大采高开采扰动区煤岩应力分布特征

以宁东矿区6.2 m采高工作面开采扰动区内煤岩赋存特征为背景,采用数值模拟和现场监测方法,研究了在破碎围岩环境下,大采高开采扰动区内(主运巷)煤岩应力变化特征。对工作面端头应力以及主运巷煤柱侧应力分布进行了实测分析与总结。     

深部特厚煤层强采动巷道围岩综合应力场演化及支护对策

以麻家梁矿4号特厚煤层强采动巷道支护为背景,采用现场实测、数值模拟方法分析了14103辅运副巷在相邻14102工作面回采过程中的原岩应力场、采动应力场和支护应力场构成的综合应力场演化规律。原岩应力测试结果表明:麻家梁矿4号煤层顶板岩层原岩应力从量值上属于高应力,原岩应力方向为N30.6~52.1°W;基于原岩应力,分析得出采动应力从14103辅运副巷与14102回采工作面相交开始到滞后工作面50m的空间范围内急剧增大,滞后工作面150m后,巷道围岩采动应力逐步趋于稳定;现场实测发现支护应力的变化趋势与采动应力变化趋势总体一致,由于煤柱的影响,14103支护应力的显著增加从空间上略微滞后于采动应力的显著增加;锚杆锚索的预应力越高,其受力越稳定;预应力较低时,受采动影响其内部支护应力变化更剧烈。基于原岩应力、采动应力及支护应力分析结果,提出了14103辅运副巷的支护对策,现场监测结果表明14102工作面回采后,巷道断面收缩率仅为8.8%,完全满足了巷道的运输通风需求。     

基于应变软化模型的煤柱采动应力分布精细化数值模拟

以山西经坊煤业08综放工作面工程地质条件为背景,开展了工作面护巷煤柱采动应力的现场钻孔应力实测;同时,分别建立了基于摩尔-库伦(MC)本构模型以及应变软化(SS)本构模型的数值计算模型,精细研究了综放工作面煤柱采动应力空间分布及演化规律。现场钻孔应力监测及数值模拟结果表明：与传统的MC模型相比,基于SS模型的精细化数值模拟能够准确地获得综放工作面煤柱采动应力空时分布规律,其结果更接近于现场钻孔应力监测结果;基于SS模型的煤柱上的支承压力峰值位置滞后工作面40-50m,而基于MC模型煤柱采动应力峰值位置始终处于采空区中部,不能反映采空区顶板垮落破断对采动应力分布规律的影响;基于SS模型的煤柱上的侧向支承压力与工作面前方的超前支承压力分别相比基于MC模型的结果小43.3%与26.2%。研究成果对于指导综放工作面护巷煤柱尺寸留设以及巷道布置与支护设计具有一定的理论与工程指导意义。     

端氏煤矿3110工作面开采对煤柱变形及应力影响

为探究回采过程中巷道表面移近量及煤柱应力变化规律,采用现场实测的方式对端氏煤矿3110综采工作面回采期间巷道表面移近量、煤柱垂直应力、侧向应力进行测试。研究结果表明:随着工作面至监测断面距离的逐渐减小,巷道两帮移近量及顶底板移近量逐渐增大;回采过程中煤柱总体破裂范围不超过5 m,煤柱均存在一定的弹性区。通过对煤柱附近采动应力变化规律的研究,为相似地质条件下煤矿的安全高效开采提供理论依据。     

急倾斜特厚煤层水平分段综放采动应力分布规律研究

为了研究急倾斜特厚煤层采动应力的分布规律,采用FLAC3D与现场实际观测的方法对阿刀亥煤矿急倾斜特厚煤层水平分段综放开采条件下的水平应力、垂直应力、剪应力的分布情况进行了模拟和实际观测。模拟结果表明:工作面超前支承压力影响范围小,但侧向支承压力影响非常显著;工作面两巷附近有明显的应力集中现象;底板巷承载的应力弱于顶板巷,但相对位移却高于顶板巷。现场实测结果表明:底板巷的变形以底鼓和顶板下沉为主,顶板巷则以帮鼓和巷道整体变形为主;急倾斜煤层水平分层开采上层采动对下方工作面影响明显,超前显著影响距离约为30m。     

松软煤层采动应力动态分布规律研究

基于现场原位监测及三维数值模拟,研究了高突松软煤层采动应力动态分布规律。结果表明:随着采煤工作面的推进,工作面顶板出现垂直向下的卸载膨胀变形,引起顶板的离层、冒落;工作面回采后,垂直应力在工作面前后出现应力集中现象,且随着工作面的向前推进,应力集中位置前移,垂直应力逐渐减小;工作面前方形成的支承压力最大值发生在工作面中部前方,应力集中系数K为2.5。采动应力现场监测结果表明:煤层支承压力可划分为卸压区、应力增高区和原岩应力区,在工作面前方15～25 m处达到峰值,监测结果与数值模拟结果基本吻合。研究成果揭示了南方浅埋松软煤层应力集中区采动应力的动态变化规律,可为类似矿井的灾害防治提供借鉴。     

特厚煤层超前采动原位应力演化规律研究

特厚煤层超前采动应力演化规律是顶板控制的基础,但目前缺乏现场采动过程应力演化的研究成果。依托同煤集团同忻矿8309工作面,进行了特厚煤层采动应力演化规律原位实测研究。现场试验结果表明:随着工作面推进,前方煤岩扰动强度不断增大,支承压力由原岩应力逐渐上升至峰值强度,然后随着煤岩的破坏开始下降至残余强度;侧向水平应力则呈现出阶段性稳态降低的趋势。根据支撑压力规律,工作面前方煤岩具有扰动分区化特征:该试验点工作面前方200 m以上为未扰动区域;工作面前方100~200 m为弱扰动区域;工作面前方50~100 m为强扰动区域;工作面前方50 m以内为剧烈扰动区域,结合工作面前方不同区域扰动强度提出了针对性的分区支护措施建议。研究成果可为室内开展扰动应力路径加卸载试验和特厚煤层现场安全高效开采提供指导。     

浅埋深坚硬厚顶板动压巷道采动应力演化规律研究

针对浅埋深坚硬厚顶板条件下巷道矿压显现强烈的问题,采用多种现场实测数据研究了工作面回采前后全周期采动应力的演化规律以及巷道围岩变形破坏演化特征。结果表明,工作面回采前后全周期采动应力演化规律表现出显著的阶段性变化特征,超前阶段采动影响较小,滞后阶段矿压显现强烈,煤柱帮下部锚杆受力最显著,最大增幅达17.3kN。采动应力逐渐向辅运巷方向转移,煤柱峰值应力最终稳定在10.4MPa。滞后工作面距离大于405.6m时随顶板岩层运动趋于稳定,采动应力变化也逐渐稳定。结合辅运巷在采动应力作用下的变形特征,提出了薄弱环节加强支护的控制思路,制定了合理的巷道支护对策,以期为类似条件的动压巷道围岩控制提供一定指导。     

大宁煤矿回采巷道采动应力分布规律研究

针对大宁煤矿回采巷道采动后变形严重的情况,通过现场实测和数值模拟方法分析了回采巷道护巷煤柱采动应力变化规律。研究结果表明:回采巷道变形是水平应力和垂直应力双重作用的结果,水平应力升高区主要在工作面-30~40 m区域,最大水平应力集中系数为2;垂直应力升高区主要在回采面前70 m以后区域,最大垂直应力集中系数为2.5。可为回采巷道选择合理的支护方式提供参考。     

煤岩倾角对采场周边支承压力影响的数值模拟研究

为研究煤岩倾角对采场周边围岩应力的影响,采用FLAC3D软件中的MohrCoulomb模型分别模拟0°、30°、45°采场周边应力变化情况,研究采场周边围岩应力、位移的空间动态演变过程。结果表明,煤岩倾角对采场倾向围岩活动影响作用很大,即:随煤岩倾角增大,工作面倾向围岩应力及位移分布特征从对称形态转变为非对称形态;走向煤壁应力集中系数呈先增后减的变化趋势,塑性区范围减小,应力影响范围减小,应力峰值降低,峰值距离减小;巷帮垂直应力减小,工作面巷道受压影响范围变小,运输巷应力值较回风巷偏大,应力集中系数变化不大,但峰值距巷帮的距离有所减小。     

跃进矿上覆巨厚砾岩对采动应力场分布及冲击矿压影响

跃进煤矿23110工作面回采期间,运输顺槽曾发生多起冲击矿压现象。为研究工作面上覆巨厚砾岩对采动应力场及冲击矿压的影响,采用FLAC数值计算不同厚度的坚硬砾岩层对23130工作面回采期间的采动应力场演化规律。结果表明,工作面回采采动应力影响范围随砾岩厚度增加而增大,相邻工作面回采巷道区域承受高应力达到临界值,易发生冲击矿压。工作面回采后,相邻工作面一次实体煤最大垂直应力与采空区中线距离随砾岩厚度增大而减小。巨厚砾岩条件下,先前工作面的开挖对后续工作面的应力分布有重要影响。23130工作面下巷开挖之前已经处于高应力区域,造成其掘进时的冲击危险性大大增加。     

上覆巨厚砾岩对采动应力场分布及冲击矿压的影响研究

跃进煤矿23110工作面回采期间,运输顺槽曾发生多起冲击矿压现象。为研究工作面上覆巨厚砾岩对采动应力场及冲击矿压的影响,采用FLAC数值计算不同厚度的坚硬砾岩层对23130工作面回采期间的采动应力场演化规律。结果表明,工作面回采采动应力影响范围随砾岩厚度增加而增大,相邻工作面回采巷道区域承受高应力达到临界值易发生冲击矿压。工作面回采后相邻工作面一次实体煤最大垂直应力与采空区中线距离随砾岩厚度增大而减小。巨厚砾岩条件下,先前工作面的开挖对后续工作面的应力分布有重要影响。23130工作面下巷开挖之前已经处于高应力区域,造成其掘进时的冲击危险性大大增加。     

考虑煤岩材料非均匀性的特大采高工作面周期来压分析

考虑煤岩材料的非均匀特性对特大采高工作面矿压显现规律的影响,采用理论分析、数值模拟和现场实测相结合的研究方法,研究神东矿区某８m 特大采高工作面周期来压规律.提出煤岩微结构密度参数,理论推导工作面非均质顶板周期垮落步距计算公式;建立非均质煤岩体工作面推进数值计算模型,结合现场实测结果验证理论模型和数值计算结果的合理性.结果表明:考虑煤岩材料非均匀特性,周期垮落步距随煤岩微结构密度参数增大呈近似线性减小;周期来压过程,８m 采高工作面垮落步距约为１５m,与现场矿压监测结果较为吻合.研究成果对于掌握神东矿区８m 特大采高综采工作面周期来压规律和保障特大采高综采工作面的 安全开采具有重要参考意义.     

近距离煤层双重采动对上层煤轨道大巷扰动影响规律研究

针对山西省黄土坡煤矿1109工作面轨道大巷受近距离煤层双重采动影响的问题,采用FLAC 3D数值模拟软件对近距离煤层双重采动大巷底板所在标高应力分布特征进行了分析研究。研究结果表明:下层1249工作面停采后,随着距离1249工作面水平距离的增大,工作面上方煤柱内垂直应力峰值由44.2 MPa逐渐降低,大巷底板位置应力集中现象明显;下层煤开采结束后,当上层1109工作面推进至距离大巷180m时,大巷开始受到采动影响,随1109工作面的继续推进,大巷所在位置垂直应力逐渐增大,水平应力逐渐减小。现场实测显示,当1109工作面推进至距离测点155m时,大巷发生明显变形,工作面在此处停采,停采线距大巷平均距离169m。     

大采高长壁综采工作面支承压力分布预测分析

根据极限平衡理论,就大采高长壁工作面采场支承压力分布规律及其主要影响因素规律进行了研究,得出极限平衡区宽度随着煤层采高和埋深增大而增大,支承应力峰值随采高的增加而有所降低。根据二向应力状态下采场前方极限平衡区和弹性区分布范围计算公式,分别对222203工作面和3101工作面支承压力影响范围和峰值点位置进行了预测,随后通过数值模拟、现场监测等方法测得的数据验证了理论分析结果。研究表明:采用二向应力状态下应力计算公式得到预测结果能够较好地反映工作面超前支承应力分布规律。     

充填开采工作面应力分布规律数值模拟及冲击危险防治实践北大核心

运用FLAC^(3D)模拟软件对充填开采工作面垂直应力及运输巷附近断层区域应力分布进行了模拟分析,研究结果表明:充填区域超前支承压力较未充填区域下降明显,充填体能够有效抑制围岩应力释放和变形,对控制上覆顶板移动有较好的效果;工作面回采至断层附近时,运输巷与断层距离越近,断层处应力峰值越高,达到56 MPa,随着运输巷与断层距离的增大,构造应力与采动应力叠加影响越来越小。提出"应力在线监测-钻屑法检验-大直径钻孔卸压"的冲击危险治理方法,现场应用表明,效果较好。     

充填开采工作面应力分布规律数值模拟及冲击危险防治实践

运用FLAC~(3D)模拟软件对充填开采工作面垂直应力及运输巷附近断层区域应力分布进行了模拟分析,研究结果表明:充填区域超前支承压力较未充填区域下降明显,充填体能够有效抑制围岩应力释放和变形,对控制上覆顶板移动有较好的效果;工作面回采至断层附近时,运输巷与断层距离越近,断层处应力峰值越高,达到56 MPa,随着运输巷与断层距离的增大,构造应力与采动应力叠加影响越来越小。提出"应力在线监测-钻屑法检验-大直径钻孔卸压"的冲击危险治理方法,现场应用表明,效果较好。     

基于采动应力边界线的顶板巷道保护煤柱留设方法

针对平顶山一矿31010工作面回采期间顶板丁戊三乘人巷严重变形的问题,通过现场实测和数值模拟研究了巷道变形的原因及保护煤柱留设的问题。结果表明：工作面回采后,上覆顶板岩层中的应力发生改变,将应力值等于1.05倍原岩应力的点构成的曲线定义为采动应力边界线。采动应力边界线由开采煤层向上覆岩层呈外扩式发展,采动应力边界线距开采边界的水平距离随着距开采煤层高度的增大而逐渐增大,但增大趋势逐渐减小。采动应力边界线内侧岩层应力出现增压区和减压区,而外侧岩层仍处于原岩应力状态,采动应力边界线是划定工作面上覆岩层是否受工作面回采影响的边界线。目前顶板巷道保护煤柱宽度是按岩层移动角进行设计的,没有体现内部岩层移动变形及应力特征,导致顶板巷道保护煤柱宽度不合理而出现破坏,为此提出了基于采动应力边界线的顶板巷道保护煤柱宽度设计方法。按照此方法设计的平顶山一矿31010工作面顶板乘人巷保护煤柱宽度应为158 m。     

采动影响下工作面交叉巷数值模拟研究

为解决工作面交叉巷在采动影响下巷道变形大难以支护的问题,通过建立交叉巷围岩力学模型与FLAC^3D数值计算模型分析了交叉巷开挖后及其采动影响下的围岩应力分布规律,得出以下结论:掘进支巷后,三角区应力集中明显,由外往里应力集中系数减小,巷道变形量大小排序:巷道锐角三角帮＞巷道钝角三角帮＞非三角帮;受超前采动应力的影响,三角区内垂直应力均增大,高应力集中区的面积占比明显增大,三角区的稳定性变差,巷道顶板由下到上水平应力逐渐增大,顶板承载性逐渐增大。基于此,提出了使用高强锚杆及对三角帮打补强锚索的支护技术,控制了交叉巷道围岩变形,确保工作面安全生产。     

采动应力监测系统的设计

提出了采动应力监测理论,开发研制了采动应力监测系统,并进行了采动应力场监测实践,针对冲击危险工作面进行了监测和预测。监测实践表明,采动应力监测系统能够准确监测采动影响条件下工作面前方煤岩体的应力变化,据此能够有效评价工作面前方冲击危险区的冲击危险等级,为冲击矿压预测与防治提供了先进、适用手段。