沿空留巷上覆岩层关键块稳定性力学分析及巷旁充填体宽度确定

由于沿空留巷服务时间较长,巷道围岩变形较大,合理地计算巷旁充填体宽度至关重要。根据沿空留巷上覆岩层的活动规律,建立了关键块和直接顶的力学模型,分析了关键块与沿空留巷围岩相互作用机制,推导出巷旁支护阻力的计算公式,并引入了关键块稳定性系数K1、K2及其稳定性影响因素的敏感度。研究结果表明,当K1>1时,关键块发生挤压变形失稳;当K2>1时,关键块发生滑落失稳。以淮南谢一矿512（5）工作面为工程背景,确定了合理的巷旁充填体宽度,计算出关键块稳定性系数,获得了各影响因素对关键块稳定性的敏感度。实例分析表明,采高对关键块的稳定性影响较大,在大采高工作面中进行沿空留巷较为困难。     

沿空留巷巷旁支护体作用机制及工程应用

巷旁支护体稳定是沿空留巷成功的关键。通过建立沿空留巷上覆岩层结构力学模型,分析了巷旁支护体在3个阶段的受力和变形特征,得到了巷旁支护体的作用机制,即巷旁支护体设置后快速增阻,即时支撑巷内顶板,工作面后方周期来压前达到切顶阻力切落采空区一定高度的顶板,上覆岩层剧烈活动稳定前有较大的变形能力及稳定后有较高的后期强度。在上述研究的基础上,以九里山矿24021工作面沿空留巷为工程背景,在巷内支护和巷旁充填材料确定的情况下,采用数值模拟方法分析了不同巷旁支护体宽度时的沿空留巷维护效果,确定了合理的巷旁支护体宽度。该研究成果成功应用于工程实践。     

沿空留巷不均衡承载特征探讨与应用分析

考虑到沿空留巷围岩应力环境和结构特点,阐述了沿空留巷不均衡承载特征,将沿空留巷基本顶简化为巷旁支护体及实煤体帮共同承载的力学模型,定义实煤体帮承载与巷旁支护体承载比值为沿空留巷不均衡承载系数,得到了不均衡承载系数的计算公式,并分析了不均衡承载系数的影响因素及其变化规律。研究结果表明:实煤体弹性模量和直接顶损伤变量与不均衡承载系数呈正相关;巷旁支护体弹性模量、直接顶弹性模量、巷道宽度、巷旁支护体宽度和实煤体帮支护强度与不均衡承载系数呈负相关。在此基础上,依据沿空留巷不均衡承载系数的变化规律,设计了柳家庄煤矿4211回风平巷沿空留巷围岩控制方案,并通过数值计算和现场矿压监测的方法,验证了高水材料巷旁充填沿空留巷围岩不均衡承载特征。研究成果已成功应用于大采高沿空留巷。     

深井复合顶板条件下沿空留巷充填体水平方向稳定性分析

针对深井沿空留巷充填体常向巷道空间发生移动,分析深井复合顶板条件下充填体水平位移特征,计算顶底板对充填体的摩擦力和基于弹性地基梁理论下的采空区冒落矸石对充填体的水平挤压力。基于淮南矿区顾桥矿1115（1）工作面轨道顺槽典型深井复合顶板条件下沿空留巷工程地质条件,建立充填体力学计算模型,得到深井复合顶板条件下沿空留巷充填体内移表达式。结果表明,（1）由于复合顶板裂隙发育,垮落后具有较好的流动性,在关键块旋转下沉过程中容易对充填体产生水平挤压力,且复合顶板能够较大程度吸收关键块旋转下沉施加的给定变形,底板不易插底,充填体更易发生内移;（2）理论计算充填体位移量为0.38 m,实测位移量为0.5 m,二者能够吻合,验证了研究成果的正确性。根据充填体内移特点,提出抗剪锚杆等措施增加充填体和顶底板摩擦因数和在靠近充填体的采空区侧设置隔离桩的控制技术。     

基于变形量控制的充填体力学参数研究

针对综放沿空留巷技术中的充填体长时受力变形稳定问题,以常村煤矿S2-6综放工作面主采3#煤层为背景,考虑材料的蠕变性能,运用数值模拟方法对不同尺寸和不同侧压下的充填体在3年内的变形情况进行了分析,得到了充填体安全工作条件下充填体材料必须具备的力学性能参数,为优化充填体材料设计提供了依据。     

软弱厚煤层沿空留巷变形破坏特征及控制研究

针对软弱厚煤层综放开采沿空留巷动压显现明显,顶板易出现不均匀切顶下沉等问题。通过现场调研、理论分析和数值模拟,阐明了软弱厚煤层综放开采沿空留巷动压显现特征和变形机制,提出了软弱厚煤层沿煤层顶板布置沿空留巷变形协同支护体系。研究结果表明：综放开采采出厚度大,沿煤层底板留巷时沿空留巷煤层顶板承载能力差,“底板−巷旁支护体−顶板”支护体系载能力不协调,是造成软弱厚煤层沿空留巷产生大变形的主要原因;沿煤层顶板留巷变形协同支护体系的提出提高了沿空留巷帮部、顶底板及巷旁支护体的协同承载能力,可有效地保证软弱厚煤层沿空留巷的围岩稳定。研究成果在古城煤矿的成功应用,证明了该支护体系在软弱厚煤层综放沿空留巷中的可行性。     

深部大采高沿空留巷围岩结构沉降破坏与控制

为了解决深部沿空留巷围岩控制难题,选取邢东矿(埋深850 m)1126大采高工作面沿空留巷为研究对象。采用UDEC模拟分析关键块B不同下沉量围岩的响应特征。结果表明:1实体煤帮偏应力峰值和位置与关键块B下沉量呈线性关系增大且向深部转移;2实体煤帮深部变形对关键块B下沉量的响应较弱,愈靠近煤帮表面其敏感性越强,深浅部围岩位移有明显拐点;3顶板下沉量、帮变形量与关键块B下沉量呈正指数关系;4随关键块B下沉,实体煤帮的破坏形式经历了从不稳定三角块滑落→X共轭破坏→双X共轭破坏过程。认为:1巷旁采空区充填可有效限制关键块C下沉对块体B的带动作用;2钢管混凝土支架可适应关键块B的下沉特征,具有较强的抗压缩和弯曲特性;3高性能、高预紧力锚杆可更好地提高锚固体承载和抵御变形能力;4顶桁架锚索可以锚固在关键块B上,锚固基础稳固可靠;帮锚索可以穿越帮潜在滑移面,锚固在位移拐点内的锚固区内,限制帮结构性滑移。基于此提出了巷旁采空区充填+钢管混凝土支架+顶桁架、帮锚索+高强高预紧力锚杆联合控制方案;沿空留巷完成30 d后围岩趋于稳定,顶底板和两帮最大相对移近量分别为613 mm和374 mm,实现了深部大采高沿空留巷围岩的有效控制。     

深井高应力软岩沿空留巷围岩破坏机制及控制

针对深井高应力软岩沿空留巷围岩大变形难题,通过现场调研、理论分析和相似模拟试验,分析了围岩特性、支护结构破坏形式及其破坏演化过程,并对围岩破坏机制和围岩控制技术进行了深入系统研究。结果表明:厚层泥岩低强度、软化吸水膨胀及其在强采动高应力状态下碎裂扩容、长期蠕变是围岩大变形的诱因;围岩变形破坏相对于巷道横截面铅垂和水平方向呈明显不对称状态;原有围岩支护系统没有形成一个完整承载结构,使支护体被各个击破,围岩破坏顺序:充填区域顶板破碎→充填体偏心受载压裂片落→巷内顶板急剧倾斜下沉→实体煤帮外鼓片帮,最终导致围岩失稳;提出顶板分区耦合支护和以充填区域顶板为关键纽带的"四位一体"围岩控制技术,该技术能够提高巷道整体稳定性,避免围岩局部破坏造成的支护结构失稳,保障巷道安全畅通。     

典型留巷顶板条件下巷旁充填体支护阻力分析

将工程实践中接触到的留巷顶板分为厚层直接顶、薄层直接顶和无直接顶3种类型,利用叠加连续层板模型,考虑巷帮煤体承载作用和导致顶板垮落诱因,得出了3种顶板条件下的巷旁支护阻力计算公式。研究表明,巷帮煤体、充填区域顶板承载性能的提高有助于降低巷旁充填体支护阻力。随直接顶厚度的减小,充填体支护阻力反而增大。基本顶层位不同,顶板垮落诱因不同。厚层直接顶时,顶板垮落为自重引起;薄层直接顶时,顶板垮落为基本顶上位岩层作用所致     

沿空留巷综合支护技术研究

用沿空留巷技术保留的巷道要经历掘进和两次强烈的采动影响,对所需留巷的巷道,应该从掘进期间的支护设计与施工到留巷期间的巷旁支护方式选择,及下个工作面回采期间的加强支护均应统筹考虑,这样才能保证沿空留巷技术的成功实施,故沿空留巷技术是一项系统工程。据此,在淮北岱河矿Ⅲ3215工作面机巷进行了沿空留巷实践,巷内采用了锚网索支护,巷旁采用了工字钢密集支柱及矸石（碎煤）带联合支护,并在矿压观测的基础上,得出了所留巷道矿压显现规律,工业试验和应用实践表明,取得了良好的技术、经济效果。     

Experimental study of the movement of backfilling gangues for goaf in steeply inclined coal seams

For the coal mining with flexible shield supports which is used widely in the exploitation of steeply inclined coal seams, a method with which to backfill enough gangues efficiently in goaf is the key to meet the control requirements for the roof. In order to research the movement of gangues in goaf and the factors influencing backfilling effects, an experimental device for the movement of gangues for backfilling the goaf in steeply inclined coal seams was designed. The movement trajectory of gangues was monitored and was divided into three stages. Gangue movement characteristic under different engineering condition was studied, which showed that the backfilling rate of gangues in the goaf of steeply inclined coal seams is positively correlated to the dip angle of the coal seam and the mining thickness, while being negatively correlated to the grain size of the gangues and the deformation of the roof.     

煤矸石固废无害化处置与资源化综合利用现状与展望

煤炭生产和加工过程产生的大量煤矸石堆放地表,不仅造成土地压占、水土流失,而且还会引发山体滑坡、泥石流等地质灾害,给矿区生态环境造成严重影响。我国煤矸石累计堆存量已超过60亿t,压占土地1.3万hm2。2020年,我国煤矸石产量7.29亿t,综合利用量5.26亿t,综合利用率为72.2%。当前我国煤矸石综合利用具有存量和排放量大、产量高度集中、综合利用率不高,区域发展极不平衡,高附加值利用占比小等特点,现有煤矸石的无害化处置与资源化综合利用的规模和能力明显不能满足国家对生态环境保护及“双碳”目标下煤炭综合利用的相关要求。对此,提出煤矸石在采空区充填、地面筑基、塌陷坑回填与土地复垦等方面的规模化无害处置技术和方法,指出井下“采选充处”一体化固体充填开采和采空区地面膏体与浆体充填是控制煤矸石增量、规模化降低煤矸石堆存量的最有效方法。详细阐述煤矸石在发电、建材、资源回收、化工产品制备及农业等方面的综合资源化利用途径,提出构建“煤炭—固废发电—有价元素提取—化工产品—建材材料—井下充填—地面回填—农业应用”的闭合循环产业链模式,建立“多途径、多组分、多层次+梯级回收+生态修复+封存保护+井下高效自动化充填”规模化处置与综合利用体系的煤矸石未来产业化发展方向。      

氨氮在煤矿采空区充填矸石中的运移机制

我国西部多数煤矿区矿井水往往含有较多的生产污水,导致其氨氮含量较高,利用煤矿采空区充填矸石对矿井水进行预处理已成为矿井水及矸石资源化利用的重要措施。以神华神东煤炭集团公司保德矿矸石为充填介质、以矿井水中的氨氮为研究对象,通过模拟采空区的水文地质环境,开展柱模拟实验,结合CXTFIT 2.1软件,研究氨氮在充填矸石中的运移机制,这对于评价煤矿采空区充填矸石对矿井水的预处理效果具有重要意义。结果表明:达西流速3.12 cm/h、25℃时,Cl?在充填矸石中的运移可用CDE模型较好地表征(r2=0.999),较高的纵向弥散系数(D)、溶质分子扩散系数(D_f)、机械弥散系数(D_h)和弥散度(λ)值与充填矸石较大粒径、较长运移距离有关,淋出液中总溶解性固体(TDS)和Cl?的质量浓度呈显著线性关系;双点位吸附溶质运移模型能够较好地表征氨氮的运移过程,氨氮的阻滞系数R为23.79,其在矸石上的平衡吸附点位仅占总吸附点位的46%,一级动力学吸附速率常数α为3.5×10?4 h?1;氨氮的孔隙流速及水动力弥散系数远低于Cl?的数值,这主要与高含量的黏土矿物高岭石对氨氮的吸附有关;在649 h的氨氮运移过程中,亚硝酸盐和硝酸盐氮以及pH值均无明显变化,实验中后期TDS稳定,这进一步证实氨氮在模拟的矸石柱运移过程中以对流、弥散迁移及吸附为主,生物转化作用可以忽略。研究结果可为评价我国煤矿采空区地下水库的水质预处理技术提供重要理论依据。      

运用ANSYS分析开采倾斜煤层引起的地表变形

针对倾斜煤层的开采特点,应用有限元基本原理,建立了倾斜煤层开采的有限元分析模型。利用大型有限元分析软件ANSYS对开采倾斜煤层引起的岩体移动、地表沉陷及应力分布情况进行了数值模拟,总结出倾斜煤层开采时岩体移动的基本特征及地表沉陷的相关参数。利用ANSYS软件作出地表基准点的水平、下沉移动分布曲线、应力分布曲线以及计算模型的应力等值线图、水平移动等值线图和下沉等值线图。上述分布图直观地显示了顶板、煤层及底板的变形以及应力分布情况。阐明了倾斜煤层开采引起地表沉陷的变形机理。为矿区建筑物下倾斜煤层的开采提供了参考依据。     

多煤层开采覆岩移动及地表变形规律的相似模拟实验研究

以离石—军渡高速公路下伏康家沟煤矿采矿地质条件为原型,采用相似材料模拟实验方法,对多煤层开采引起的覆岩移动及地表变形规律进行了研究。相似模拟实验结果表明:多煤层开采条件下,随着煤层累计采厚的增加,采空区"三带"覆岩下沉量和采空区地表沉降量、地表倾斜变形、地表水平位移及地表曲率变形都呈增大趋势,采空区上覆岩体更加破碎,地表变形更加强烈。研究成果可为高速公路下伏多煤层采空区的治理设计提供依据。     

急倾斜煤层采空区地表变形对管道的影响研究

以拟建茶山矿区急倾斜采空区影响的潜江 韶关段管道为研究背景,从开采完成和采动过程中急倾斜采空区对管道影响进行研究。分析采空区地表变形移动对输气管道的影响,给出管道安全初步评价方法,并利用概率积分法对急倾斜采空区场地的管道安全进行预测评价,研究对以急倾斜煤层采空区场地敷设管道的安全运营有重要意义。     

综合地震勘探方法在陕北煤田采空区探测中的应用

基于陕北黄土塬煤层采空区地震勘探方法研究项目,在该类复杂地质背景和地震地质条件下进行了煤层采空区多种地震探测方法的应用。探测中依据不同的地震勘探方法原理,针对同一目标地质体,提取了识别其地震波场的响应特征:①在地震反射时间剖面上呈现反射波组中断缺失、不连续特征;②在折射层析速度剖面上反射为低速异常;③面波记录出现强能量基阶面波传播中止(波散),面波速度剖面呈现为低速异常,频散曲线发生畸变(呈"之"字型回折);④煤层采空区边界显现出散射波特征。这些地震波场特征在鄂尔多斯等地的煤层采空区探测中也已得到验证。陕北煤田采空区探测实例表明,采用综合地震勘探方法探测可有效解决单一方法的多解性问题,提高其成果的准确性和可靠性。     

红岭煤矿水文地质特征及充水因素分析

通过对矿区含、隔水层及断层带水文地质特征的分析和井下水文地质现象的观测,认为目前矿井开采煤层较浅,以二1煤顶板直接含水层充水为主,水量不大;但随采掘的延深,煤层下伏的太原组灰岩和奥灰含水层,会在断层的影响下,与其它含水层发生水力联系,对矿井开采形成威胁。根据对矿井充水因素的分析结果,指出目前矿井的充水强度不大,充水通道主要为断层带,在开拓-800m水平时,应注意构造破坏或隔水层薄弱地段,此地段有可能出现奥灰水突入矿井的危险。为防止矿井突水,提出了建立健全地下水观测系统,加强井下钻探和物探工作,重视邻近矿井老窿水监测等矿井水害防治工作建议。     

Analysis of Secondary Roof Structure of the Working Face in Shendong Mining Area

A new form of roof—”secondary roof structure” form, according to the characteristics of significant differences existing between the measured roof pressure and the roof pressure calculated by “support-surrounding rock” formulas, exists in working face that was mined under the upper gob at short range in Shendong mining area. The reasons why additional static load of secondary roof came into being were gained through the analysis of main roof weight distribution coefficient. It is that main roof can not transfer all the static load to the front coal wall and the rear caved gangue, and partial weight of the gangue of upper gob served as the additional static load attaching to the roof of working face. The roof parameters of five working faces mining under the upper gob were counted based on the field measurement and theoretical analysis. What is more, here, the relationship between the M/L value and the roof form was analyzed. Also the roof pressure of 21305 working face of 1^?2 coal seam was calculated based on the secondary roof structure model, and the additional static load coefficient (T) was used as measurement of the additional static load of secondary roof. Finally, the directions which can be made a breakthrough in theoretical research of secondary roof were introduced.