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。     

动压底板巷道支护技术研究

底板岩石巷道在受采动影响时经常出现巷道变形量大、难以维护的情况。以淮北矿业集团杨柳煤矿10414运输巷底板瓦斯抽采巷为背景,研究了受采动影响底板岩巷的支护方式及其矿压显现规律。通过理论分析、数值模拟等方式得到底板巷道围岩应力分布规律,由此得出了底板巷道的变形破坏主要机理,并有针对性地提出了控制巷道变形的工程控制措施,现场实践表明,巷道变形量小,控制效果好。     

底板岩巷断面选择及支护设计研究

以某矿2106工作面和2107工作面联合布置，沿空留巷两进一回“Y”型通风系统通过共用底板岩巷进行回风为工程研究背景。在回采面推移中的采动影响对巷道围岩稳定性有着一定的负面影响，如何实现底板岩巷经受两次回采扰动后能对围岩有效控制，事关留巷通风及生产安全。文章通过对围岩物理化学性质、地质构造和原岩应力分布形式及巷道破坏特征分析，通过巷道轴线方向与围岩水平应力方向比确定底板岩巷断面形状；基于巷道围岩松动圈支护理论和软岩工程支护原则，提出了适合于岩巷的锚网+柔模连续碹联合支护技术，解决了软岩巷道经受两次采动影响后围岩变形大、支护困难等问题，具有良好的经济效益和应用前景。     

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。     

动压巷道多次扰动失稳机理及开采顺序优化研究

应用计算机模拟、现场实测和理论分析综合研究方法,分析了煤层群开采条件下的张集煤矿1113(1)工作面轨道巷多次扰动失稳机理,并对煤层群邻近层多工作面回采顺序进行了数值计算,再现了不同开采顺序下的底板动压回采巷道围岩力学环境。研究表明：目前采用的邻近层交错同采方式,1113(1)工作面轨道巷失稳的力学本质为,本工作面回采活化了已破坏的上覆层间似连续-非连续-散体结构,加剧了工作面前方受多重采动影响的轨道巷浅部高应力环境下的大范围持续强变形,突出表现为巷道底鼓强烈;回采顺序显著影响煤层群回采巷道围岩稳定性,下行开采下伏回采巷道受扰动程度最低,巷道变形及围岩破坏范围最小;邻近层对应同采,下伏工作面轨道巷受上覆工作面底板聚压影响区高应力、巷道开挖、本工作面开采扰动等多重因素叠加作用,巷道围岩破坏范围最大、变形最严重。煤层群开采采区设计中应尽量采用下行开采,同时避免或减少巷道受多次采动影响。     

上部煤层采动底板巷道围岩破坏特征与卸压控制技术

针对祁东煤矿开采61煤层同时要确保下部底板岩石大巷正常使用的技术难点,采用理论分析和数值模拟方法研究了上部煤层对底板巷道的动压影响,得出:该底板巷道围岩失稳的实质是其受上部采动应力在底板传递的影响,应力集中系数达1.5~1.8倍的原岩应力;其围岩稳定性控制应综合考虑围岩应力集中的诱发因素和卸压护巷原理。继而基于卸压护巷理论,提出钻孔松动爆破卸压护巷技术方案,确定钻孔爆破卸压的技术参数及卸压时机。工程实践表明:采取巷帮、底角钻孔松动爆破卸压护巷方法,使得相邻钻孔间"塑性弱化带"贯通,实现应力向围岩深部转移,能有效控制采动影响下的底板岩巷围岩变形破坏。     

构造型近距离煤层群底板瓦斯抽放巷控制机理与应用

针对构造型近距离煤层群的地质条件,建立了构造区底板瓦斯抽放巷屈曲破坏的力学模型。通过计算得出结论：当巷道顶底板所受轴向压力大于0.8倍使梁达到屈曲的最小轴向压力时,变形明显增大;顶底板变形破坏导致两帮出现压缩破坏;巷道围岩破坏的发展与支承压力转移程度密切相关。结合力学分析、理论研究和矿井巷道围岩与开采环境条件,提出了底煤层开采动压产生裂隙导通上煤层瓦斯通道的底板瓦斯抽放巷控制机理与支护新技术,确定近距离煤层群两工作面巷道的相对距离为35 m,达到了近距离煤层群巷道掘进与工作面开采的瓦斯立体抽采的要求,既控制了瓦斯浓度,实现了安全开采,又保证了民用瓦斯用量。     

高应力扰动破坏区巷道围岩稳定性控制研究

高应力扰动破坏区巷道围岩裂隙发育,其巷道内部的支护结构易受施工与环境的影响而失稳破坏,因此加强对高应力扰动破坏区巷道围岩的稳定性控制至关重要。针对某矿3316工作面的地质特征,采用现场实测方法对采动过程中围岩裂隙的发育特征进行分析;结合采动机理分析与数值模拟研究,对原支护方案进行了相应优化;将优化方案应用于抽采巷中,并通过工程监测对其围岩稳定性进行评价。结果表明：采用优化方案支护后,两帮载荷相近,不对称性得到较好控制,顶帮锚杆受力在合理范围内;顶板锚索的工作载荷峰值下降至174.2 kN,减为屈服载荷(500 kN)的33.4%;测站顶底板变形量、两帮移近量较小,抽采巷围岩变形得到稳定控制。     

高应力松软底板巷道底鼓机理及锚+桩控制研究

软岩底板巷道常表现出底鼓变形破坏,尤其是受采动和构造应力影响时底鼓尤为严重。以双柳矿3313抽采巷道为工程背景,采用解析分析、数值模拟的方法对巷道底鼓机理及稳定控制对策进行了研究。分析表明：构造应力使巷道围岩的水平应力增大2.1倍,采动影响使巷道围岩垂直应力增大2.1～3.5倍,由此导致巷道底鼓滑移破坏力增大2.45～2.91倍。提出通过增打两帮斜拉锚索以降低帮部垂直应力、增加底部钢板桩以降低底板水平应力的底鼓控制优化方案,研究表明：增加巷帮斜拉锚索可使两帮垂直应力降低15.1%,增加底部钢板桩使底板水平应力降低18.3%。采用优化的支护方案后,巷道稳定性的改善效果明显,巷道两帮收敛量减少73.6%,巷道底鼓量减少73.1%,塑性破坏区减少61.5%,实现了巷道整体稳定。优化的支护方案在双柳矿新掘抽采巷的应用取得了良好的效果,从而为高应力区松软底板巷道支护提供了借鉴。     

深部近距离煤层群采动力学行为探索

我国深部近距离煤层群赋存开采比重大,采动力学机理不清,导致开采效率低,安全事故频发。深部煤岩体所表现出的物理力学特性及变形破坏特征较浅部有着本质差异,尤其在深部近距离煤层群开采条件下,临近工作面扰动影响将导致更加复杂的采动应力重分布过程。针对深部近距离煤层群采动影响下巷道围岩控制难题,依托平煤十二矿己_(14)和己_(15)深部近距离煤层群工程实践,在己_(15)-31030工作面进风巷内开展了巷道收敛变形、锚索应力现场原位监测试验,理论计算了近距离煤层群底板破坏范围并推导得出了巷道围岩变形速度公式,初步揭示了深部近距离煤层群采动力学行为。研究表明:己_(14)煤层底板破坏深度理论值约21.24～30.88 m,上覆煤层采动影响导致本煤层采场边界改变,巷道顶底板及左右帮收敛量约400 mm,巷道收敛变形量随采煤工作面推进呈现阶梯式缓慢增长与指数式快速增长两阶段模式,其中指数式快速增长阶段为巷道变形的主要阶段;锚索应力随采煤工作面推进呈现"近线性增长—跃阶式降低"两阶段演化模式,顶板锚索应力平均变化率、峰值应力均显著高于巷帮相应参数,巷道顶板采动效应较巷帮更为明显;锚索应力峰值点滞后最大收敛变形位置约40 m,采动影响时效相比单一煤层开采大幅延长约35 m,采动应力变化率及其峰值分别降低约53.5%,24.5%,己_(15)煤层采动影响范围约105 m;巷道围岩变形速率与距采煤工作面距离呈现反比例函数关系,在此基础上,进一步推导得出深部近距离煤层群距采煤工作面不同距离处围岩变形速度预测公式,并对比现场原位监测数据验证了该公式的合理性。研究成果可为同类深部近距离煤层群的巷道围岩变形速度预测、巷道支护及采矿技术优化等工程问题提供参考。     

底板巷注浆变形破坏特征的相似模拟研究

随着能源需求的增加和开采深度的不断增加,浅部资源日渐枯竭,矿井已进入深部开采阶段,所面临的工程灾害也日益增多,尤其是瓦斯突出对矿井的高产高效的开采带来了巨大威胁,采用底板巷对工作面进行提前预抽瓦斯是瓦斯治理的一项主要措施。由于鹤煤公司三矿4101底板巷和4101运输巷相距10 m以内,底板巷受到多次扰动,4101底板巷变形严重,因此需要对底板巷进行全断面注浆,来控制底板巷的稳定。运用相似模拟试验的方法,分别观测底板巷注浆和未注浆下其上部轨道巷的变形破坏情况,通过从巷道围岩的位移变化规律和围岩裂隙演化规律等方面进行对比,结合相似模拟实验结果可以看出,底板巷注浆提高了其上部巷道围岩稳定性,并为同类地质条件底板巷注浆变形破坏特征相似模拟提供了一定的借鉴。     

采动影响下底板瓦斯抽放巷稳定性研究

针对某矿底板瓦斯抽放巷受上部煤层采动影响破坏严重的现象,采用UDEC数值模拟对9#煤层开采过程中底板瓦斯抽放巷的稳定性进行分析,研究了采动影响下支承应力在煤层底板中的传播规律、底抽巷应力场、塑性区分布和围岩位移变化情况。通过采用锚杆锚索联合支护的方式,顶底板和两帮位移量明显减小,取得了较好的支护效果,保证了采动后底抽巷的抽采效果。     

底抽巷二次锚网索喷协同支护技术研究与应用

为减少回采面底抽巷受采动影响变形破环,确保工作面回采后底抽巷仍能满足使用需要,对回采工作面内底抽巷变形控制进行了探索研究,通过对变形巷道监测及破坏特征等因素的分析探究,采用二次锚网索喷协同支护技术,实现了巷道在受采动影响情况下变形量在可控范围之内,为接替工作面瓦斯治理工程按计划实施和矿井安全高效生产提供了保障。     

裂隙带顶板巷道围岩破坏机理及稳定性控制

针对上行开采过程中顶板巷道支护困难的问题,采用UDEC离散元数值模拟软件对上行开采过程中采场采动裂隙、塑性区以及巷道围岩裂隙、塑性区发育进行了系统的研究和分析,研究结果表明:采动作用下顶板巷道围岩破坏以巷道顶、底板破坏最为明显,靠工作面侧的巷帮破坏次之。采场采动裂隙、塑性区发育与巷道围岩裂隙、塑性区发育在工作面的推进过程中不断相互吸引和促进,最终贯通。同时,当采动作用达到一定程度时,采动裂隙会以顶板巷道顶板为起点向上发育,而巷道肩角处塑性区向上产生畸形发展,其发育方向与采场覆岩断裂角一致,其发育高度远远大于未受采动影响的巷道塑性区发育高度。基于分析结果,提出了上行开采裂隙带顶板巷道支护策略,并以山脚树矿上行开采为工程背景对其顶板巷道原有的支护形式进行了改进,改进后的支护能够有效保证巷道围岩稳定。以上研究成果可为上行开采工程中顶板巷道的支护提供设计参考,丰富采动巷道围岩稳定性控制理论成果。     

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。     

基于高精度微震监测的承压水上底抽巷合理位置研究

以古汉山矿1604工作面为研究背景,采用高精度微震监测和数值模拟,研究了工作面回采过程中底抽巷围岩动态破坏特征以及底板突水危险性。结果表明:工作面两巷外侧底板岩体在沿空侧与沿实体煤侧出现不对称能量释放现象,其中沿实体煤侧运输巷外侧底板破坏尺度最大,深度约30 m;底抽巷位于底板下12 m、内错运输巷8 m位置时,巷道围岩释放能量密度值介于5～50 J/m~2,结合巷道围岩变形监测结果认为底抽巷位于该位置时受开采扰动程度较低;若底抽巷位于运输巷正下方或者外错于运输巷,围岩释放能量密度值均大于100 J/m~2,受开采扰动程度高。数值模拟结果表明底抽巷内错回采巷道8 m时处于底板卸压区,位于回采巷道正下方和外错回采巷道时处于应力集中区,受采动影响程度高,与微震监测结果较吻合。     

深部近距离变间距跨采底板煤巷围岩动显规律及控制技术

针对深部近距离多重采动影响跨采底板煤巷围岩塑性大变形破坏特征,研究了深部近距离变间距跨采煤巷围岩变形破坏及巷道底臌影响因素;通过数值模拟对跨采底板煤巷层间临界煤岩柱及合理内错距离进行优化研究,掌握多重采动影响条件下跨采煤巷动显规律,及多元应力叠加条件下跨采巷道围岩应力场动态演化规律;结合巷道围岩性态、层间距差异等制定了适合多重采动影响跨采底板煤巷动态分段耦合控制技术,并进行了工程试验研究.应用表明:跨采巷道围岩应力集中程度减弱,分布更加趋于均匀化,运输巷围岩的破坏范围及破坏深度减少,分段动态支护方式在深部近距离跨采巷道支护领域具有重要推广应用价值.     

窄煤柱综放巷道围岩应力场特征

为了揭示综放留窄煤柱护巷回采期间巷道围岩的应力分布及其演化特征,根据谢桥矿1151（3）综放工作面工程地质和开采技术条件,结合现场实测分析,应用数值模拟（FLAC^3D）综合分析了二次采动影响下巷道围岩应力场演化特征．研究表明,回采期间巷道围岩应力分布及其演化具有明显的分区特征,巷道两帮围岩垂直应力大于水平应力,顶底板围岩水平应力明显大于垂直应力,且巷道底板岩层中的水平应力峰值区范围较广;巷道围岩应力分布的差异性及其演化分区性是造成此类巷道变形剧烈且巷道持续底鼓的重要原因．研究成果为综放开采护巷煤柱宽度合理选择、巷道合理支护及维护、巷道围岩稳定性控制和安全生产提供了理论依据．     

窄煤柱综放巷道围岩应力场特征

为了揭示综放留窄煤柱护巷回采期间巷道围岩的应力分布及其演化特征,根据谢桥矿1151（3）综放工作面工程地质和开采技术条件,结合现场实测分析,应用数值模拟（FLAC^3D）综合分析了二次采动影响下巷道围岩应力场演化特征．研究表明,回采期间巷道围岩应力分布及其演化具有明显的分区特征,巷道两帮围岩垂直应力大于水平应力,顶底板围岩水平应力明显大于垂直应力,且巷道底板岩层中的水平应力峰值区范围较广;巷道围岩应力分布的差异性及其演化分区性是造成此类巷道变形剧烈且巷道持续底鼓的重要原因．研究成果为综放开采护巷煤柱宽度合理选择、巷道合理支护及维护、巷道围岩稳定性控制和安全生产提供了理论依据．     

高瓦斯矿井巷道群合理布置及围岩控制技术研究

基于不同层位与煤柱尺寸的巷道群围岩变形破坏特征,结合具体地质条件、采掘衔接及围岩控制等因素,对寺河煤矿巷道群普遍采用的"三岩四煤"布置方式进行优化分析。通过多方案比较,确定了煤岩巷相间六巷布置方式,减少煤柱尺寸60m和1条底板岩巷工程量,节约煤炭资源163万t,垂距6m底板岩巷超前预抽掩护双侧煤巷掘进,提高瓦斯抽采和掘进效率。提出了高预应力锚杆锚索主动支护方案,井下监测数据显示,巷道围岩保持了较好的完整性,支护方案有效控制了围岩的变形。工业性试验表明,通过优化布置,提高了巷道群两侧工作面资源回收率,增加了矿井的经济效益。