解决的技术难题。以欣源矿30101综采工作面过走向空巷为工程背景,分析了走向空巷变形破坏原因,得到了空巷顶板不发生离层的充填体最小支护阻力。根据充填体强度与顶板下沉的关系和高水材料强度随时间的关系,确定采用高水材料水灰比为8∶1。现场应用表明:采用此水灰比的充填体能有效支撑空巷顶板,不影响正常回采,现场应用效果良好。     

无机材料充填技术在工作面过空巷中的应用

为了保证工作面安全通过与其斜穿大断面空巷,基于充填控制围岩变形基本原理、待治空巷特征以及充填材料特性,采用无机材料充填的方法进行了空巷治理。为确定充填材料参数,采用大范围数值计算的方法研究了工作面过斜穿空巷期间不同充填体强度下顶板下沉变形及应力分布情况,得出充填体强度越高,空巷底板下沉量越小,但相差不大的结论。基于此,考虑充填成本及空巷顶板强度问题,确定了空巷上分层5∶1、下分层3∶1的组合充填方案。现场应用结果表明:该方案能够满足围岩变形控制要求,当工作面接近和切割充填体时,无架前片帮或冒顶现象,支架阻力稳定,顶板无明显变形,工作面安全通过。     

超长工作面过大断面空巷充填支柱支护技术

为解决超长综采工作面过大断面空巷易片帮、冒顶的难题,采用了充填支柱支护技术,并从充填支柱材料、结构、充填系统、施工工艺等方面对高水材料充填支柱体系进行完善。通过单轴压缩试验测试了高水材料充填支柱的承载性能,结果表明:高水材料充填支柱承载性能稳定,抗压强度为10.65 MPa,残余强度为峰值强度的85%。在成庄矿5314超长工作面应用高水材料充填支柱支护技术,配合煤壁注浆加固及锚索补强对大断面空巷进行综合治理,现场实测表明,充填支柱支护空巷的顶板最大下沉量350 mm,中部两帮移近量最大280 mm,巷道底鼓量最大230 mm,空巷变形量小,工作面顺利通过空巷。     

沿空留巷巷旁充填系统模板支架及其应用

沿空留巷巷旁充填系统是目前国内机械化程度较高的充填系统。在总结无煤柱开采沿空留巷巷旁支护技术基础上,针对回采工作面以模板支架为关键装备的巷旁支护充填系统,重点阐述了不同形式或用途的模板支架结构特征。结合煤矿生产应用实践,介绍了回采工作面巷旁支护模板支架充填系统工艺。实践证明:充填支架(模板)适于沿空留巷巷旁支护系统,充填体强度性能稳定,可有效控制顶板及围岩活动,留巷维护效果良好。     

义城煤业3402复采面过空巷充填技术应用

为保障3402复采工作面顺利通过空巷区域,确定工作面空巷区域采用充填开采技术,充填材料采用高水材料,通过数值模拟确定充填材料的水灰比为0.6∶1,充填体的强度为1 MPa,结合3402复采工作面特征进行充填开采方案的设计,并在工作面推进过充填区域时进行支架阻力监测与现场观测。结果表明:采用充填开采技术后,通过空巷区域时支架工作阻力无超限现象,煤壁无大范围片帮现象,充填开采效果显著。     

综采工作面充填材料过空巷技术研究

以榆树坡煤矿1207工作面过大断面空巷为例,通过计算,研究综采工作面过空巷围岩变形特征,提出采用充填材料充填空巷技术。通过建立充填后空巷顶板稳定力学模型,计算出了空巷顶板稳定的充填体最小支护阻力,确定了合理的填充参数。最后应用到现场,实践表明,采用充填材料充填空巷技术能保持空巷围岩结构的稳定,确保工作面快速安全通过空巷,解决了综采工作面过大断面空巷的难题。     

成庄矿综放工作面过空巷技术

针对成庄矿3311综放工作面前方2条空巷为平行空巷和顶板空巷的特点以及在连续过空巷时工作面超前支承压力重叠、矿压显现剧烈及顶板垮落等突出问题,确定空巷充填为过空巷的合理方式。利用数值模拟,对比分析了不同强度充填体支撑下巷道围岩的破坏情况,确定空巷充填满足支撑条件的充填体强度不得低于2 MPa,确定高水材料选用水灰比为3∶1。结合现场实际情况,为工作面连续过2条顶板空巷设计合理空巷注浆接替方案,并进行了工业性试验。结果表明,工作面过空巷阶段与正常回采阶段无明显差别,未出现明显片帮、冒顶等现象。     

高水材料充填支柱在大采高工作面过空巷中的应

为有效解决大采高工作面过空巷期间出现顶板下沉严重、片帮、冒顶、压架、倒架等生产中遇到的难题,确保工作面回采期间安全通过空巷区域,针对成庄矿5314大采高工作面空巷长度长、断面大、且平行于工作面布置等诸多问题,采用理论分析与现场工业性试验相结合的方法,对空巷围岩控制问题进行研究,提出高水材料充填支柱过空巷工艺,并进行现场应用。结果表明：采用高水材料充填支柱对空巷区域进行加强支护,能够有效控制空巷区域围岩有害变形,保障工作面安全、高效、快速通过空巷区域,与木垛、单体液压支柱支护空巷、二次搬家相比,高水材料充填支柱具有显著的经济效益。     

复采工作面过空巷顶板稳定性

针对复采工作面过平行空巷支架支护阻力计算的问题,通过现场调研和理论分析,建立了过空巷采场基本顶破断的力学模型,提出了影响复采采场基本顶超前断裂的3个因素：复采工作面与空巷间煤柱宽度、复采工作面与周期断裂线距离、空巷宽度。通过对影响因素的力学分析,得到了基本顶超前断裂的力学作用机理：复采工作面与空巷间煤柱随回采失稳,导致顶板失去煤柱支撑,基本顶梁结构的悬臂长度增加,当悬臂长度达到周期来压步距时,悬臂梁在固支端断裂。基于Bieniawski公式,推导得到了复采工作面与空巷间煤柱失稳的临界宽度W*和复采工作面基本顶必然产生超前断裂空巷临界宽度A0。根据过空巷采场基本顶破断力学模型对基本顶来压力学模型中断裂岩块尺寸进行了针对性调整,运用调整断裂岩块尺寸后的基本顶来压力学模型计算得到了适用于复采工作面的过空巷期间支架最小支护强度为10 910.77 kN/架。圣华煤业复采工作面过空巷期间的矿压观测结果表明：工作面过空巷期间,最大工作阻力为9 656 kN/架,支架支护强度计算合理。