基于Salamon模型的采空区应力响应特征及区段煤柱合理留设宽度研究

:针对临空巷道大变形及控制难题,以陕北某矿５－２ 煤两相邻工作面开采为研究背景,提出了通过优化区段煤柱留设宽度来减小巷道变形的方法.综合采用理论分析和数值模拟,研究了不同区段煤柱宽度下采空区应力分布特征及中部应力恢复区宽度,区段煤柱载荷分布形态及演化特征,并结合区段煤柱弹塑性演化规律,确定区段煤柱合理留设宽度.结果表明:① 双面开采后,首采工作面采空区 Salamon单元垂直应力呈不对称“马鞍形”分布,且随着区段煤柱宽度的增加,应力峰值从５．８ MPa逐步减小至３．９ MPa,采空区应力恢复区宽度从１８７m 缩减至１６２m;而临空工作面采空区Salamon单元采空区垂直应力呈“尖顶拱形”分布,峰值及中部应力恢复区宽度变化不大;② 随着区段煤柱宽度的增加,其垂直应力分布形态由“拱形”逐步演化为“马鞍形”,应力峰值由３７．１９MPa逐步减小至２８．３２ MPa,垂直应力趋于均匀化,并以弹性核区占比４０％作为煤柱临界失稳判别指标,确定区段煤柱的合理宽度为２０m,与理论计算结果基本一致.     

上覆遗留区段煤柱对下伏煤层开采扰动影响研究

上覆遗留区段煤柱导致底板应力环境改变,而下伏采场在开采扰动和遗留区段煤柱底板高应力双重作用下极易出现剧烈矿压问题。根据遗留区段煤柱对底板应力的扰动传播规律,研究了下伏煤层开采前后上覆遗留区段煤柱对底板应力的扰动演化机制,计算分析了遗留煤柱区域下伏煤层开采的扰动宽度范围;应用FLAC3D数值软件模拟了上覆遗留区段煤柱影响下下伏煤层开采的扰动破坏特征;现场实测验证分析了遗留区段煤柱对下伏煤层巷道布置及采场来压的影响。结果表明:下伏煤层开采前遗留区段煤柱对下伏煤层的扰动范围与煤柱宽度和层间距呈正相关关系,但层间距对扰动范围的影响更为显著;下伏煤层开采后,在采动及遗留区段煤柱底板高应力叠加作用下,下伏采场推进方向由煤壁向采场前方深部,扰动宽度较下伏煤层开采前呈增加—减小—稳定趋势,并在超前支承压力峰值处宽度达到最大;煤柱宽度20 m时,下伏煤层开采后的最大扰动宽度可由开采前的30 m增加至36 m,增加20%,扰动角由32°增高至45°,增高40.6%,超前支承压力峰值较开采前也增加了14.8 MPa;且现场回采时,遗留煤柱区域下伏采场来压步距均值28. 3 m,较采空区下来压步距均值20.5 m增加约38%,动载系数增高约7.1%,应加强遗留煤柱扰动范围内的顶板维护,确保下伏采场安全开采。     

深部大采高综采工作面区段煤柱宽度优化研究

为解决深部大采高综采工作面大尺寸区段煤柱护巷效果与煤炭资源回收率之间的矛盾,以红庆河3-1煤大采高工作面为研究背景,通过极限平衡理论计算深部采场煤柱塑性区、弹性区宽度,采用应力监测手段分析煤柱内应力分布特征,结合不同宽度煤柱数值模拟结果,得出结论:3-1401工作面回采侧与掘进侧塑性区宽度分别为6. 28m、5. 83m,并采用数值模拟计算对该结果进行了验证;应力监测结果表明,40m煤柱呈现双峰状应力分布特征,应力集中程度明显,回采侧应力峰值位于距煤壁6m位置,应力集中系数达2. 18,掘进侧应力峰值位于距煤壁5m位置,应力集中系数为1. 98;综合以上分析结论,确定该条件下区段煤柱合理宽度为25m。     

煤柱承载计算方法改进及尺寸优化

以禾草沟一矿为工程背景，通过监测相邻工作面区段煤柱侧向支承应力分布、内应力场分布范围,分析了工作面采动应力影响范围及程度，研究了不同区段煤柱宽度下采空区应力分布特征、区段煤柱载荷分布形态及演化特征。为15214工作面与15216工作面区段护巷煤柱留设提供依据。综合理论分析，得到结论：改进煤柱支承能力计算公式，并考虑煤柱尺寸效应对煤柱尺寸进行优化，将15214工作面与15216工作面之间的区段煤柱从之前的20 m调整到5 m。     

长壁工作面合理区段煤柱宽度的留设

根据察哈素煤矿地质条件,应用极限强度理论计算方法计算出了长壁工作面护巷煤柱的合理宽度;采用FLAC3D对长壁工作面区段煤柱宽度为10,15,20 m 3种条件下的塑性破坏范围和应力分布特征进行了模拟,结果表明,煤柱的塑性区范围随煤柱宽度的增加而减小,二次采动影响大于一次采动影响;煤柱内的应力大小随煤柱宽度的不同而变化,曲线整体呈上凸趋势的应力分布规律;综合理论计算与数值模拟结果,获得了该矿合理的区段煤柱宽度为12 m。将结果应用于现场,利用声波探测仪在现场对巷道11个位置的松动圈进行了观测,验证了区段煤柱尺寸的合理性,提高了回采率。     

浅埋薄煤层钻采煤柱稳定性与破坏机理研究

对埋深50 m薄煤层采用螺旋钻开采的FLAC3D数值模拟,从采场和煤柱的应力分布、塑性区分布规律入手,探究了煤柱宽度尺寸改变时采场和煤柱的稳定性和破坏形式。研究表明:采场和煤柱受水平应力影响极小,主要为竖直方向应力且破坏形式主要为剪切破坏,煤柱内应力弹性核区随煤柱宽度减小而减小,弹性核区内应力峰值逐渐增大直到临界失稳时增幅不大,煤柱宽度尺寸对其稳定性影响很大。     

极浅埋煤层条带开采煤柱合理宽度研究

为了解决极浅埋煤层条带开采过程中留设煤柱合理宽度不明确的问题,以某矿为例,采用理论分析与数值模拟的研究方法,根据岩体极限平衡理论计算得到支撑煤柱宽度为1.56~1.83 m;支撑煤柱的宽度增加引起面积增加,总的承载能力增大;支撑煤柱为1.25 m,采深大于150 m后,全部进入塑性区,可能发生失稳;宽度为1.5、1.75、2.0 m时,随着采深的增加,最大垂直应力基本呈线性增加。     

浅埋大采高综放开采煤柱矿压显现规律研究

浅埋深大采高综放开采,因基岩厚度薄,工作面动载明显,区段煤柱宽度通常难以合理确定.通过在工作面区段煤柱内沿走向方向布置应力传感器,研究了煤柱受采动影响全过程的矿压显现规律.煤柱受工作面采动影响作用后,应力呈不对称的马鞍形分布,并且应力变化滞后于工作面的推进,靠近工作面采空区侧的应力集中系数要大于实体煤侧,2个马鞍形峰值问还存有8 m左右宽度的低应力区,与离散元数值模拟结果相吻合,结果表明:煤柱内存在低应力弹性核区,经方案进行对比,确定合理煤柱宽度为20 m.     

基于极限平衡理论的大倾角区段的煤柱合理尺寸研究

针对大倾角综放开采区段煤柱留设尺寸的确定难题,建立了相应区段煤柱力学模型,并用极限平衡理论分析及数值模拟结合的方法,研究了煤柱尺寸的理论公式、应力分布、模拟分析。研究表明:区段煤柱合理留设宽度是煤柱两侧塑性区宽度和中心弹性区煤体的临界尺寸之和;揭示了不同宽度区段煤柱受上、下区段工作面采动影响时,区段煤柱支承压力分布规律曲线;得出孟家窑煤矿大倾角煤层区段煤柱宽度为25 m时即可保持稳定。研究结果在该矿5102工作面的成功应用,可为大倾角煤层区段煤柱合理尺寸提供理技术参考。     

浅埋近距离煤层工作面过三角形斜交煤柱开采应力演化规律研究

针对浅埋近距离煤层工作面过上覆三角形遗留煤柱开采,存在顶板局部来压强烈和区段煤柱应力集中导致的巷道大变形等问题,以寸草塔二矿31109工作面为研究背景,采用现场实测、数值计算和理论分析相结合的方法,研究过三角形煤柱两次采动叠加应力的大小和范围的演化规律,揭示两次采动区段煤柱压力变化规律和相邻巷道破坏机理,明确巷道加强支护的范围和重点支护范围与时机。研究结果表明：上覆三角形斜交煤柱对其下方工作面煤层形成应力集中,最大应力位置位于斜交区段煤柱之下;当下煤层31206工作面开采后,31109区段煤柱应力上升为最大应力,应力峰值区位于与上覆斜交区段煤柱叠合区附近,峰值区宽度为240 m,对应该区域巷道变形破坏较明显。31109工作面开采过程中,在工作面煤壁与上覆斜交煤柱叠加区和工作面区段煤柱与上覆斜交煤柱叠加区存在应力峰值区,形成应力双峰;随着工作面推进,双峰应力不断升高,且煤壁应力峰值区逐步向区段煤柱方向移动,当工作面推进到区段煤柱叠加区时,双峰合并为更高的单峰应力;在工作面出斜交煤柱时区段煤柱应力达到最大,出煤柱叠加区后应力迅速减小;总体上,31109工作面开采后区段煤柱应力峰值区最大应力...     

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。     

近距离煤层群窄煤柱下应力分布及巷道布置北大核心

针对近距离煤层群窄煤柱下的应力分布及巷道布置问题,采用理论分析、数值模拟及现场实测等方法对窄煤柱下部煤岩层的应力分布特征进行分析。研究表明:受相邻工作面顺序回采的影响,煤柱上覆岩层向后回采工作面侧回转,导致支承应力峰值向后回采工作面一侧偏移,煤柱支承应力呈不对称分布;受支承应力影响,煤柱下部煤岩层应力分布表现出与支承应力对应的不对称性,不对称程度随煤柱宽度的减小而升高。结合实际工程案例,根据下部煤层底板垂直应力及主应力差分布,同时考虑到应力不对称分布的影响,最终确定了下部煤层回采巷道位置。     

大倾角厚煤层综采面回采对邻近煤柱和掘进面的影响研究

为了研究大倾角煤层综采面回采对区段煤柱和下区段工作面回风巷掘进面的影响,采用数值模拟和现场监测的方法研究了区段煤柱的应力分布、回采面对掘进面的扰动情况。研究结果表明,大倾角煤层工作面应力集中区域与缓倾斜煤层明显不同,煤柱受到的工作面与煤柱侧叠加应力并非均匀分布,靠近上区段侧的应力集中明显高于下区段侧;当前南山煤矿B8煤层大倾角工作面20 m宽区段煤柱能够保持稳定,通过弹性核理论计算其合理区段煤柱宽度为18.4 m;回采工作面与相邻掘进工作面相距218 m时开始相互扰动,两面之间的最大扰动影响发生在回采面越过掘进面46 m时。     

大断面巷道非均匀变形机理及稳定性控制研究

为探究围岩受采动影响条件下巷道变形破坏与稳定性控制,以桑树坪二号井3309工作面运输平巷为工程背景,采用FLAC3D数值模拟方法分析“一掘二采”期间大断面巷道围岩主应力差分布特征,结合现场试验,揭示大断面巷道围岩非均匀大变形破坏机理,分析提出巷道围岩非均匀变形控制补强支护设计方案。研究结果表明：①一次回采和二次回采期间,巷道煤柱及煤壁两侧煤体峰值应力差分别为7.93MPa、12.96MPa,煤柱帮峰值应力远高于煤壁帮,两侧煤体呈非对称变形破坏特征|②与一次回采相比,二次回采期间3309工作面运输平巷煤柱帮主应力增大11.46MPa,塑性区范围从4.5m增加至煤柱宽度,煤壁帮主应力差增加27.46MPa,塑性区增加1.5m,巷道围岩处于高强度剪应力状态,易引起大变形破坏|③基于大断面巷道两侧煤体非均匀变形破坏特征,针对性提出“一长一短”两种补强支护方案,现场试验后巷道围岩稳定性控制效果良好。     

采空区下回采巷道非对称变形研究

针对采空区下回采巷道变形破坏严重难以支护且具有明显非对称特征的现象,运用理论分析和数值模拟等方法,结合具体的工程实践,建立了区段煤柱力学模型,研究了煤柱支承压力作用下底板岩层应力分布规律,分析了10-1051巷道非对称受力和变形破坏特征,并对巷道支护结构进行了优化,有效控制了巷道的变形,为采空区下非对称变形巷道的支护提供了理论指导,对非对称变形巷道围岩控制具有重要的现实和理论指导意义。     

区段煤柱中巷支承压力演化规律研究

以黄陵某煤矿区段煤柱中巷为背景,采用相似模拟实验方法,研究在充分采动后煤柱的应力分布规律以及在一侧煤柱中开挖巷道过程中另一侧煤柱的应力分布特征,探究上覆岩层的变形破坏规律及应力分布情况。研究结果表明,工作面采动后形成的倒三角结构和在一侧煤柱中开挖巷道是另一侧煤柱压力增大的主要原因,同时得出煤柱失稳垮落后上覆岩层的破坏范围,对巷道支护具有一定的指导意义。     

动压巷道煤柱载荷特征及其对围岩应力的影响

煤柱是回采巷道围岩结构的一个重要组成部分,煤柱尺寸在一定程度上决定着巷道围岩的稳定性。针对崔家寨矿E12501综采工作面具体地质及开采技术条件,运用计算机数值模拟及现场实测相结合的方法,研究不同煤柱宽度时煤柱及工作面煤体应力分布规律,获得了煤柱内部应力场及演化基本规律。研究结果表明,煤柱宽度变化对围岩应力分布及结构变化特征影响显著,巷道维护状态是工作面煤层和煤柱内应力场共同作用的结果,为区段煤柱宽度的合理留设、回采巷道合理位置的选择及围岩稳定性控制提供了依据。     

窄煤柱巷道非均匀变形机理及支护技术

为了解决窄煤柱巷道非均匀大变形控制难题,以丰汇煤矿窄煤柱巷道为工程背景,综合采用现场调研、室内实验、数值模拟和理论分析等方法,研究了不同煤柱尺寸影响下,采动巷道围岩应力与塑性区分布特征;分析了窄煤柱巷道变形破坏规律与采场覆岩结构运动特征,揭示了窄煤柱巷道非均匀变形机理,指出采动应力场叠加,支承压力大;覆岩结构非对称,偏载作用显著;煤柱尺寸小、强度低,难以为顶板提供有效支撑;支护方案对称布置,针对性差,是窄煤柱巷道产生非均匀变形的主要原因。基于窄煤柱巷道围岩控制难点,提出以"改变巷道区域支护方式、增加支护密度、破碎围岩注浆改性"为核心的差异化支护技术,加强对围岩局部大变形的控制,充分发挥围岩的自身承载能力;现场监测表明,窄煤柱巷道在服务期间围岩非均匀大变形得到有效控制,稳定性好;可为同类型巷道围岩的控制提供参考。     

浅埋煤层群开采的区段煤柱应力与地表裂缝耦合控制研究

为了探索浅埋煤层群开采减缓煤柱集中压力并实现地表均匀沉降和地表裂缝耦合控制,通过物理模拟和数值计算揭示了煤层群开采中不同区段煤柱错距的间隔岩层破断规律、煤柱集中应力分布规律、覆岩和地表裂缝发育规律及地表沉降规律,掌握了不同区段煤柱错距与煤柱应力集中及覆岩裂隙演化的关系。研究得出,根据煤层间岩层的破断规律,确定合理的上下煤层区段煤柱错距,可避免上下煤层区段煤柱间的集中应力叠加和煤柱支承影响区的岩层非均匀沉降,实现煤层群开采的应力和裂缝耦合控制。建立了浅埋煤层群开采的煤柱群集中应力和地裂缝控制模型,得出了避开煤柱集中应力和实现地表均匀沉降的耦合判据,揭示了减缓煤柱群集中应力和实现地表均匀沉降的机理。     

开采顺序对复合残采区层间煤岩层矿压显现影响规律研究

为了研究上下煤层开采顺序对复合残采区层间煤岩层矿压显现影响的规律，以西山煤电白家庄煤矿上下部煤层分别采用刀柱法和长壁垮落法开采后形成的复合残采区为研究对象，综合运用现场调研、理论分析和数值模拟等研究方法，分析了上下煤层不同开采顺序对中部遗留煤层及其围岩应力分布、移动变形和破坏特征的影响。研究结果表明：相较于“先下后上”的开采顺序，采用“先上后下”开采顺序时，上下部煤层开采完毕后中部遗留煤层及其围岩的应力集中程度更低，双重采动所造成的应力影响范围更小|采用“先上后下”开采顺序时，复合残采区层间煤岩层移动变形量较“先下后上”开采顺序时小|采用“先上后下”开采顺序时，上部煤层遗留刀柱煤柱下方岩体未受到塑性破坏，即该区中部煤层整体稳定性较好。研究可为同类型赋存条件的复合残采区中部遗留煤层安全开采提供理论基础。