沿空留巷围岩变形特征与控制技术研究

沿空留巷受两次工作面采动影响,巷道变形量大,为了研究沿空巷道围岩变形规律和控制技术,本文采用FLAC3D模拟上煤层回采后,本煤层一次回采巷旁充填、二次回采时应力位移变化情况。由模拟可知,伴随回采工作面的推移以及构筑巷旁充填体,工作面后方覆岩逐渐垮落,距后方100m后,上覆岩层基本稳定。采用锚网索支护和注浆加固提高沿空巷道承载能力,通过监测围岩变形量可知,支护取得了良好效果,能为类似条件下沿空留巷围岩控制技术提供借鉴。     

沿空留巷底板变形力学分析及底臌防控

上覆岩层垮落产生的动载荷通过巷帮煤体、巷内支护体以及巷旁支护体传递给底板,造成工作面后方一段距离的沿空留巷底臌变形加剧。为了控制上覆岩层垮落引起的底臌变形,在分析沿空留巷力学环境的基础上,建立底板力学模型,计算出沿空留巷煤帮弹性压缩区、塑性区、破裂区的宽度,以及煤帮对底板的作用力。应用关键层理论,确定顶板硬岩层位置及其破断顺序,以及垮断极限层的层位;采用顶板载荷条带分割法,计算出巷旁支护体对底板的作用力,并引入等效载荷的概念,构建底板等效载荷分布力学模型,将沿空留巷底臌与上覆岩层垮落紧密联系起来,分析上覆岩层垮落对底板的受力及变形影响,推导出底臌变形计算式。研究结果表明:上覆岩层垮落引起的底臌主要是由于塑性区煤体和巷旁支护体下方底板岩层高应力压剪破坏,以及巷道底板和采空区底板在强卸荷条件的拉伸破坏共同影响造成的。基于此,提出了降低塑性区煤体和巷旁支护体传递给底板的作用力,提高采空区冒落矸石对底板的作用力,防止巷道底板岩层拉伸破坏,巷旁支护体宽度、刚度与底板岩层强度相匹配等底臌防控措施,并应用于工程实践。     

厚层灰岩直接顶沿空成巷切顶断裂条件及围岩移动规律研究

基于沿空留巷原理,分析了厚层灰岩直接顶板下巷旁充填沿空留巷和超前切缝断顶卸压法沿空留巷巷道顶板断裂位态,分别建立了2种不同顶板断裂位态下的结构力学模型,推导了巷道顶板支护阻力计算方法。研究表明:当切顶阻力Q≤ql时,巷道顶板沿煤壁内一定深度内断裂,沿空巷道侧向顶板悬臂结构可向沿空巷道围岩传递采场岩梁和上覆岩层移动压力;而当切顶阻力Q≥ql,巷内加强支柱+巷旁切顶墩柱+巷旁切缝的联合切顶作用时,可使得侧向坚硬灰岩顶板沿切缝结构面断裂滑落,实现顶板断裂位态主动控制,降低了坚硬灰岩顶板传递上覆岩层压力的移动变形压力,优化了顶板承载结构和围岩应力,降低了巷旁支护体承受的附加载荷。相关设计方法及研究成果应用到南屯矿厚层灰岩直接顶切顶留巷试验,取得了良好的应用效果。     

沿空留巷围岩稳定原理与控制技术研究

建立了沿空留巷上覆岩层结构力学模型,根据沿空留巷围岩载荷和变形特征,将沿空留巷分为3个阶段。研究得到沿空留巷围岩稳定机理:1巷内支护采用高阻让压支护,提高沿空留巷围岩承载能力和抗变形能力;2在采空区顶板破断和沿空留巷围岩应力调整的剧烈阶段采用高阻力巷内让压加强支护;3构筑的巷旁支护体具备:快速增阻并有较大的切顶阻力和变形能力,在上覆岩层剧烈活动阶段能有效切断采空区侧一定高度的顶板、冒落矸石有效支撑上位顶板,确保沿空留巷处于卸压状态;在上覆岩层活动趋于稳定阶段,巷旁支护体有一定的后期支护阻力,适应沿空留巷围岩一定变形与应力调整。工程实践表明:巷内采用锚杆、锚索支护,回采工作面后方应力调整剧烈阶段采用高阻力、让压巷内加强支护,采用高水材料构筑巷旁充填体,可适应沿空留巷围岩活动规律,有效控制巷道围岩变形,适当卧底后满足第2个工作面安全回采的使用要求。     

坚硬顶板沿空留巷覆岩结构分析与围岩控制技术研究

为探求坚硬顶板沿空留巷合理的围岩控制技术,通过建立基本顶断裂前的力学模型对上覆岩层的结构进行分析,得出坚硬顶板沿空留巷基本顶破断后上覆岩层的结构特征,并通过分析工作面地质资料与覆岩结构特征得出了1198工作面运料巷合理的支护方案。在沿空留巷运用得出的支护方案后,根据矿压监测数据表明:留巷后巷旁充填体和巷道围岩结构稳定,满足下区段工作面的使用要求。     

切顶卸压沿空留巷围岩控制效果数值模拟研究

为研究切顶卸压对沿空留巷围岩控制效果的影响规律,基于UDEC软件,对沿空留巷侧向顶板悬顶与垮落2种情况下的围岩受力变形特征进行深入分析。研究表明:相对于直接顶悬顶状态,直接顶垮落时煤帮侧煤层和巷旁支护墙体上的垂直应力集中系数分别降低0.19和0.49;直接顶垮落状态下沿空巷道顶板下沉、底板鼓起、煤帮内移和墙体内移量相对于直接顶未垮落状态下,分别降低73%、60%、27%、75%;巷道侧向悬顶是造成沿空巷道围岩大变形的重要原因,切顶会促使采空区上方直接顶有效垮落,采空区上覆岩层的重力无法有效向巷道周围的煤岩体中传递,且垮落的岩层会对顶板起到一定的支撑作用,有助于降低巷道围岩所承受的压力。     

复合顶板巷旁充填沿空留巷技术实践

淮南矿业集团顾桥煤矿1115(1)工作面为复合顶板,高瓦斯。为了无煤柱连续开采的需要,提出了在复合顶板条件下巷旁充填沿空留巷技术。通过选择合理的充填材料,对沿空留巷充填设备进行改造,并设计合理的充填工艺及充填布置系统方案,分别对沿空留巷及充填体表面变形、充填体下沉变形及其应力变化等情况进行监测。结果表明,巷旁充填沿空留巷技术能有效地保证复合顶板的稳定,成功控制顶板下沉,适应老顶回转变形的要求。     

坚硬顶板沿空留巷巷旁“让-抗”支护机理

坚硬顶板条件下沿空留巷,工作面顶板悬顶距大,悬顶时间长,巷旁支护体将承受较大的压力,支护体易发生变形和破坏。通过建立坚硬顶板沿空留巷巷旁支护力学模型及对顶板不同运动阶段支护体内应力分布和围岩变形数值模拟,结果表明：在顶板岩层运动早期支护体应具有较大的可缩量,在保持支护体本身不遭受严重损坏的前提下,允许顶板产生一定下沉,以释放掉一定的顶板压力;在顶板岩层运动后期支护体应具有较高的支护阻力,抵抗坚硬顶板部分重量并进行断顶。提出了不等强充填体(上软下硬材料组合而成)支护方式,在坚硬顶板条件下采用该支护方式能较好地实现沿空留巷开采技术。     

密实充填面双沿空留巷矿压及围岩变形规律研究

为探明双沿空留巷密实充填工作面的巷道及覆岩运动及应力的演化规律,对充填体工作面超前支承应力显现及沿空留巷围岩变形进行了现场实测和数据分析。研究表明:相较于垮落法,充填工作面超前支承应力影响范围明显减小,矿山压力显现较弱;充填体内部应力变化分为初始应力区、应力增高区和应力平稳区,与采空区顶板运动的小变形区、剧烈变形区、变形稳定区相对应;沿空留巷围岩变形较显著,前期顶底板变形量大于两帮变形,应加强顶板支护,后期围岩稳定后的移近速度仍大于2.4mm/d,仍需定期维护。     

薄煤层石灰岩顶板巷旁充填沿空留巷关键参数研究与应用

以南屯煤矿3602工作面巷旁充填沿空留巷为工程背景,对薄煤层石灰岩顶板巷旁充填沿空留巷关键参数进行研究。通过室内试验测试石灰岩顶板的物理力学性质,并分析留巷过程中石灰岩顶板垮落形式,建立巷旁充填沿空留巷切顶力学模型,确定薄煤层石灰岩顶板巷旁充填沿空留巷的关键参数为巷旁充填体的切顶阻力和宽度,并给出相应的切顶阻力计算式。研究结果表明:当直接顶厚度远大于煤厚时,巷旁充填体应具有足够的切顶阻力和适当的宽度,满足直接顶在采空侧被整体切落的要求。研究成果在现场实践中成功应用,对于巷旁充填沿空留巷技术在薄煤层开采中的推广应用具有重要借鉴意义。     

坚硬顶板、软弱底板条件下切顶卸压沿空留巷效果研究

基于切顶卸压沿空留巷技术探究在坚硬顶板、软弱底板条件下的切顶卸压沿空留巷效果。通过对现场数据的采集和分析,研究36层里部右二面在该项技术指导下的覆岩运动规律、支承压力分布规律和留巷段围岩稳定情况。结果表明,该项技术在本工作面应用效果良好,有效切断了工作面与巷道上方顶板的应力传递路径,工作面采空区顶板垮落未引起顶板大面积变形,顶板锚杆、锚索支护状态良好。     

矸石充填开采沿充留巷围岩控制技术研究

对沿充留巷进行了定义,并与沿空留巷进行了对比分析。采用UDEC离散元数值计算软件对矸石充填留巷覆岩结构及移动规律进行了分析。数值结果显示:相比于垮落法沿空留巷技术,充填开采沿空留巷工作面采空区上覆岩层结构形态以完整层状岩层为主,巷旁支护体与充填体共同承担荷载,开采扰动对沿充留巷围岩变形破坏影响小。以葫芦素煤矿为工程背景,针对矸石充填沿空留巷技术特点,以巷旁支护、临时挡矸和巷内联合支护3个方面提出了围岩控制方案,确保沿空巷道的稳定性,对后续类似工程具有重要参考价值。     

煤系地层高岭岩沿空留巷技术

在煤系地层高岭岩工作面运输巷试验沿空留巷技术，沿空留巷的顶板支护方式不同以及巷旁充填构筑物不同，对顶板岩层活动及沿空留巷变形差异大。实践表明，采用锚杆(索)梁网联合支护和人工构筑木垛、走向双抬棚的巷旁充填体、有利于沿空留巷顶板稳定和下区段回收材料，取得明显的经济和社会效益。     

东峰煤矿沿空留巷围岩变形规律研究

根据东峰煤矿3G02综放工作面沿空留巷300 m段内矿压数据的观测,分析沿空留巷围岩变形规律。得出如下结果:(1)巷道变形以顶底板移近量为主,其中顶板下降为主要变形量,两帮变形以煤帮鼓出为主;(2)整体上现有煤帮和墙体锚杆锚栓的支护强度可以满足要求,局部范围有破坏,顶板锚索受力普遍偏大,特别是充填区域,需要加强支护;(3)3G02工作面4~5个周期来压步距形成一个充分垮落循环,覆岩充分破断,冒落矸石对上位岩层形成支撑,上位岩层达到平衡状态,留巷达到稳定;(4)通过围岩收敛变形、顶板锚索受力、锚杆锚栓受力和墙体压力等矿压数据可以看出,顶板岩层剧烈运动范围很大,正常地段为滞后工作面40~100 m,特殊地段约为滞后工作面120 m。     

厚硬顶板爆破切顶沿空留巷工程实践

厚硬顶板条件对沿空留巷非常不利,大面积顶板突然冒落对充填墙体产生冲击破坏,悬顶还会使留巷墙体长期处于集中应力作用下,加大了留巷围岩变形和留巷难度。通过在工作面前方实施顶板预裂爆破,在工作面后方爆破切顶控制留巷侧向悬顶长度,保证了坚硬厚层顶板条件下沿空留巷的顺利实施。     

固体充填采煤沿空留巷顶板下沉影响因素研究

为研究不同因素对固体充填采煤沿空留巷顶板下沉的影响,分析了固体充填采煤沿空留巷的覆岩移动特征,基于Winkler地基假设,建立沿空留巷顶板力学模型。以济三煤矿63下04(南)-2运矸巷为工程背景,分析探讨巷道宽度、巷旁支护阻力、巷旁支护体宽度、采空区充实率与巷道上覆顶板下沉的关系,结果表明:顶板下沉量随巷道宽度的增加而增加、随巷旁支护阻力增加而减小、随巷旁支护体宽度增加而降低、随充实率的增加而降低。现场实践中,巷道宽度4.2m,巷旁支护体宽度4.5m,采用锚带网联合支护对巷道进行加固,采用垒砌矸石墙加混合充填体的综合支护方式进行沿空留巷的巷旁支护,实测得工作面后方留巷巷道两帮最大移近量230mm,顶板最大下沉量300mm。     

巷旁充填体控顶机理的相似材料模拟试验

应用相似材料模拟方法对巷旁充填体的作用与顶板下沉量、顶板破断关系进行了试验,以此分析了巷旁充填体的控顶机理。得出沿空留巷要保持良好的维护状态,在直接顶厚度小,采高较大的条件下,巷旁充填体需要切落3～4倍采高的下位顶板。     

切顶卸压爆破技术在沿空留巷中的应用研究

针对某煤矿采空区直接顶及上覆顶板悬露面积大,采空区侧悬臂梁结构载荷加载到混凝土墙体及巷内,使巷内顶板下沉量大,巷旁混凝土墙体过早承载破坏等问题。采用超前工作面预裂爆破切顶卸压法,研究了切顶卸压机理以及工作面端头支架架间预裂爆破切顶设计,并分析了放炮工艺及安全技术措施,研究得出:通过采用切顶卸压爆破技术,可使垮落矸石充满采空区,减小了沿空巷道顶板悬臂梁上覆荷载以及旋转变形对巷旁混凝土墙体的压力以及巷旁顶板下沉量,实现了留巷围岩稳定。     

直覆厚硬顶板沿空留巷巷旁支护方式研究

巷旁支护体成功切顶是直覆厚硬顶板沿空留巷成功的关键。通过建立沿空留巷上覆岩层结构力学模型,分析了不同巷旁支护方式下顶板破断结构,得到了强力切顶支柱能够减小顶板悬露长度;在上述研究的基础上,以某矿10106工作面沿空留巷为背景,采用数值模拟方法分析了2.4 m和3.0 m充填体、强力切顶支柱巷旁支护时支护体的应力状态及巷道围岩变形特征,得到了强力切顶支柱是具有高初撑力、高阻让压和恒定支护阻力的支护体,能够及时切顶,保证留巷稳定。现场监测表明,强力切顶支柱能够保证较好的留巷效果,满足安全生产的需要。     

宽巷掘进沿空留巷矿压规律数值模拟研究

采空区顶板岩层分层垮落、岩层的旋转下沉和平移下沉造成巷道围岩次生应力场重新分布,围岩变形严重,因此,掌握沿空留巷采动支承压力影响下顶板岩层运动规律非常必要。针对某矿浅埋煤层、宽巷掘进、预掘留巷位置混凝土砌块沿空留巷的实际情况,通过三维数值模型对留巷围岩应力场、位移场、破坏场进行反演,揭示了留巷围岩矿压活动规律,对巷旁支护墙体受力变形特点、与顶板运动协调变形关系进行了分析,得出工作面轨顺留巷前后巷道围岩变形规律,为沿空保留巷道围岩控制提供了理论依据和技术支持。