冲击煤层孤岛煤柱可开采性研究

条带开采孤岛煤柱和采空区上覆岩层离层位置的确定是计算孤岛煤柱支承压力以及进行孤岛煤柱可开采性研究的前提。根据孤岛煤柱上覆岩层能否形成离层结构,提出孤岛煤柱支承压力的"有源"和"无源"计算模型,以应力准则和挠度准则判定孤岛煤柱上覆岩层离层位置,进而求得孤岛煤柱所承受地层重力并定义孤岛煤柱整体冲击失稳率,最后结合孤岛煤柱冲击地压发生可能性指数诊断法,对孤岛面的整体冲击失稳危险性和可开采性进行判定。经工程实例验证,该方法是合理可行的。     

运河煤矿孤岛充填工作面应力分布及微震活动规律

孤岛充填工作面由于控制顶板上覆岩层下沉而使工作面超前支承压力变得复杂,同时顶板破断形式也不同于常规孤岛工作面。为了更好地控制孤岛充填工作面采场围岩,以运河煤矿C8301工作面为背景,研究超前支承压力变化趋势和煤柱变形情况,同时也分析了工作面回采过程中微震活动规律。研究得出：(1)孤岛充填工作面初次来压步距明显增加,工作面推进至120 m左右时发生初次来压;(2)孤岛充填工作面两侧煤柱总体变形量较小,可维持煤柱的相对稳定;(3)孤岛充填工作面回采过程中,有明显来压的特征,但是来压强度远小于正常孤岛工作面。该研究为矿井实现深部孤岛充填工作面安全开采提供了指导。     

深井特厚煤层充填开采防冲机理研究

为保障深井特厚煤层工作面的安全回采,基于载荷三带理论,以山东某矿为工程背景,提出了采用充填法开采以降低工作面整体冲击风险的方案,采用理论分析、数值模拟和现场实测等方法研究了充填采空区对工作面煤体支承压力分布的影响机制,得到以下结论:1)充填体充填采空区减小了顶板自由下沉运动的空间,有效降低了顶板岩层裂隙的发育高度;2)充填体抗压变形能力决定了对煤体施加动载影响的岩层运动范围,充填体抗压变形能力越大,作用在煤体上的动载效应越不明显;3)提出了控制充实率、加强监测和确定合理推采速度等充填工作面防冲技术措施。现场实践表明,充填法开采减小了工作面煤体的应力集中程度,有效降低了发生冲击地压的风险。该研究成果为类似条件下工作面的安全开采提供指导和借鉴。     

充填采场支承压力分布特征及冲击灾害控制机理

为深入分析采场覆岩运动与支承压力分布特征,构建了充填采场支承压力计算力学模型;对充填工作面应力分布进行了现场实测,并以此为基础,分析了充填开采冲击灾害控制机理。研究表明:充填采场支承压力范围与集中程度较传统开采小,一般不会出现塑性区,支承压力范围与充填体对覆岩的承载系数Kc成反比,充填体承载系数Kc越大,充填体对覆岩的支承作用越大,采场支承压力范围也越小;充填采场煤体储存压缩弹性能和坚硬顶板储存弯曲弹性能较小,不易发生冲击灾害。     

孤岛工作面围岩整体失稳冲击危险性评估方法

根据孤岛工作面采空区上覆岩层受采动影响的程度,将其顶板结构分为全悬顶结构、半悬顶结构和完全移动结构。通过理论分析3种顶板结构的应力传递机制,建立了孤岛工作面支承压力估算模型,提出了支承压力估算方法,并构建了存在基于弹性承载区的孤岛工作面围岩整体失稳冲击危险性评估方法。采用本文提出的估算模型及评估方法,对“全悬顶-完全移动结构”和“全悬顶-全悬顶结构”孤岛工作面进行了冲击危险性判定,为矿山决策孤岛工作面能否安全开采提供了理论依据。     

煤矿胶结充填开采覆岩移动变形规律数值分析

为分析煤矿胶结充填开采上覆岩层移动变形规律,以新阳矿十采区为工程背景,应用FLAC3D数值软件进行了模拟研究,分析了在不同充填率条件下,在一个回采空间内形成的"煤壁-顶板-充填体"的小结构和多个平行工作面形成的"煤柱-顶板岩层-充填体"的大结构上覆岩层的受力和变形情况。研究结果表明:在单工作面区域内,工作面前方出现增压区,在充填体侧出现减压区,随着充填率的增加,覆岩的移动变形量减小,充填体和工作面前方煤体的支承压力变小;在多个平行工作面区域内,基本顶在煤层倾斜方向上发生了连续弯曲下沉,基本顶的最大下沉量发生在各工作面中点位置;基本顶最大下沉量随充填率的增加而明显减小。     

深井工作面向地垒构造开采煤岩体采动响应特征

地垒构造为影响安全开采的重要因素，为分析工作面过地垒构造开采时两盘覆岩的运动规律及工作面前方支承应力的演化特征和断层活化规律，基于UDEC数值模拟软件进行研究。结果表明：工作面接近地垒构造时，上覆岩层向采空区发生回转，易引起断层活化滑移；工作面在地垒构造中，若煤体上方基本顶无法形成铰接结构，易引发断层煤柱失稳破坏煤体；由数值模拟可知，上盘工作面开采影响大于下盘工作面影响，其影响主要表现为断层冲击地压诱发影响开采范围大、断层滑移诱发冲击地压的危险性高。研究明确了地垒构造对地下工程作业的影响规律。     

深井膏体充填开采支承压力与采空区应力分布规律研究

随着煤炭开采强度增高,采空区上覆岩层运动导致矿山灾害频发,膏体充填作为阻碍上覆岩层运动的重要措施,研究膏体充填对工作面开采覆岩运动规律的影响对矿山安全生产至关重要。为明确膏体充填效果,通过安装应力计获取超前支承压力、侧向支承压力、膏体应力等相关信息。监测结果表明,超前支承压力的扰动过程可分为初始影响及显著影响2个阶段;超前工作面时,侧向22 m外的煤体基本不受侧向支承压力影响;深入采空区后,侧向支承压力影响范围约为20 m;膏体的应力变化大致分为快速增长及稳定增长2个阶段,采空区顶板与膏体初期接触导致应力快速增加,当顶板运动结束后,膏体应力保持稳定。     

变区段煤柱工作面诱冲机理及防治技术研究

针对某矿变区段煤柱工作面开采冲击危险性较高的问题,运用数值模拟方法对工作面采掘过程中煤柱区域垂直应力分布规律进行研究,分析了不同宽度区段煤柱应力积聚特征,揭示了变区段煤柱工作面诱冲机理,并制定了“近场-远场”协同卸压方案。研究结果表明,较宽的区段煤柱（30 m和55 m）受采空区侧向支承压力和超前支承压力影响,煤柱应力集中程度较高;受“近场高静载+远场动载”叠加影响,变区段煤柱工作面回采期间易诱发冲击地压;采取近场高承压煤体强卸压+远场高位坚硬顶板超前预裂断顶卸压协同控制方案后,微震能量事件始终维持在104J以下,表明控制方案能够有效降低工作面采掘期间的冲击危险性。     

深部不规则孤岛煤柱区冲击地压机理及防治

针对某矿中央采区深部不规则孤岛煤柱区冲击地压防治问题,基于理论分析、数值模拟、现场实践等方法对煤柱区冲击地压机理进行研究,制定煤柱区煤岩强度弱化减冲方案.基于煤柱区空间覆岩结构特征,辨识不同煤柱尺寸下煤体支承压力分布形态,揭示深部不规则孤岛煤柱区煤体失稳冲击机理.研究表明,孤岛煤柱区在竖向剖面上为非对称"T"型覆岩结构...     

沿空切顶巷道围岩结构稳态分析及恒压让位协调控制

基于无煤柱切顶成巷力学机理,分析了沿空切顶巷道围岩结构演化过程和力学作用机制,建立了工作面超前区、成巷段动压区和成巷段稳压区的全过程力学模型。根据不同分区动压显现特征,提出进行空间补偿,构建自成巷围岩稳态体系的巷道控制思路。从技术工艺优化和支护结构改造两方面着手,以空区碎胀矸体为稳态承载体,以恒阻变形主动支护结构、滑移让位挡矸支护结构和恒压可缩临时支护设备为巷内让压支护体,将应力集中部位转移至采空区,实现让压过程中可控让位。以厚煤层工作面无煤柱自成巷开采为工程背景,提出了稳定性成巷控制方案。结果表明,人为构建巷道围岩稳态体系是实现厚煤层切顶成巷围岩协调控制的有效途径之一。留巷前期以顶板压力上升为主,留巷后期以恒压让位为主。配套支护结构的力学特性满足护巷要求,不仅设备损坏率低且巷道变形人为可控,所留巷道各项指标满足下一工作面使用要求。     

膏体充填弹性地基梁模型分析及应用

基于弹性地基梁解析方法,考虑影响长壁充填开采地表沉陷的3个关键因素,建立该条件下的力学模型,推导直接顶岩梁挠曲微分方程。根据其解析解,分析了覆岩移动的各影响因素,充填区和煤体内支承压力分布、顶板剪力等矿压显现规律,并分析了直接顶挠曲和地表下沉的关系。结果表明：直接顶岩梁的最大下沉值在采煤工作面后方5~15 m,充填体弹性地基系数是影响下沉的最重要因素,充填区支承压力的分布也随该系数的不同而变化;控制直接顶挠曲和地表下沉的最有效途径为提高充填体弹性地基系数,同时减少充填体欠接顶量。小屯矿膏体充填工业试验表明,地表最大下沉实测值为380.3 mm,解析法预测值为401.8~591.2 mm,两者很接近。     

长壁开采全过程采场矿压数值模拟方法

针对传统数值模拟方法对长壁开采矿压显现的模拟结果与实际偏差较大的问题,在对长壁开采全过程进行分析的基础上,基于塑性理论、损伤软化模型和双屈服模型,提出了一种长壁开采全过程采场矿压数值模拟方法。该方法的理论基础考虑了开采过程中煤岩体的损伤软化、顶板垮落、采空区充填及承压等物理过程。利用FLAC3D FISH语言开发了数值算法并得以数值实现。采用该方法对同忻煤矿某工作面的开采过程进行了数值模拟,所得结果与现场实际具有很好的一致性,监测的覆岩垂向位移曲线的形态特征能有效的判断三带范围及其分界线,监测的支架压力数据反映了周期来压和来压步距。研究成果为长壁开采矿压显现规律的数值模拟研究提供了一种新的思路和手段。     

采场弯曲下沉带内部巷道变形与岩层移动规律研究

利用岩层弯曲下沉带内的一条巷道，通过设点观测下沉值，量测巷道两帮及顶底移近量，结合采面推进速度及矿压观测资料，以及FLAC^3D的计算机数值模拟计算，研究了岩层弯曲下沉带内部巷道的变形和岩层移动规律，丰富了上覆岩层移动的佐证，在新集矿区获得了岩层内部的移动参数，为巷道煤柱的留设提供了直接依据，为反程序开采中合理错开上下层的布面时间提供了依据。     

长壁矸石充填开采上覆岩层移动特征模拟实验

长壁矸石充填工作面采空区由于被充填材料占据,上覆岩层移动特征将不同于垮落法管理顶板,采用相似模拟和数值计算模拟工作面回采和矸石充填过程。通过改变支架初撑力和工作阻力、充填材料的夯实力,模拟不同充填率情况下上覆岩层应力变化和岩层移动特征,结合现场实测结果认识长壁矸石充填开采上覆岩层移动规律。研究发现：支架工作阻力对充填效果影响显著,充填支架高初撑力和工作阻力可以限定顶板的变形,保证足够的时间使更多的充填材料充进采空区,进而减小缓慢下沉带高度,控制地表变形。采空区内充填材料限制直接顶的变形、下沉以及冒落,直接顶以断裂和冒落为主,冒落后整齐地排列在采空区矸石上。基本顶以弯曲下沉形式随直接顶移动,上覆岩层冒落高度显著降低。     

超高水材料长壁工作面充填开采顶板控制技术

为研究充填工作面长度对岩层控制效果的影响,指导长壁工作面充填开采实践和为围岩变形控制提供依据,基于超高水材料的基本性能试验,利用差分法薄板理论建立了超高水材料长壁工作面充填开采顶板活动力学模型,得到关键层的预计变形量,分析充填工作面长度对关键层变形及破坏的影响,提出了长壁工作面充填开采顶板控制理念。研究结果表明:采空区顶板下沉最大挠度值随着工作面长度的增加而增加;要维持关键层不发生断裂,必须保证工作面长度和控顶长度在一定范围内。对比冀中能源陶一煤矿充1~5工作面(工作面长度50~60 m)和充6工作面(工作面长度120 m)充填开采实际情况,提出并应用地面充填系统构建、充填液面提高、隔离带设置、工作面锚网索支护4种长壁工作面顶板控制技术,有效地抑制了顶板变形,同时保证了良好的充填效果。     

低透气性煤层群煤与瓦斯共采中的高位环形裂隙体

以顾桥煤矿1115（1）工作面为试验点,运用国际先进的岩层应力、位移、孔隙流压等实时监测手段,围岩变形与水、气耦合的COSFLOW数值模拟技术以及研究采动区流场特征的CFD模拟技术,系统研究并基本掌握了11号煤层深部煤层开采过程中的围岩应力场、裂隙场以及瓦斯流动场之间的动态变化规律。研究表明,采动支承压力影响范围可达300 m,覆岩运动和采动裂隙发育范围在工作面后方170 m以内,170 m以后采动裂隙基本压实,采动裂隙发育高度以及孔隙流压明显降低的高度可达145 m。在此基础上判别了1115（1）工作面上覆煤层群瓦斯高效抽采范围,并初步建立了低透气性煤层群瓦斯高效抽采的高位环形裂隙体及其判别方法,为煤与瓦斯共采理论发展以及工程实践提供了一套新的科学研究方法和工程设计手段。     

浅埋煤层长壁工作面矿压规律及关键块失稳分析

 为研究浅埋煤层长壁工作面的矿压规律和顶板结构稳定性,以榆阳煤矿1307长壁工作面为工程背景,设计了矿山压力观测方案并进行了现场观测。总结分析了浅埋煤层长壁开采时矿压显现规律和浅埋煤层上覆岩层破坏规律,得出初次来压步距为78m,二次来压是在工作面推进至93米,工作面周期来压步距范围在6.4～8.1m;通过对关键块的失稳分析,得出最大开采高度应小于2.31m,关键块不发生滑落失稳的系数要求大于等于1,而实际计算的系数仅为0.4,在实际开采过程中工作面中后部采空区顶板每隔一段时间会发生突然垮落,造成倒架、折梁断柱等现象,为同类浅埋煤层的开采提供一些借鉴和参考。     

近距离房柱采空区下长壁采场顶板垮落特征研究

为了研究近距离房柱采空区下长壁采场覆岩随时间变化的渐进破断过程和采动裂隙的发展演化规律,以唐山沟煤矿某工作面为工程试验背景,采用物理相似模拟、顶板下沉梯度分析和图像增强算法方法研究了11-2煤房柱式开采后下部近距离的12煤长壁采场顶板岩层破断垮落及裂隙扩展情况.通过实验观察,并从能量释放的角度对岩层运移变化进行分析,结果表明:在近距离房柱采空区下,采用长壁回采工艺时,上部煤柱随时间变化产生破裂失稳,上覆岩层的能量以周期性的方式积累和释放,同时,每隔一个大的周期,有较大能量的突然释放.在此过程中,长壁采场顶板裂隙发育明显,裂隙扩展迅速,裂隙易与上部房柱采空区煤房导通,加速煤柱失效,并形成导水通道.