特厚煤层大采高综放工作面煤壁片帮机制分析

针对特厚煤层大采高工作面,将超前支承压力作用的煤体分为破裂区、塑性区和弹性区。考虑支架护帮阻力等因素,建立了支承压力作用的煤体变形破坏及煤壁片帮分析力学模型。通过摩尔-库仑准则和非关联弹塑性分析,推导出了煤壁水平位移量及破裂区和塑性区半径解析表达式,分析了影响煤壁片帮的主要因素。理论结果与现场实测结果误差仅为15.6%,验证了模型的正确性。研究表明,随支承压力集中系数的增大、机采高度的增加以及支架护帮阻力的减小,煤壁水平位移量明显增大,煤壁片帮程度严重。工程实践表明,提高支架工作阻力,减缓煤壁处压力,控制合理采高以及增大支架护帮阻力,可有效缓解大采高综放工作面煤壁片帮程度。     

断层保护煤柱合理留设的数值模拟分析

考虑某典型煤矿特殊地质条件,采用ANSYS建立二维有限元模型,对于断层存在情况下煤柱的合理留设进行了数值模拟计算。分析了留设不同断层保护煤柱情况下开采对工作面前方煤柱及断层的影响,并对开采区顶板的支承压力进行了模拟,提出了断层保护煤柱的合理留设长度,为实际开采提供了可靠的科学依据。     

综放工作面区段煤柱采动应力全周期时空演化分析

针对煤柱内部微裂纹萌生、变形破坏等潜在安全隐患,利用布里渊光时域反射(BOTDR)分布式光纤传感技术进行煤柱水平变形监测。首先,根据煤柱破坏碎胀特性理论分析,建立了光纤轴向应变与水平变形的转化方法;其次开展室内试验确定了金属基索状传感光纤轴向拉伸响应情况,并根据煤柱变形破坏规律修正了应变系数,最后以陕西大柳塔煤矿活鸡兔井为工程背景,对22206工作面区段煤柱水平变形实现现场监测。监测结果表明：区段煤柱采动侧和未采动侧存在明显的水平变形差异,采动侧变形量最大,约为未采动侧的5倍,但煤柱整体水平变形较小,仅出现弹性变形,煤柱较稳定;煤柱变形分区明显,呈现中部为弹性核区,两侧为塑性破坏区的分区特征;工作面从测点前20 m推进至测点后40 m时,煤柱水平应变呈指数增长,远离测点之后变形趋于稳定,反映煤柱变形与采动应力扰动之间的动态关联;通过分析煤柱水平应变与垂直应力,发现两者呈指数相关关系,定量建立了煤柱水平应变与垂直应力关系式,说明煤柱变形与破坏很大程度上取决于采动应力的分布与演化。利用BOTDR技术对区段煤柱内部变形进行监测可以精确获取区段煤柱内部的微观变形信息,对于煤柱留设尺寸确定、围岩控制及采空区压力评估等具有重要指导意义。

     

松软煤层综放面顶底板采动应力分布规律研究

以某矿综放采场为背景,通过现场实测、相似材料模拟等手段,研究了松软煤层综放开采中液压支架受力状态、两巷单体支柱受力特征和顶底板的采动应力分布规律,结果表明液压支架在工作面不同位置受力状态不同,处于中部位置的支架受力最大,同一支架前立柱受力大于后立柱;风巷围岩应力大于机巷围岩应力,两巷的超前采动应力峰值位置在工作面前3～11m;顶板岩层同一层位中采动应力分布随工作面的距离不同而不同;不同层位应力分布也不同,离煤层越近的岩层中应力集中系数越大;底板岩层在工作面前方6m左右处应力达到最大,在工作面处应力为零。该研究结果有效地指导了该矿井同一煤层综放面巷道布置、两巷支护及工作面顶板管理。     

厚煤层综放双巷工作面巷间煤柱尺寸研究

为解决厚煤层综放双巷布置工作面巷间煤柱的留设问题,以某矿四盘区4301工作面运输顺槽与辅助运输顺槽之间的煤柱为工程背景,首先对巷间煤柱进行理论分析:一次采动影响后将巷间煤柱沿倾向划分为采动影响区、相对稳定区和锚杆支护区,应用极限平衡理论分析得出了一次采动影响区的宽度为2.82 m,进而得出巷间煤柱的宽度为7.83 m。其次,应用数值模拟的方法系统地分析了宽度分别为4、6、8、10、12、15、20 m时,在两次采动影响下巷间煤柱的应力演化、破坏、巷道围岩变形规律;一次采动影响后,随着煤柱宽度增大,髙应力由实体煤向煤柱内转移;给出了最大临界尺寸、最小临界尺寸的定义,并指出巷间窄煤柱宽度应小于最大临界尺寸。综合分析数值模拟研究结果,同时结合理论分析结果及煤柱留设原则,最终确定巷间煤柱宽度为8 m。最后,通过现场工程实践验证了所确定的巷间煤柱宽度的合理性。研究结果对类似条件下综放双巷布置工作面巷间煤柱宽度的确定具有参考意义。     

综放面合理护巷煤柱宽度确定与回采巷道支护方案设计

基于阳湾沟煤矿地质资料,应用极限平衡理论计算得到合理的煤柱尺寸为25m;采用FLAC3D数值模拟分析了不同宽度护巷煤柱的垂直应力和弹塑性区分布规律,得到合理的煤柱尺寸为25～30m;最终确定阳湾沟煤矿合理护巷煤柱宽度不小于25m。针对回风顺槽顶板不同的围岩状态,设计了支护方案,通过数值模拟得到不同支护条件下的围岩应力状态和位移分布,结果表明,支护方案是合理的,能够有效的控制围岩的变形与破坏。     

综放锚网支护沿空顺槽合理小煤柱尺寸确定方法

针对综放锚网支护沿空顺槽合理小煤柱尺寸难确定的问题，该文在分析了合理煤柱尺寸确定原则的基础上，提出了针对顺槽具体地质条件采用理论分析、数值计算和工程实践3方面综合分析确定合理小煤柱尺寸的方法。并对济宁二号煤矿2302综放锚网支护沿空顺槽煤柱尺寸进行了具体确定(3.0～4.5m)。2302综放沿空顺槽采用460m煤柱护巷的施工实践证明，煤柱尺寸的确定是合理的，为类似条件锚网支护顺槽的合理煤柱尺寸确定提供了一种新方法。     

巨厚松散层下防水煤柱合理留设及其数值模拟

防水煤柱合理留设是巨厚松散层下煤炭开采设计的基本参数。通过对东欢坨矿第四系巨厚松散层地质特征分析,揭示了本区第四系巨厚松散层中的含、隔水层厚度及其结构分布特征和对煤炭开采充水的影响,建立了巨厚松散含水层下防水安全煤柱计算模型和理论,提出了在巨厚松散层下的防水煤柱留设的非线性计算方法,计算东欢坨矿8煤层防水煤岩柱的高度为65.62 m。根据流-固耦合理论,应用FLAC3D数值模拟计算软件,模拟了东欢坨矿 8煤层开采过程中上覆岩层变形破坏规律,揭示了煤层顶板岩体冒落带、导水裂隙带和弯曲下沉带的分布规律,获得了防水煤柱高度及相关工程技术参数,验证了巨厚松散层下防水煤柱留设的非线性设计方法和计算模型的可靠性,为巨厚松散层下防水煤柱合理留设探索了可行途径。     

综放工作面采出量单位统计产量法

针 对综 放 工 作 面采 出 量 用 水分 、灰 分和 含 矸 改 正 后 的 统 计 产 量 代 替 的 诸 多 不 合 理 性 ,利 用 相 同 煤 层 或 煤 层结 构、煤层 顶 底板 条件 相 似的 走向 长 壁、倾 向 分层 开采 的 工作 面采 出 量和 统计 产 量的 历史 资 料来 建立 数 学 关系 ,进 而采 用单 位 统计 产量 法 来计 算综 放 工作 面采 出 量,为综 放工 作 面采 出量 计 算提 供了 一 条新 方法 及 新思 路。     

厚松散含水层薄基岩下厚煤层防水煤柱综放安全开采分析

通过对朱仙庄矿87采区厚松散层及薄覆岩的含水层、隔水层及基岩风氧化带工程岩组特性的分析,采用物理模拟、FLAC3D数值计算及现场实测的综合研究方法,对一次采全厚综放开采覆岩移动破坏规律进行了深入研究。研究结果表明,采区内松散层下部的第四含水层组富水性极弱,补给条件差,且基岩风氧化带具有较强的隔水性能,可以留设防塌煤柱开采;采用综放开采时,其覆岩最大垮采比为1.69,在-240m标高以下的防水煤柱内实现了一次采全厚放顶煤安全高效开采,取得了显著的经济效益。     

泾河下综放开采隔离煤柱对覆岩破坏控制作用的物理模拟

根据地质资料,分析了下沟煤矿泾河下特厚煤层大面积综放开采的地质特点,为实现水体下安全回采,确定了在各工作面间留设一定宽度隔离煤柱的开采方案。通过相似材料模拟试验,分析了改本区地质条件下各综放工作面间留设一定宽度隔离煤柱对覆岩破坏的影响。研究证实,隔离煤柱对覆岩破坏起到有效的控制作用。根据试验得出的单工作面最大裂采比,通过最小防水安全煤岩柱垂高的计算,认为地质条件满足泾河下安全回采的要求。且研究成果成功指导了5个工作面安全回采,可为该区及类似条件其他矿井的开采提供参考     

厚松散层及超薄覆岩条件下放顶煤开采防砂煤柱

为解放厚松散层及超薄覆岩条件下防砂煤柱储量,在掌握三隔、四含水文工程地质条件基础上,通过井下疏放四含水、合理确定允许放采比以及控制工作面两端覆岩剪切破坏,有效实践了“破坏四含、保护三含”的思路。项目自实施以来,已成功回采了40多万t煤炭,直接经济效益4000多万元。      

基于DDEM的自然崩落采矿法崩落规律的数值模拟

利用DDEM（可变形离散单元法）原理和方法,研究了自然崩落法矿体崩落规律。针对具体地质条件和赋存情况及矿岩物理力学性质,采用计算机数值模拟分析了自然崩落法的崩落规律,得出了DDEM在用于模拟矿块自然崩落法中崩落规律和分析其崩落机理时是较适合的结论,不仅可以从力学角度对崩落的力学机理进行研究,而且能直观地用图形给出矿体在崩落过程中的具体形态变化,有效地指导放矿,现场试验验证效果良好。     

黄陇煤田综放采煤顶板导水裂缝带高度发育特征

为了研究黄陇煤田综采放顶煤（综放）采煤工艺条件下的导水裂缝带高度及其发育规律,系统收集区内各矿井实测数据资料,采用数理统计和回归分析方法研究导水裂缝带高度与工作面宽度、煤层埋深以及采高的相关关系。研究结果表明：工作面宽度小于240 m且煤层采高为8.5~9.5 m时,软弱覆岩裂采比和导水裂缝带高度恒大于中硬覆岩;工作面宽度大于90 m且煤层采高大于14.5 m时,软弱覆岩裂采比和导水裂缝带高度恒小于中硬覆岩。综放软弱顶板裂采比和导水裂缝带高度随采高增大均呈单峰状,裂采比是采高的二次函数,导水裂缝带高度是采高的三次函数。裂采比最大为30.63倍,拐点处采高3.56 m;导水裂缝带高度最大为239.97 m,拐点处采高10.41 m。由拐点向两侧采高分别减小或增大时,裂采比和导水裂缝带高度均逐渐减小。综放中硬顶板裂采比和导水裂缝带高度受工作面宽度和煤层采高的共同影响。在工作面宽度一定时,裂采比随着煤层采高增大而逐渐减小且变化幅度越来越小,大致趋于[11.00,14.30]数值区间;在煤层采高一定时,工作面宽度越大裂采比越大。导水裂缝带高度随着工作面宽度和煤层采高增大而增大。     

海底采煤顶板支承压力分布规律与影响因素研究

针对北皂海域下软岩层覆盖的松软煤层的开采,建立相应的二维数值模型,应用有限差分Flac3D软件对其采煤过程进行了数值模拟,对顶板超前支承压力分布规律做了分析。得出了超前支承压力存在两个峰值,其峰值大小、位置受煤层采动影响的变化规律。定性研究了顶板刚度、煤体强度和埋深对超前支承压力分布的影响。研究对海底采煤的安全生产具有重要意义。     

大断面综放沿空巷道煤柱合理宽度与围岩控制

确定合理的区段煤柱宽度及巷道支护型式和参数,对于提高资源回采率和巷道安全性及实现综放开采高产高效意义重大。以王家岭煤矿20103区段运输平巷为工程背景,采用FLAC3D数值分析了不同煤柱宽度下围岩主应力差、变形及破坏演化规律,认为合理煤柱宽度为6～10 m,并结合实际地质和生产条件确定试验巷道煤柱宽度为8 m。采用理论分析和现场钻孔窥视方法综合确定基本顶断裂线位于距采空区约7 m处,认为由于综放沿空巷道围岩性质结构和应力分布沿巷道中心线呈明显非对称性,将引发煤柱侧顶板严重下沉和肩角部位煤岩体错位、嵌入、台阶下沉等非对称破坏特征,靠煤柱侧顶板及肩角部位是巷道变形破坏的关键部位。在此研究基础上,针对性地提出了以高强锚梁网、不对称锚梁、锚索桁架为主体的综合控制技术,详细阐明了具体支护措施的控制机制,并进行现场应用。工程实践表明,8 m煤柱宽度合理,该支护技术能够保证窄煤柱沿空巷道围岩稳定,并已在王家岭煤矿大面积推广应用,对类似工程条件的支护技术具有一定的理论意义和实用价值。     

地下采动下含深大裂隙岩溶山体变形响应特征

为了研究岩溶山区地下采矿活动对上覆岩层及山体的变形影响,依托贵州纳雍普洒“8.28”特大崩滑案例,在现场地质调查的基础上,分析了纳雍普洒“8.28”崩塌体特征和山体变形发展过程,采用UDEC离散元数值方法研究了地下采动作用诱发强烈岩溶山体崩滑失稳过程及变形特征。结果表明：山体上部灰岩溶蚀强烈,形成众多裂隙和岩溶管道,在地下采动作用下经历了较长的变形发展过程;地下采动影响下,山体上覆岩层向采空区方向变形,并随着顶板岩层冒落,岩层变形显著增大;上覆岩层深大裂隙对山体变形有重要影响,上部岩层沿着裂隙向下形成沉降带,同时裂隙也得以扩展;崩塌区前缘岩体由于开挖卸荷,向坡外发生挤出变形,前缘阻滑力降低;随着采空区不断扩大,山体稳定性不断降低,最终山体整体溃屈,发生破坏。普洒崩滑模式为“山体后缘拉裂沉陷—裂隙扩展贯通—整体溃屈”。本研究为开展西南地区地下采动对岩溶坡体稳定性影响评价提供借鉴。     

大倾角煤层分层综采再生顶板破断规律研究

针对大倾角厚软煤层下分层安全综采问题,结合淮南矿区潘北煤矿1212（3）大倾角厚软煤层分层综采下分层工作面地质与工程条件,综合运用基于数字散斑、声发射监测与分布式光纤传感技术的物理模拟试验、基于煤系地层赋存禀赋建模技术的数值模拟试验相结合的研究手段,开展了下分层开采再生顶板破断倾向分区演化、再生岩体变形声发射能量与光纤应变响应规律及应力分布特征研究。结果表明：再生顶板破断由其破断岩块滑移、低中位悬臂梁和高位铰接岩梁断裂组成,双梁破断是引起下分层支架失稳的关键所在。下分层中上部双梁破断声发射能量呈高度聚集且持续时间短,光纤感知低位悬臂梁破断且中上部光纤应变峰值高,下分层中上部是支架与再生顶板稳定性控制的重点区域。下分层下部再生顶板破断岩块充填密实且粒径小,是架间与架前岩块漏冒多发区域。下分层再生顶板中形成高应力组成的应力拱,距采空区高度约30 m,双梁破断主要发生在拱内,拱中岩体破断对支架具有一定的冲垮作用。     

大断面深埋高水压地铁盾构隧道周边土压力作用模式评价

以南京某大直径地铁盾构隧道为背景,对盾构管片衬砌所受荷载及结构内力进行现场测试,分析了深埋高水压粉细砂地层中盾构隧道管片土压力大小及分布特征。采用3种不同竖向荷载组合（即有效上覆土压力+水压力,太沙基松动土压力+水压力,只有水压力）计算管片内力并与实测内力进行比较,评价了作用在盾构隧道管片上的土压力模式。结果表明：（1）作用在盾构隧道衬砌上的水压力大小基本等于静止水压力;（2）盾构隧道隧顶实测土压力约为太沙基松动土压力的80%,实测隧顶土压力更接近于太沙基松动土压力,隧道上方存在土拱;（3）现场实测管片弯矩较3种荷载作用下计算弯矩小,而实测管片轴力约为理论计算轴力的2倍。此外,分析了水平地基抗力系数对隧道管片内力的影响。研究成果可为大直径深埋盾构隧道设计提供参考。