水力压裂基本顶沿空留巷顶板变形特征研究

摘 要：为探究水力压裂基本顶沿空留巷对巷道顶板及巷旁支护体顶部变形的影响,本文以榆家梁矿43308运输顺槽沿空留巷水力压裂基本顶工程为背景,采用FLAC3D数值模拟方法对水力压力前后沿空留巷顶板与巷旁支护体顶部的变形特征进行了分析,结果表明：沿空留巷顶板下沉量呈现由煤壁处向支护体处逐渐增大的趋势,巷旁支护体顶部变形量呈现由沿空留巷处向采空区处逐渐增大的趋势,均呈现“倾斜”特征。水力压裂基本顶前后,沿空留巷顶板平均下沉量由10.7 mm减小到7.23 mm,而巷旁支护体顶部平均变形量由16.82 mm减小到9.13 mm,沿空留巷顶板下沉量与巷旁支护体顶部变形量分别降低32.43%和45.72%。现场实测结果显示,水力压裂基本顶沿空留巷的巷道顶板下沉量与巷旁支护体顶部变形分别维持在20 mm~25 mm和60 mm~65 mm之间。水力压裂基本顶沿空留巷技术在榆家梁矿的成功应用,为其他类似矿井或工作面提供了一定的借鉴意义。     

屯兰矿沿空留巷巷旁支护体的稳定性研究

以西山煤电集团有限责任公司屯兰矿18205运输平巷为研究背景,采用理论分析,数值模拟和现场工程实践相结合的方法分析巷旁支护体的稳定性。建立力学模型,计算得出巷旁支护体的切顶支护阻力和合理的充填宽度;建立数值计算模型验证合理的巷旁充填宽度为2.5m;现场工程实践表明计算得出的巷旁支护宽度可以有效控制围岩变形,巷旁支护体和顶板下沉量小,围岩变形量小。     

完全沿空掘巷支护技术研究

基于辽宁某煤矿1201工作面完全沿空掘巷地质条件,针对巷旁支护体在动压作用下容易破坏的特点,采用巷旁支护体顶部施加柔性垫层及侧向施加预应力钢筋的措施。沿空巷道巷内支护采用高强度预应力锚杆锚索支护系统,并进行巷道煤壁侧帮W型钢带以及贴帮支设木支柱加强支护,以消除巷道内不均衡载荷。FLAC3D数值模拟结果表明:巷旁支护体切顶能力强、沿空巷道支护效果良好。现场试验巷道位移量观测表明:沿空巷道稳定性好,完全沿空掘巷支护方案可以应用到现场。     

固体充填采煤沿空留巷顶板下沉力学机理研究

基于固体充填采煤上覆岩层移动特征,为分析巷旁支护体和实体煤帮的稳定性,以唐口煤矿9301充填采煤工作面沿空留巷为算例,采用Winkler弹性地基梁理论,建立了固体充填采煤沿空留巷直接顶力学模型,推导出巷旁支护体宽度和实体煤帮的弹塑性区长度计算式。研究结果表明:求算得出影响唐口矿巷道直接顶下沉的3个主要参数值,即当巷旁支护体的弹性地基系数为50 MN/m~3,其宽度为3 m,采空区充填体弹性地基系数为80 MN/m~3时,可较好的控制巷道直接顶下沉;同时结合唐口煤矿9301轨道巷顶底板移近量具体监测结果,顶底板最大移近量仅为213 mm,沿空巷道围岩控制效果良好。     

深部沿空巷道巷旁支护失稳机制与降能控制方法

侧向基本顶断裂下沉引起的巷旁支护体能量积聚及其突发释放是导致深部沿空巷道围岩失稳破坏的根源之一。以山东泰安孙村煤矿千米埋深工作面开采为工程背景,利用UDEC离散元数值模拟软件获得了实际工程条件下沿空巷道围岩能量演化规律,以及巷旁支护体宽度、侧向基本顶厚度和断裂长度等因素对沿空巷道围岩能量演化规律影响特征。在此基础上,基于顶板横向断裂边缘的弧形三角板结构,建立了沿空巷道侧向顶板结构力学模型,分析了不同采动阶段巷旁支护体的力学状态,揭示了侧向基本顶断裂下沉引起支护体动力失稳机理,获得了支护体发生动力失稳的能量判据N,并以此为指标提出了“降低外部冲击能量+改变内部承载性能”的巷旁支护体稳定性降能控制方法。当N≥1时,支护体内积聚的弹性变形能与侧向基本顶断裂所带来的新增变形能之和大于支护体完全破碎需要消耗的能量,支护体内部弹性能积聚较大,自承载能力发挥不足,支护体将发生动力失稳;反之,当N<1时,支护体不会发生动力失稳现象。现场实践表明,所建立的动力失稳能量判据与实际结果相吻合,采用降能控制方法后,沿空巷道顶底板移近量、两帮移近量最大值分别114和123 mm,锚索受力相对值最终稳定为5...     

沿空留巷巷旁支护体宽度的合理确定

 巷旁支护体是沿空留巷围岩控制的关键,在充填材料力学性能和巷道高度确定的情况下,巷旁支护体的宽度就成了主要影响因数。本文以焦煤集团九里山煤矿巷旁充填沿空留巷为工程背景,采用理论分析、数值模拟和现场试验相结合的方法,得出巷旁支护体合理宽度的确定方法。现场试验表明,采用该方法确定的巷旁支护体宽度在沿空留巷围岩趋于稳定后,巷道围岩及充填体稳定、变形量较小,说明采用该方法确定的支护体宽度科学合理,对沿空留巷实践具有一定的指导意义。     

密实充填采煤沿空留巷巷旁支护体合理宽度研究

基于固体密实充填采煤的覆岩移动规律,分析了沿空留巷围岩变形特征及巷旁支护体的作用机理,得出夯实机构夯实充填体而传递来的侧压力是导致巷旁支护体失稳和变形的主要因素,据此建立了侧向压力与巷旁支护体稳定性力学模型,推导出巷旁支护体宽度计算公式.根据花园煤矿的具体条件,对不同宽度巷旁支护体的变形特征进行了数值模拟分析.结果表明,当支护体宽度大于2.5 m并采用锚带网联合支护加固后,侧压力引起的巷旁支护体变形可得到有效控制.现场工程实践证明该项技术成功有效,巷旁支护体稳定性力学模型及宽度计算公式合理.     

沿空留巷巷旁支护体稳定性及围岩控制技术

沿空留巷巷旁支护体的结构稳定性关系着整个沿空巷道支护体系的系统可靠性。在分析平顶山天安煤业股份有限公司二矿(以下简称平煤股份二矿)生产地质条件基础上,通过数值模拟的方法研究了高水速凝材料构筑巷旁支护体在不同水灰比和宽度条件下的变形特征及应力分布规律,分析了在经济合理的条件下充填体力学性能对支护体结构稳定性具有显著影响,支护体宽度存在一个合理的取值范围。现场工业性试验表明选取的力学参数合理,巷旁支护体变形量较小,实现了沿空留巷的围岩稳定。     

沿空留巷下位顶板破断规律与控制机理研究

沿空留巷下位顶板的破断位置决定着上位顶板的破断位置和巷道围岩的稳定性,其破断位置一般在煤帮附近或巷旁支护体外侧,受控于巷旁支护和巷内支护强度.基于极限分析和力学平衡理论,分别对2个不同破断位置的下位顶板建立力学模型,得到巷旁支护阻力与下位顶板破断位置的关系,并且分析了顶板破断后的扰动效应.结果表明下位顶板在巷旁支护体外侧破断,有利于维护巷旁支护体和煤帮.进而,从提高顶板岩层抗弯能力、增大顶板岩层抗拉强度和改善应力环境3个方面分析了顶板进行合理锚杆支护后,可使下位顶板破断更趋向于采空区侧.     

沿空留巷巷旁支护体的数值模拟研究

巷旁支护是实现沿空留巷的关键,合理的巷旁支护体参数直接影响到支护的可靠性和经济性。某矿采用混凝土预制块砌成的砌筑带支护沿空巷道,本文通过FLAC3D数值模拟软件依照该矿的现场作业和地质条件建立工作面走向、倾向、垂直三个方向的三维模型,分别模拟砌筑带宽度为1m、1.5m、2m、2.5m、3m时的矿压规律。开挖过程中可以对工作面后方的应力位移等进行监测,找出巷道顶板围岩的应力分布规律,研究不同巷旁支护体宽度条件下巷道围岩变形与受力情况。     

沿空留巷锚杆支护技术研究及应用

分析沿空留巷巷内支护存在的问题，从提高巷道围岩自身强度及巷内支护对顶板支撑力出发，提出了沿空留巷巷内采用锚杆支护技术。工程应用表明，锚杆支护巷道沿空留巷，有效切落了采空区侧顶板，减小了巷旁支护体载荷；沿空留巷维护效果表明，该技术在留巷期间有效控制了巷道变形，提高了沿空留巷围岩整体稳定性。     

深孔爆破切顶对沿空留巷围岩稳定性影响的研究

为了在山西省南阳煤矿３２０７工作面顺利实施沿空留巷无煤柱开采,在靠近巷旁支护墙 的采空区侧进行超前深孔爆破预裂顶板,通过数值模拟计算和现场工业试验,进行了深孔爆破切 顶对沿空留巷围岩稳定性影响的研究。 以南阳煤矿３２０７工作面运输巷沿空留巷为背景,构建了 数值模拟计算模型,计算了留巷的顶、底板位移和墙体、煤帮的位移,分析了留巷围岩的应力分布 与变化。 数值计算表明,切顶后沿空留巷围岩应力和位移的减小幅度较大,围岩稳定性显著提 高。 现场工业试验研究表明,深孔爆破切顶能有效地消除悬臂梁顶板对留巷围岩的旋转挤压破 坏,有助于沿空留巷结构保持稳定和完整。     

基本顶断裂位置条件下沿空留巷充填体参数确定

沿空留巷基本顶断裂位置对充填体所需提供支撑力有很大影响,基于砌体梁理论,建立3种沿空留巷基本顶断裂结构力学分析模型,采用梁体挠度计算方法,得出充填体所需支撑力随开采深度、留巷巷道宽度、充填宽度的增加而增大;基本顶在采空区侧断裂充填体所需提供支撑力最小,沿空留巷围岩稳定性较易控制;基本顶在巷道上方或煤壁侧断裂,所需充填体支撑力较大;在靠近岩块A和岩块B的断裂位置处进行充填,有利于降低充填体需要提供的支撑力,并将研究成果在潘村煤矿1301工作面进行现场试验,沿空留巷取得成功。     

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。     

综放开采沿空留巷围岩变形特征

为研究综放开采沿空留巷围岩变形特征,以山西铺龙湾煤业有限公司4102综放工作面为工程背景,从理论层面分析了沿空留巷围岩大变形机理,发现4102综放工作面沿空留巷围岩发生大变形主要原因是基本顶关键块体断裂回转使留巷位置由低值应力区变为高值应力区,在此基础上采用FLAC3D软件对沿空留巷围岩应力分布规律及变形特征进行分析。结果表明在支护初期巷旁支护体垂直应力为1.5 MPa,巷道围岩水平位移极小,当基本顶发生断裂后,巷旁支护体垂直应力增加,最大达3.22 MPa,此时的变形速率也达到最大,随着上覆岩层触矸,巷道围岩垂直应力及两帮变形速率也逐渐稳定。     

大断面沿空留巷巷旁支护体力学机理和数值模拟

以某矿2714巷大断面沿空留巷为工程背景,采用有限元数值模拟分析了沿空留巷围岩变形特征和塑性区发育情况。首先,通过对不同巷旁支护体宽度下的沿空留巷进行数值模拟分析,得出巷旁支护体宽度对于围岩变形以及塑性区范围的影响呈正比关系;然后,通过合理的确定巷旁支护阻力和巷旁支护体的宽度,同时对2714巷支护系统进行数值模拟,模型中将巷旁支护体中的柔性垫层设置为弹性体进行模拟,模拟结果中顶部位移量与现场实测值相匹配,同时分析了巷旁支护体中对拉锚杆受力规律。     

综放工作面护巷煤柱的留设研究与控制技术

针对综放工作面厚煤层,过大的护巷煤柱造成煤炭资源浪问题,以串草圪旦煤矿6 102工作面为工程背景。结合运用理论分析、数值模拟与现场试验等方法,分析了不同宽度的护巷煤柱的应力及弹塑性区的分布规律,研究表明：（1）掘巷期间,随着护巷煤柱宽度的增大,6 103采空区侧的应力分布基本无明显变化,而6 102辅运巷道侧的应力分布为降低趋势,护巷煤柱中部应力叠加现象为降低趋势。（2）当护巷煤柱宽度大于15 m时,护巷煤柱两侧的塑性区范围基本无明显变化,护巷煤柱内的弹性区宽度随着护巷煤柱宽度的增大而增大。（3）回采期间,留设的护巷煤柱宽度大于14 m时,回采工作面附近的护巷煤柱存在弹性区,综合考虑合理的护巷煤柱的宽度为14 m。（4）现场实践证明巷道围岩得到了很好的控制。     

大采高采场切顶卸压小煤柱护巷技术研究与应用

为解决大采高工作面强动压影响工况条件下小煤柱沿空掘巷维护难题,以阜生煤矿1102大采高工作面1106沿空掘巷为研究对象,采用理论分析、数值模拟及现场实测的方法,研究采空区侧顶板断裂对小煤柱护巷围岩稳定性的影响。建立了沿空掘巷侧向顶板断裂及煤柱载荷计算模型,得到煤柱载荷与采空区顶板断裂角呈线性递增的关系;基于切顶卸压沿空掘巷原理,提出采用切顶方法来减小煤柱载荷,达到卸压效果;计算得到1106工作面沿空掘巷煤柱宽度为8.0 m,对切顶卸压效果进行了数值模拟分析,认为经切顶处理后小煤柱及巷道煤帮侧应力峰值减小了23%,巷道顶底板及两帮变形得到了有效的控制;对切顶卸压小煤柱护巷技术进行了现场评价,现场应用结果表明切顶后的巷道顶底板移近量最终稳定在377 mm,两帮变形量稳定在242 mm左右,处于可控范围,巷道维护效果良好。切顶卸压小煤柱护巷技术的应用,实现了大采高工作面的安全高效开采。     

采掘扰动对高应力厚煤层护巷煤柱的稳定性分析

针对沿空掘巷及本段工作面采掘扰动对高应力厚煤层护巷煤柱的稳定性影响问题，以陕西金源招贤煤矿1305工作面为工程背景，通过理论分析、数值模拟及现场实践的方法，分析了采掘过程中煤柱内应力演化及基本顶的破断规律，给出了基本顶初次及二次破断后的力学模型，分析了采掘过程中工作面前40 m范围内护巷煤柱的应力和弹塑性区分布规律。结果表明：工作面采掘致使基本顶破断形成的三角块结构是造成煤柱失稳的重要因素；风巷掘进期间，应力集中区与峰值应力主要分布在采空区侧煤柱内，巷道侧煤柱基本稳定；1305工作面回采期间，工作面前方20 m范围内煤柱应力叠加现象明显且塑性区宽度增加幅度较大，在30 m和40 m处煤柱应力分布规律与掘巷期间相似且塑性区宽度增加较小。综上表明，工作面采动对前方20 m煤柱的稳定性影响严重。现场实践证明合理的支护参数设计能有效控制巷道围岩的稳定性。     

煤柱宽度对综放工作面巷道位移的影响规律

应用现场实测和计算机数值模拟(FLAC3D)方法,研究调整并分析了不同煤柱宽度条件下,综放回采巷道围岩位移分布特征及其变化规律.研究结果表明,护巷煤柱的宽度不同,综放工作面巷道位移变形有很大差异,巷道围岩移动具有明显的采动影响近场效应;在一定的护巷煤柱宽度范围内,并非煤柱越宽越稳定,或在极窄小煤柱护巷条件下,将巷道布置在采空区边缘低应力区就有利于维护;合理的支护方式应能控制巷道呆动影响剧烈阶段的围岩变形,支护设计应从载荷控制向变形控制转变.