综放开采“原位”沿空掘巷探讨

 在分析综放开采工艺特点的基础上, 首次提出了综放“原位”沿空掘巷的概念, 即在上区段原废弃巷道位置开挖为下区段工作面服务的巷道。并从理论和技术上对其可行性进行了初步探讨; 认为“原位”沿空掘巷可以最大限度地减少综放工作面“两巷”煤损, 其位置处于悬臂平衡岩梁保护之下的免压区内, 掘进、采放的人为扰动对巷道的影响很小, 因而巷道受力、变形亦很小;“原位”沿空巷道的掘进成巷及防漏风是需重点解决的技术问题。“原位”沿空掘巷是一种有发展前途、有理论探讨价值和很有必要进行现场试验的新的巷道布置方式。     

综放开采支承压力与卸压瓦斯运移关系研究

富含瓦斯厚煤层综放开采后，煤岩体中的卸压瓦斯运移规律与其渗透性密切相关，而支承压力变化又对渗透性有很大的影响，即采场卸压瓦斯的运移规律明显受支承压力的影响。分析了采动影响下煤岩卸压瓦斯的流动特性，并根据靖远煤业公司魏家地矿110综放面的矿压观测及瓦斯监测结果，分析得到综放采场前方支承压力及其作用下渗透系数随工作面距离变化的曲线，进而得出综放面支承压力与卸压瓦斯运移的关系，为有效防治综放开采工作面瓦斯事故和合理抽取并利用瓦斯资源提供了理论依据。     

千米深井采动工作面矿压显现规律及覆岩位移特征研究

深部煤炭开采过程中,岩体受到高地应力和强开采扰动的作用,是典型的动静组合加载问题,特别是千米级深井开采中少有成熟工程可借鉴,井下衍生的一系列工程地质灾害直接影响回采安全。为探索千米深井采动工作面矿压显现规律及覆岩位移特征,以平煤十矿24130工作面为依托,构建矿压立体监测–覆岩离层位移监测体系,对采动条件下,保护层开采过程中工作面前方钻孔应力、锚杆应力与巷道顶板离层位移进行长效监测与数据分析。结果表明,深部煤岩体受开采扰动影响呈现出显著非线性力学特性,而非单一线性增减,且开采扰动不是在整个回采过程中均对矿压显现产生明显影响,而是在开采至距采面45～65 m与25 m以内2个范围内存在显著影响;在上述2个范围内推进速度增加,扰动效果显著,因而在围岩较破碎的区域适当降低推进速度至0.5m/d左右,可保证煤岩体结构完整,始终具有一定承载力;此外,釆动对巷道顶板矿压影响相较于巷道巷帮更显著,在支护设计时应该对巷道顶板加强支护;采面前方15～5 m范围为采动对覆岩位移的主要影响区域,该范围内顶板离层发育较快,且顶板离层发育速度受到工作面推进速度的影响更显著,表明该区域内适当控制开采速度在0.8～1.1 m/d时,可保证生产要求的同时更利于工作面前方顶板管理,为千米级深井的采面安全生产提供科学指导。     

开采速度对综放面围岩力学特征影响研究

以谢桥矿#13煤层综放工作面工程地质和开采技术条件为背景,应用计算机数值模拟和实验室相似材料模拟,对不同推进速度下综放面围岩应力、位移、破坏情况进行了深入分析,研究了工作面推进速度对综放开采安全生产的影响。研究结果表明:随着工作面推进速度增加,工作面低应力区和周围煤岩体破坏区的范围以及位移都相应减小,而前方支承压力峰值位置向工作面煤壁靠近,峰值应力增大。现场生产实践适当加快工作面推进速度,有利于保持巷道的稳定性和改善巷道维护状态,但是应做好监测工作,防止岩爆等动力灾害的发生,确保井下安全生产的正常进行。     

覆岩厚度变化应力异常机制及冲击矿压诱发机理

顶板覆岩结构是影响煤矿冲击矿压发生的主要因素之一，在坚硬覆岩厚度变化区也容易诱发冲击矿压，这一现象在内蒙深部矿区逐渐凸显。基于弹性力学理论分析了覆岩厚度变化区煤层应力异常的力学机制，采用FLAC3D数值模拟方法研究了覆岩厚度变化对煤层应力分布特征和能量演化的影响规律，揭示了坚硬覆岩厚度变化区煤层开采诱发冲击矿压的机理。研究结果表明：坚硬覆岩较厚区的构造应力比较薄区大，覆岩厚度变化越大或覆岩性质差异越大，构造应力变化越大；工作面在覆岩厚度变化区开采时，受超前支承压力与突变的构造应力叠加影响，覆岩厚度变化区至较厚区应力集中程度较大，该区域积聚的弹性能主要向工作面前方巷道释放，冲击矿压危险更大。两例覆岩厚度变化区工程案例分析表明，在坚硬覆岩厚度变化区及变化区向较厚区过渡时微震事件分布较多，能量释放剧烈，巷道破坏明显，与理论分析较为吻合。     

超长综放工作面覆岩关键层破断特征及对采场矿压的影响

从模拟试验和现场实测发现；随着综放工作面长度的增加，采场覆岩关键层的破裂块度将相应减小，因而采场来压均匀，便于顶煤破碎和放出，但会发生主关键层来压现象，必须采取相应措施，将其加以有效控制。     

冲击性顶板运动及其应力演化特征的3DEC 模拟研究

 采用三维离散元程序建立煤层综放开采模型，研究综放工作面推进过程中采场、采空区上覆顶板岩层的冲击性运动形式和分段性垮落形态，记录并且分析采场动态推进过程中，采动围岩中岩层块体垂直应力、水平应力的动态演化特征。研究结果表明，采空区基本顶的运动形式、来压周期、来压强度与直接顶的垮落厚度有关；支架后方的直接顶挤压成拱缓冲了基本顶的来压冲击强度，同时也改变了其来压步距。随着工作面向跟踪块体方向的推进，块体垂向应力、水平应力存在高低应力分区，并且不断地波动，岩层应力峰值位置随着岩层高度的增加稍向煤壁前方移动。     

综放开采覆岩运移及导水裂隙带高度研究

为了研究综放开采覆岩运移及导水裂隙带高度,基于沙坪矿某综放工作面具体采矿地质条件,采用FLAC3D数值模拟软件对该综放工作面覆岩运移分布特征进行了分析,得到了综放开采覆岩垂直位移和垂直应力分布情况,并构建了综放导水裂隙带高度多元回归预测模型,得到了综放开采导水裂隙带高度与5个主要因素的多元回归公式,并与只考虑开采厚度单因素的回归公式进行对比分析。结果表明:相对于只考虑开采厚度单因素,当考虑5个主要因素时,导水裂隙带高度预测公式更加精确实用。结合工程实例,验证了该多元回归公式的合理性及适用性。     

浅埋综放L工作面开采方法及其矿压实测研究

 根据路天煤矿16#煤层的具体条件,提出并成功实践L形巷道布置的开采方法。通过现场实测分析,研究L工作面浅埋综放开采时顶煤和顶板的垮落特征、支架的工作阻力、地表塌陷规律及填埋碾压技术等,分析L工作面顶板破裂扩展及分块垮落顺序,建立浅埋综放开采的拱–台阶岩梁组合力学模型,揭示浅埋综放的覆岩移动规律及破煤机制,并给出维护顶板稳定的支架阻力计算公式。研究结果表明：(1) L工作面开采方法是一种高效、安全、高回收率的采煤方法,采露头煤或者露天转井工开采时可以借鉴;(2) 在合适的煤层条件下,浅埋深放顶煤开采在技术上是可行的;(3) 周期来压步距随覆盖层厚度的增加呈增大的趋势;(4) 工作面中部周期来压显现明显;(5) 地表变形垮落可分为4个阶段,填埋碾压应分2个阶段进行;(6) 为提高端面顶板和煤壁的稳定性,应提高支架初撑力。研究结果对类似条件下的开采方法及矿压规律研究具有积极的指导意义。     

综放工作面围岩应力分布的实验研究

在成庄矿综放开采三维相似模拟实验观测数据的基础上,对采场围岩应力分布进行的分析研究表明,在工作面前方,煤体和上覆岩层受到支承压力作用影响而产生的应力增加是同步的,应力明显增加的趋势也相似,工作面上方21 m顶板测点在工作面前方10～12 m开始卸压,在工作面推进43～52 m后,应力值降为0.对不同煤层厚度及不同开采方法的采场围岩进行了UDEC数值模拟,结果表明,上覆岩层所形成的大变形梁的层位与开采厚度不成线性关系,甚至在一定的范围内波动不大,与上覆岩层总厚度相比,开采厚度显得非常小,采空区的上覆岩层重量都是以一定角度向工作面前方煤岩体传递,这一角度体现在UDEC模拟中的主应力方向上.     

近距离跨采对巷道围岩稳定性影响分析

针对近距离跨采时，工作面与底板岩巷的不同空间位置关系，采用数值力学分析，详细地分析了工作面开采引起的围岩应力演化过程及特点、近距离跨采引起底板岩巷围岩位移的特点以及巷道位置对其围岩稳定性的影响。研究结果表明，煤柱上支承压力分布是开采影响岩层相互作用的结果，是开采引起集中应力在煤层与直接顶界面上的直接反映。近距离跨采巷道围岩位移受开采引起的整体位移场影响较大，而不单纯决定于煤柱侧支承压力的作用。留设保护煤柱时，底板岩巷应位于集中应力区的外侧或跨采时工作面应推过足够距离，使巷道靠近采空区应力恢复区的下方。最后通过实例给予了分析。     

基于覆岩理论的综采面双回撤通道冲击机理研究

以鄂尔多斯某矿综采面末采段过双回撤通道为背景,通过现场实测、数值模拟和理论分析等方法,基于覆岩理论对综采面双回撤通道的冲击机理进行研究。现场实测及数值模拟结果表明,采用双巷回撤方案的的综采面末采阶段主回撤巷与工作面之间的煤柱将承载较高的集中应力,当承载能力达到极限时煤柱冲击危险性最高;根据理论分析结果,综采面双回撤通道冲击机理为“DLZ”及其承载的“SLZ”范围内的高位岩层将传递较高的静态支承压力,达到了回撤巷煤柱发生冲击危险的应力条件,理论分析与模拟、现场研究结果较为吻合。综采面双回撤通道冲击地压控制机理为:确定合理的卸压参数,通过施工大直径钻孔释放煤体积聚能量,补强锚杆支护密度以减少围岩结构破坏程度,同时加强危险区域的监测预警,确保巷道围岩处于“低应力、强支护”状态。     

非对称综放开采煤层三维应力分布特征及其层厚效应研究

基于非对称综放开采布置特点,以谢桥煤矿1151（3）综放面地质技术条件为背景,采用计算机数值模拟,并结合现场实测研究,揭示非对称开采煤层三维应力分布及一次开采煤厚变化对应力分布的影响规律。研究结果表明,非对称开采工作面煤层应力呈非对称分布,煤柱侧工作面煤层应力峰值及其超前距离和应力降低区的范围最大;随一次开采煤厚的增加,煤层应力峰值降低,峰值距煤壁的距离增大,应力向煤层深部煤体转移。研究为煤柱合理留设、巷道合理布置、采场围岩稳定性控制、提高煤炭资源采出率、安全高效开采等方面提供理论依据。     

超长孤岛综放工作面支承压力分布规律研究

为对超长孤岛综放工作面围岩稳定性和顶煤冒放性进行控制,采用FLAC3D有限元软件对比分析了超长孤岛工作面的支承压力分布特征。研究老顶上覆岩层应力场的变化规律,分析初采期间和正常推进期间工作面超前支承压力分布规律。老顶岩层内工作面超前支承压力存在两个峰值区域,工作面后方支承压力沿面长方向的中间存在一个峰值区域,两者之间为低支承压力区域。顶煤层位支承压力峰值大于煤层的机采层位,但支承压力的影响范围小于机采层位,且顶煤的极限平衡区宽度较机采层大。工作面正常推进期间较初采期间的支承压力极限平衡区宽度增大,孤岛工作面加长后支承压力峰值系数在初采期间增加,而在正常推进期间降低。超长孤岛工作面减小孤岛工作面侧向支承压力的叠加影响。     

高承压水上采煤底板突水通道形成的监测与数值模拟

 底板采动破坏及导水通道的形成是底板突水发生的必要条件,也是进行矿井突水的监测预报基础。以新义矿为例,采用现场监测及数值模拟等手段,研究高承压水上采煤底板采动破坏及突水通道的形成及演化过程,分析该过程中的底板电阻率、应力及孔隙水压力的变化规律。结果表明：高承压水上采煤底板受工作面超前支撑压力破坏严重,11011工作面底板破坏深度达到25 m,大于一般经验计算值;建立的基于流–固耦合底板采动破坏数值模拟模型更能准确、客观地反映底板破坏的影响因素,模拟的最大破坏深度为23.75 m,与现场监测结果接近;采动过程中的底板电阻率、应力以及孔隙水压力变化较好地反映底板破坏及突水通道形成、演化以及充水的整个过程,可作为矿井突水临突监测预报的重要信息源。     

复采工作面过冒顶区顶板断裂特征及控制研究

 针对复采工作面过冒顶区时工作面易发生煤壁滑帮、端面冒漏以及顶板来压强度大等特点,以晋煤集团圣华煤业3101复采工作面为工程背景,运用相似模拟对复采工作面过冒顶区时顶板破断特征、支承压力分布特征以及支架受力状态进行研究,依据相似模拟结果建立复采采场力学模型,推导液压支架支护强度的计算公式,提出复采工作面过冒顶区时的围岩控制技术。研究结果表明：(1) 工作面过冒顶区时采场顶板易形成大厚度、长跨距的超前大断裂;(2) 冒顶区弱化了顶板岩梁的应力传递,加剧了支承压力的荷重集度;(3) 液压支架受顶板超前大断裂的影响,支架工作阻力在通过冒顶区前呈突变性增加,模拟结果支架支护阻力最大值为16 200 kN,理论计算支架支护阻力为16 110.5 kN;(4) 复采工作面在通过冒顶区前必须对冒顶区进行注浆充填,同时给出支架工作阻力随充填体强度变化的关系式,为复采采场顶板控制提供理论依据。     

钻孔煤粉量变化规律在区段煤柱合理参数确定中的应用

通过对钻孔煤粉量变化规律与支承压力分布关系的研究，论证了可以利用钻孔煤粉量变化来推测回采工作面超前支承和侧向支承压力分布规律。据此原理，实测得到了平煤集团十三矿12010大倾角综放开采工作面走向支承压力和区段煤柱侧向支承压力分布。为合理区段煤柱留设尺寸确定提供了基础数据。     

煤矿层状岩体压力拱演化规律的相似模拟

采动作用下的岩体应力转移变化所形成的压力拱特征研究,对于采矿岩层控制和巷道围岩稳定具有重要的科学价值。基于理论分析和相似材料物理模型实验,分析了综放工作面上覆岩层变形破坏形态及其应力转移变化规律,证实了采矿矿压以压力拱的形式转移。研究表明:采煤工作面推进后,伴随着采场岩层应力的不断转移和调整,将在采场岩层中形成一个承担上覆岩层重力的压力拱,其空间形态近似为长轴在开采面推进向短轴与工作面平行向的鸡蛋壳形厚壁结构。工作面初采开始后,随其推进距离的增加,压力拱向周边岩层深部延伸;拱体厚度增大、拱内岩层应力升高。     

薄煤层切顶卸压沿空留巷关键参数研究

 以南屯煤矿1610工作面为工程背景,对薄煤层切顶卸压沿空留巷关键参数进行研究。通过对薄煤层工作面回采过程中顶板受力状态分析,确定影响薄煤层切顶卸压沿空留巷的关键参数为顶板预裂切顶高度、预裂切顶角度以及预裂爆破钻孔间距。数值模拟分析结果表明,当直接顶岩层厚度远大于采空区高度时,应在预裂切顶高度满足岩层下沉弯矩产生的拉应力使直接顶整体拉断的同时,预裂切顶面应向采空区偏转一定角度,从而有效切断采空区顶板与留巷顶板间的应力传递,实现顶板的顺利切落成巷。在此基础上,通过现场预裂爆破试验,确定最佳预裂爆破钻孔间距。研究成果在现场实际工程中成功实施,对于切顶卸压沿空留巷技术在薄煤层开采中的推广应用具有重要的借鉴意义。     

固液耦合试验隔水层相似材料的研究

 隔水层的采动稳定性模拟是开展煤层采动水土流失规律和保水开采控制研究的关键,隔水层相似材料的研制与配比变化规律研究是隔水层稳定性模拟的基础和前提。针对黏土隔水层物理力学特性及水理性,选取多种原料进行正交试验对比,得出硅油是最佳的低强度非亲水胶结剂,而凡士林为最佳的塑性变形的胶结剂,黏土对强度、塑性以及水理性都具有显著影响。通过强度、塑性和水理性的配比试验,可以模拟隔水层的应力–应变全程相似和水理性相似的“固–液”耦合模拟材料配比,解决隔水层塑性和水理性模拟难题。根据榆树湾煤矿地质原型,进行长壁工作面开采的“固–液”耦合相似模拟试验,验证相似材料配比的可行性,实现塑性隔水层的相似模拟,发现影响隔水层采动稳定性的关键因素是上行裂隙和下行裂隙。