侧向悬臂切顶煤柱上方顶板应力及位移研究

以某矿113105工作面侧向切顶为研究背景，通过理论分析、数值模拟和现场监测的方法，研究切顶后煤柱顶板应力分布及位移演化规律。基于弹性力学建立切顶后煤柱顶板力学模型，运用差分法推导出切顶后煤柱顶板的应力与位移表达式。运用FLAC3D和3DEC软件模拟切顶前后煤柱顶板应力分布及位移演化特征，模拟结果显示，切顶后煤柱顶板应力减小了18.2 MPa,顶板下沉位移为9 cm,卸压率达26%～40%。现场监测表明，煤柱上方顶板应力分布呈现出先增大后减小的趋势，在距离工作面20～30 m处应力达到最大且保持一段应力集中，随后应力降低，在距离工作面65～70 m后应力保持不变。     

深部大断面硐室围岩变形柱体力学模型及其应用研究

针对深部煤矿大断面硐室帮部变形剧烈、破坏失稳严重的现象,以新巨龙煤矿大断面煤矸分选硐室为研究对象,基于帮部初始变形的特点,建立大断面硐室帮部"柱体"力学模型,得到各影响因素与柱体初始位移和柱体拉应力之间的关系,分析深部煤矿地质开采参数对柱体初始位移和柱体所受拉应力的影响规律。结果表明:柱体初始位移、拉应力随埋深、侧压系数和应力集中系数增大而逐渐减小,随界面内聚力、岩体内摩擦角、界面内摩擦角和支护阻力的增大而变大。通过优化硐室布置方向与尺寸、减缓硐室附近的采掘应力集聚、控制顶板下沉、加固破碎围岩等技术手段,可提高大断面硐室的围岩稳定性控制效果。研究成果可为深部大断面硐室帮部稳定性控制提供借鉴和参考。     

基于3DEC的大采高回采巷道围岩变形特征研究

为探究大采高回采巷道围岩变形失稳特征,通过3DEC数值模拟软件,以22204辅助运输平巷为背景,分别分析了巷道围岩裂隙发育、应力分布、位移分布以及塑性区分布特征。研究结果表明：大采高回采巷道围岩裂隙发育、变形具有非对称性,随着工作面向前推进,巷道围岩位移量不断增大,其中较大水平位移向巷帮中上部及顶板位置转移,且靠近煤柱一侧巷帮水平位移、裂隙发育较为显著;采动影响下巷道围岩发生了一定程度的剪切破坏,导致其煤岩体应力释放,且煤柱长期处于高应力状态,因而靠近煤柱一侧的巷帮及巷道顶板塑性破坏较为严重和频繁。基于此,明确了大采高回采巷道围岩变形的重点防控区域,为该类巷道围岩稳定性控制提供参考。     

数字散斑技术在沿空掘巷煤岩体变形特征研究中的应用

根据柳巷煤矿3号煤层的赋存条件,采用数字散斑相关法和相似模拟实验,通过CCD相机构建图像数据采集系统,研究沿空掘巷上覆岩层移动规律和围岩体的变形特征。工作面回采后,上覆岩层之间出现了大量的斜交裂隙,但岩层之间依然保持连续性,整体倾斜弯曲下沉。沿空掘巷煤柱的x、y方向位移等值云图和剪应力云图表明,采空区边缘的位移最大,煤柱和顶板之间有剪应力,距离采空区边缘5 m剪应力最大,煤柱受到压、弯、剪的复合应力作用;使用虚拟引伸计进行煤层和顶板之间5个监测点的层间滑动位移分析,煤层和顶板存在不均匀滑动位移,靠近采空区层间滑动位移最大;煤层下方应力随着工作面的回采不断增大,应力在空间上分布呈现先增大后减小的单驼峰形状,在采空区边缘附近形成了应力集中现象。     

短壁跳采胶结充填围岩运动规律研究

针对我国"三下"压煤量大,开采成本高、工序复杂等问题,以某矿建筑物下压覆9~#煤层为工程背景,提出短壁跳采胶结充填开采方法,并对煤柱和充填体协同作用机理及围岩运动规律进行了研究。主要结论如下:工作面支巷设计宽度为5 m,长度为90 m,全厚开采;步骤一采留比1∶3,顶板变形最大14.1 mm,呈波浪形分布,底鼓不明显;步骤二采留比1∶1,顶板位移量最大30.9 mm,底鼓量2.3 mm;步骤三全采全充,顶板位移呈凹陷形分布,最大位移109.1 mm,底鼓最大10.3 mm;开采过程中煤柱应力呈阶梯状分布,呈波浪形向深部转移,充填体应力阶梯状跳跃增大;短壁全采全充后上覆岩层以弯曲下沉为主,直接顶没有发生明显的冒落;底板破坏呈现W-波浪型,矿压破坏带为0~2.2 m,煤柱两侧塑性区1.0 m。     

深凹露天转地下采场巷道围岩监测及稳定性分析

通过现场监测和数值分析相结合的方法,从位移和应力角度对杏山铁矿露天转地下开采过程中的露天边坡和井工巷道的围岩稳定性问题进行研究,分析了采场巷道围岩的位移、应力变化规律,揭示了露天转地下开采过程中围岩体所受复合采动扰动的力学机理,结论如下:巷道两帮和顶板围岩位移增长率均呈现出典型"S"形趋势,即"加速变形期-急速变形期-平缓期",最大复合采动应力大约距工作面40m左右,采场扰动和巷道掘进扰动的应力叠加,成为巷道变形破坏的主要原因;地下开采过程中,覆盖层下沉,巷道顶板应力由垂直转向侧向挤压,随着开采深度的增加,覆盖层下移距离增大,坡脚拉应力和巷道应力集中区域增大,导致露天转地下开采过程中围岩体发生破坏失稳。     

软岩硐室变形破坏特征数值模拟研究

通过数值模拟对晋城某矿东部变电所硐室变形破坏规律进行了研究。结果表明:在高地应力条件下,硐室开挖后两帮变形量分别为顶板和底板变形量的1.7倍和1.1倍;硐室围岩位移随时间呈线性增长,两帮位移平均变化速度分别为顶板和底板位移的1.7倍和1.1倍;垂直应力在顶底板中部形成应力降低区,呈拱形对称分布,在两帮形成垂直应力升高区,呈耳状对称分布;水平应力在两帮形成应力降低区,呈蝶状对称分布,在顶底板形成应力升高区,呈拱形对称分布。     

近距离煤层综放回采巷道合理位置确定

针对近距离煤层开采下部煤层回采巷道布置这一难题,采用理论分析与数值模拟等手段对上位煤层开采后造成的底板破坏深度、残留煤柱在底板的应力分布以及巷道在非均布载荷下易于破坏的原因进行研究。研究表明:煤层开采引起的侧向支承压力对底板造成的最大破坏深度为25.3m,已经波及到下位煤层巷道所在水平;在煤柱两侧边缘出现一定范围的应力降低区,煤柱正下方出现一定范围的应力增高区,煤柱底板的应力分布具有明显的非均匀性;下位煤层巷道在非均布荷载作用下,更易出现局部拉应力过大,从而造成巷道变形破坏。采用主应力改变量Δσ表示应力不均衡程度,考虑最大限度回收资源,结合数值模拟主应力分布特征,确定下位煤层回采巷道布置在距煤柱水平距离14 m。     

厚煤层沿空留巷掘进变形破坏规律研究

为研究厚煤层下回风巷道掘进过程中围岩的变形破坏规律,以朔州煤电铁峰公司南阳坡矿5800回风顺槽为背景,采用FLAC3D对其应力、变形和塑性区变化情况展开数值模拟分析,得到了3个成果:(1)巷道开挖完成后,巷道围岩最大主应力出现在巷道煤柱帮表面以及实体帮深部约2 m的位置,最大剪应力出现在巷道两帮位置;(2)巷道顶板和两帮在巷道表面上的位移均呈抛物线分布,且其最大值与巷道开挖推进距离呈"指数衰减式"增大关系;(3)巷道开挖过程中,巷道煤柱侧的塑性区范围要明显大于实体侧,巷道顶板靠近煤柱侧的塑性区范围大于另一侧,而巷道底板则基本不发生破坏,整个巷道围岩破坏范围约为1.5～2 m。     

端帮开采煤柱应力分布动态演化过程研究

为了解决目前露天煤矿端帮探入式开采工艺中，留设煤柱应力随时间和空间位置不同，分布特征与规律不明确的问题，以源通长富露天煤矿为研究对象，采用理论研究与FLAC3D数值模拟相结合的研究方法，分析采深与煤柱宽度对临界载荷影响、单侧煤壁与支撑煤柱的应力动态分布、区段内煤柱应力分布特征与永久煤柱的应力分布特征，得出相关规律。研究结果表明：随采深的增加，临界载荷呈类似于幂函数逐步降低，初采50m以内减弱较为迅速|随着煤柱宽度的增加，临界载荷呈类似于指数型函数关系增加|单侧煤壁处于工作面侧向支承压力增高区内|支撑煤柱前方出现应力集中，应力分布呈现“驼峰”型|区段开采结束后，区段间内的煤柱应力随采深的增加，应力呈逐渐减低|永久煤柱在开采过程中应力分布呈现“峰型”趋势，煤柱中部存在弹性核区。     

大断面反井施工硐室围岩变形破坏机理及控制对策研究北大核心

针对大断面硐室围岩变形破坏严重的难题,以李家壕矿大断面反井施工硐室为研究背景,运用数值模拟、理论分析、现场监测等研究方法,分析了李家壕矿大断面反井施工硐室围岩变形破坏规律,揭示其围岩变形破坏机理,并提出了针对性控制对策。研究表明:大断面硐室顶板岩层为软弱岩层,受开挖扰动影响,顶板围岩破碎,顶板水平与垂直位移显著;大断面硐室空间较大,顶板岩层处于塑性区内,顶板垂直位移为1 450 mm,是常规断面巷道顶板垂直位移的2.8倍;大断面反井施工硐室围岩稳定性控制的关键在于顶板支护。工业性应用监测表明:常规断面硐室顶底板变形量无明显变化,大断面硐室顶板最大下沉值为132 mm,两帮最大移进量为74 mm,底板无明显鼓起现象,围岩变形得到了有效控制。     

沿空巷道上方顶板侧向破断研究与应用

山西某矿N2103工作面留设8 m窄煤柱进行综放高强度开采,为了研究煤柱上方顶板相对煤柱破断位置,基于弹性地基梁理论建立了顶板侧向破断理论判据,并根据顶板抗拉应力与其对应位置的弯矩成正比,确定顶板在距采空区边缘5.6~7.4 m位置处破断。由工业性试验可知,理论计算结果与现场钻孔窥视结果吻合性较好,表明该力学模型能够很好地对沿空巷道顶板破断位置进行预判,为沿空巷道煤柱宽度的安全设计提供依据。     

矸石充填置换条带遗留煤柱技术

针对建筑物下条带开采遗留的煤柱资源、掘进矸石提升并堆积到地表2大难题,提出了巷道不等强完全充填开采技术。分析了顶板稳定性及其破坏失稳机理,计算出了顶板挠曲增大、发生非控制位移的条件。采用三维数值软件对条带开采和煤柱回收后上覆岩层位移、应力传递规律进行了对比,发现条带煤柱矸石充填开采矿压显现不明显,地表变形在一级破坏范围内。     

采空侧巷道高预应力锚索-钢棒协同控制技术

针对采空侧巷道顶板弯曲下沉、煤柱帮挤压鼓出严重的控制难题,采用有限元数值模拟软件分析了工作面回采后侧向围岩塑性破坏特征,获得了不同煤柱宽度下巷道围岩应力演化规律、塑性破坏分布特征及位移规律,确定了合理的煤柱尺寸,揭示了采空侧巷道由于煤柱失稳导致对顶板承载力降低,诱发巷道大变形的破坏机制。研究得到10 m煤柱条件下中性面位置,并在此基础上提出高预应力锚索-钢棒协同控制技术。井下工业性试验表明,巷道初期支护强度及刚度得到大幅提升,无支护体破坏现象,巷道顶底板移近量与两帮移近量分别降低39.9%与53%,保证了巷道服务期间的稳定性。     

采动覆岩变形BOTDA分布式测量及离层分析

根据杨柳矿地下煤层开采和岩层特征,采用BOTDA光纤传感技术:研究了覆岩变形分布式监测方法,分析了采动引起的覆岩变形特征,探讨了离层变化机理。研究结果表明,回采工作面在通过监测孔垂向线过程中,在经过监测孔之前,随着工作面与监测孔距离的减小,采动覆岩的应力越明显且压应力变化值越大,其应力变化范围为覆岩中变形位移顶部到其上稳定硬岩之间;回采工作面经过监测孔之后,随着工作面的推进,覆岩中逐渐产生离层,并在离层位置拉应力值逐渐增大,其拉应力值大小与稳定硬岩厚度及力学性质、开采范围和距煤层顶板的距离有关。离层分布式监测结果与理论计算结果基本吻合。     

窄煤柱综放煤巷钢梁桁架非对称支护机理及应用

针对王家岭煤矿窄煤柱综放煤巷围岩控制难题,分析指出相邻大型综放工作面覆岩剧烈活动及其基本顶对巷道区域直接顶的倾斜挤压力是导致顶板产生水平移动和非对称破坏的本质原因。建立考虑基本顶对直接顶倾斜挤压应力的窄煤柱综放煤巷直接顶力学模型,得出巷道顶板最大变形区域(7.5≤x≤9.5 m)。研发了以钢梁-槽钢组合结构和多根锚固至顶板纵深处锚索为关键部件的多锚索钢梁桁架系统,阐明其控制原理。建立多锚索钢梁桁架非对称支护的力学模型,得出非对称弯矩减小量分布特征,探讨其与非对称变形的一致性,并结合现场实践确定控制方案。现场实践表明,20103运输巷采用钢梁桁架非对称支护技术后,围岩变形量均控制在安全范围内,实现了对窄煤柱综放煤巷围岩非对称变形破坏的有效控制。     

基于FLAC3D数值模拟的钻孔变形特征及围岩稳定性研究

为了对钻孔变形特征及围岩稳定性进行研究,采用FLAC^3D数值模拟软件,建立了卸压开采数值模型,采用多维耦合数值模拟方法,研究了开采煤层顶板垂直应力随工作面推进的运移规律以及钻孔的挤压安全系数分布规律和剪切滑移量分布规律,分析了钻孔破坏的影响特征。研究得出:随着工作面的开采,上覆煤层产生了同步的位移,且岩层移动范围比下层煤开采范围大;随着开孔位置距离煤层顶板的偏移,当钻孔避开了顶板5~11 m挤压失稳区,钻孔挤压破坏危险区域也相对随之缩小,提高了钻孔开孔位置高度,有效减少了钻孔危险区范围。研究为钻孔的合理布置提供技术支持。     

坚硬顶板围岩垮落变形规律相似模拟试验研究

为了进一步揭示坚硬顶板采区大巷的变形规律和保安煤柱的应力分布特征,利用相似模拟实验,研究了坚硬顶板开采条件下覆岩的运移、垮落规律和大巷变形破坏特征。得到了以下结论:采空区坚硬顶板悬顶长度较长,工作面初次来压步距为37 m,周期来压步距为23 m;采动影响下巷道围岩变形呈现顶板挤压移进、两帮鼓起的大变形的特征,相似试验为工作面顶板来压步距及采区大巷应力及变形提供依据。     

区段大煤柱水力压裂切顶护巷技术研究

针对工作面回采过程中沿空留巷围岩应力高、蠕变变形大的难题,以赵庄矿井1309工作面为研究背景,用理论计算的方法开展了沿空留巷区域围岩结构力学分析,并提出了适用于该矿井的顶板双向水力压裂护巷工艺和效果检测方法。研究结果表明:13092巷道变形程度由煤体单轴抗压强度、煤层埋深、顶板岩梁强度共同决定,在以上因素的叠加作用下采空区侧向顶板挤压煤柱,煤柱塑性区范围扩大,侧向应力向煤柱深部转移,顶板断裂前煤柱内弹塑性过渡区域垂直应力达到最大值,受侧向应力峰值影响13092巷道发生强烈蠕变变形,巷道断面维护困难;通过在13091巷道布置双向水力压裂孔,提前弱化顶板,破坏其应力传递和能量积聚的条件,有效地进行了人为断裂线的预制,并改善断裂线在煤柱上方的倾向位置,减缓了煤柱受挤压程度;在巷道上方施工的水力压裂孔能够有效促使关键岩块B回转下沉,减小了1309工作面侧向悬顶的长度,垮落的关键岩块B能够较好地对高位岩层形成支承作用;在施工水力压裂孔后相应区域巷道变形量缩小40%,煤柱边界区域微震事件数和微震能量值均有大幅度减小,保证了沿空巷道在回采期间的围岩稳定性。该研究成果探索了顶板水力压裂护巷在晋煤矿区应用的可行性,并为类似矿井条件下开展压裂工艺提供了工程指导。     

煤柱下开切巷应力分布分析及治理研究

为了消除宽沟煤矿B4煤层回采后遗留煤柱对下部煤层的影响,通过理论计算及数值模拟分析相结合的研究方法,对上煤层W1145工作面回采后所遗留的煤柱应力在底板传递的规律和下部煤层W1123工作面回采过程工作面应力分布状况进行研究,研究结果表明：B4煤层回采后煤柱应力变形集中区为13.12m|在煤柱铅直应力作用下,下部煤层距离煤柱60m处时,煤岩体内应力明显升高,距离剩20m左右位置时达到峰值|进入采空区后,煤岩体应力快速的降低,在远离煤柱35m后恢复至开采前的应力水平,影响走向范围可达140m。研究采用超前预裂爆破、两回采巷道侧向切顶方式综合处理顶板,以实现消除煤柱应力影响。