特厚煤层小煤柱沿空掘巷数值分析及应用

沿空掘巷开采技术成功的关键主要取决于采场覆岩稳定的时间和沿空掘巷的位置。采场采动岩体运动导致围岩应力重新分布,动态采场应力作用于围岩并使其状态发生灾变是发生矿山灾害的根本原因。特厚煤层分层综采巷道布置（包括内错、外错和垂直）,合理确定煤柱尺寸、巷道支护方式和参数选择能够最大可能发挥围岩的自承能力,是提高巷道稳定的重要保证。在稳定的内应力场范围内布置小煤柱护巷,能够明显提高巷道围岩稳定状态,减少巷道维护费用。通过理论分析、数值模拟和现场实测等方法,对特厚煤层下分层沿空掘巷小煤柱不同巷道布置设计,通过煤柱的应力、应变和位移进行对比分析,确定特厚煤层下分层沿空掘巷合理的巷道位置和煤柱尺寸及上覆岩层防控技术,并得到工程验证是正确可靠的,从而为特厚煤层小煤柱开采技术提供了重要的科学依据。     

厚煤层快速回采切顶卸压无煤柱自成巷工程试验

基于切顶卸压自动成巷技术原理,分析了沿空切顶巷道顶板结构演化过程,得出厚煤层快速回采切顶成巷围岩应力、位移传递机制,形成了人为主动构建“基本顶上位岩层-采空区碎胀矸石-巷道切顶短臂梁”围岩稳定结构的控制思路。提出厚煤层快速回采沿空切顶巷道围岩协同控制体系,以“恒阻大变形锚索+墩式单元支架”控制顶板,以“滑移式让位护帮结构+自移式动压防冲结构+波浪式多阻护帮锚杆”控制帮部,形成了应对顶板结构位态、碎石运动状态变化的针对性控制技术。以柠条塔煤矿S1201胶运顺槽为工程背景,完成了厚煤层快速回采条件下切顶卸压无煤柱自成巷现场工业性试验。研究表明,采高增大、采速加快后,基本顶上位岩层易引发少量不宜强制控制的回转变形,支护结构可控让位是构建围岩稳定结构的有效途径之一;巷内压力与采空区矸石运动状态密切相关,增强预裂效果有利于减少动压冲击;成巷过程中巷道顶压首先达到恒阻状态,而后位移趋于稳定,最后形成围岩稳定结构。所设计的配套支护结构可有效协同围岩运动,留巷效果良好。     

UDEC模拟厚松散层及超薄覆岩条件下开采防水煤柱覆岩突水可能性

通过UDEC(Universal Discrete Element Code)对厚松散层及超薄覆岩条件下某矿工作面4种工况开采防水煤柱覆岩破坏特征的数值模拟以及物理模拟对计算结果的验证,得到了工作面走向中部覆岩冒落带高度随放采比的增大而增大、裂隙带高度随放采比的增大而发展缓慢的结论.覆岩沿高度方向形成"三带",但不同于其它条件下的放顶煤开采,采空区走向中部覆岩裂隙带高度与冒落带高度基本一致,顶板岩层呈现整体弯曲下沉.当放采比为2∶1与2.5∶1时,顶板岩层呈现整体弯曲缓慢下沉,裂隙带最大发育高度为20～22m.通过对覆岩破坏规律以及采区水文地质特征的分析,覆岩突水可能性很小.     

辽宁三台子水库下特厚煤层综放开采覆岩破坏特征

为确保水库下特厚煤层综放开采安全,合理留设防水安全煤岩柱,大平煤矿采用钻孔冲洗液耗失量法对覆岩破坏进行了观测研究。经对7个工作面测站12个覆岩破坏观测钻孔实测资料分析研究得出:煤层采出厚度7.54～15.17m,工作面推过36～40d,滞后工作面距离110～120m时覆岩破坏发育最充分。实测导水裂缝带高度为采高的15.31～19.97倍,明显大于类似软弱覆岩地层条件普通长壁全陷法开采覆岩破坏导水裂缝带发育高度。导水裂缝带上方,明显有集中发育的离层破碎带存在,实测离层破碎带高度为181.58～390.75m,是采高的24.22～36.00倍。     

综放开采特厚煤层采场底板破坏规律研究

高承压水体上采煤将引起底板扰动破坏,从而使有效隔水层厚度变薄,增大了底板突水风险系数,对目标层位注浆改造是行之有效的治理措施,但在底板破坏范围内注浆将造成浆液的大量浪费且影响治理效果。因此,开展煤层底板破坏深度及规律研究显得尤为重要。基于此,以山西榆树坡煤矿5105工作面为研究对象,采用钻孔应力–应变技术在进风巷道布置7条测线、91台传感器开展采前、采中和采后4个月的连续监测,获得三位一体“空间?时间”全方位底板扰动破坏数据并分析规律,为底板注浆治理方案制定提供了重要的技术参数。结果表明:底板破坏深度起始点距工作面24.2 m,最大破坏深度距工作面垂距28 m、平距21.3 m,底板破坏深度拟合形态符合塑性滑移规律,研究成果为类似工况下底板破坏深度规律研究提供科学依据。      

白皎矿保护层沿空切顶成巷无煤柱开采技术研究

为探究逆断层活化对无煤柱自成巷稳定性的影响,通过理论分析、数值模拟、工程实践、现场监测的方法,对逆断层活化作用机理和影响区域进行系统研究。结果表明,在水平构造应力和自重应力的双重作用下,逆断层对工作面超前支承压力及采后顶板压力有显著的影响。当工作面靠近逆断层时,逆断层开始局部活化;工作面到达逆断层位置时,受工作面采动剧烈影响,导致逆断层全面活化,超前支承压力急剧增加,应力集中系数为4.75。揭露逆断层之后,上覆岩层的压力由逆断层上盘传递到采空区后方,造成采空区后方支承压力升高,经模拟分析判断出逆断层下盘对工作面围岩稳定性有显著影响,影响范围为85 m,该范围是围岩控制重点区段。利用具有高恒阻力、高延伸率和高预紧力超常力学特性的恒阻大变形锚索、精准顶板预裂卸压技术和成巷围岩联合支护技术,得到巷道围岩滞后工作面150~190 m范围内保持稳定,该技术可以实现围岩变形有效控制。

     

切顶卸压无煤柱自成巷顶板变形机制及控制对策研究

为了探究切顶卸压无煤柱自成巷开采技术下短臂梁顶板的变形机制和影响因素,分析了该技术条件下的顶板结构及运动过程,建立了短臂梁顶板的力学模型,运用功能原理推导了短臂梁顶板在前期、中期和后期3个阶段的变形量计算公式,讨论了短臂梁顶板在各变形阶段的影响因素及其敏感性,并针对各变形阶段的主控因素提出了相应的控制思路。结果表明:短臂梁顶板在前期阶段的变形量较小,此阶段基本顶弹性模量、巷内及切顶支护强度、切顶高度对其影响比较显著;在中期阶段的变形量较大,碎胀系数、短臂梁弹性模量、留巷宽度对其影响比较显著;后期阶段顶板处于相对稳定状态,变形量基本不再变化。为此针对柠条塔矿S12012工作面提出了"巷内及时高强支护+切顶方案优化"的阶段性主控因素控制对策,现场应用效果良好。     

基于断裂力学的特厚煤层综放开采顶板破断规律研究

针对特厚煤层综放开采过程中矿压显现剧烈支架工作阻力难以确定的问题,结合特厚煤层工作面顶板岩层破断形成的悬臂梁-砌体梁力学结构模型。工作面来压阶段支架工作阻力不足时,引起砌体梁结构下沉使悬臂梁结构回转变形破断,造成上覆砌体梁结构滑落失稳压架使工作面矿压显现剧烈的特点,建立了含中心斜裂纹的悬臂梁结构破断的力学模型,应用断裂力学理论,分析了悬臂梁破断失稳的影响因素,推导了支架荷载的表达式。结果表明：裂纹倾角和长度是悬臂梁破断失稳的主要影响因素;支架荷载除与悬臂梁自身因素有关外,还与砌体梁垮落步距等因素相关。结合塔山煤矿8102综采工作面地质条件,计算了支架荷载的理论值,验证了理论分析的合理性。理论研究成果对于分析特厚煤层开采时的支架荷载的大小,合理选择支架减少顶板事故具有一定的工程实际意义。     

厚砂砾含水层下特厚煤层综放开采防治水技术研究

水帘洞煤矿地表水系发育,煤系地层上覆的白垩系洛河组和宜君组巨厚层状砂砾岩含水层,含水丰富,对矿井的安全开采构成了威胁。在详细分析矿区顶板含水层特征、隔水层岩性组合特征及隔水性能基础上,采用比拟法计算了综放条件下顶板导水裂隙带发育高度,并用数值法研究了不同采宽条件下顶板导水裂缝带发育规律,预计了工作面涌水量,为评价煤矿综放条件下工作面安全回采可行性提供了科学的依据。     

X-CT扫描成像技术在特低渗透储层微观孔隙结构及渗流机理研究中的应用--以西峰油田庄19井区长82储层为例

鄂尔多斯盆地上三叠统延长组河流-湖泊三角洲相砂岩储层物性受沉积--埋藏--成岩等因素控制.特低渗透储层具有其独特的微观孔隙结构和渗流机理.应用X-CT扫描成像实验技术进行砂岩岩心微观孔隙结构水驱油驱替实验,通过CT扫描切片图像观察分析了注入水微观驱替渗流机理及不同注入压力下的水驱油效率变化分布规律(实验岩心的水驱油效率最高为62%,最低为42%,平均为51. 6%),定量评价了储层微观孔隙结构特征.实验表明低孔、低渗和储层微观双重孔隙结构是造成注入水启动压力、水驱油效率差异大的根本原因;而较强的微观孔隙结构非均质性,是造成注入水波及效率不高、水驱油效率较低的主要原因.     

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。     

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。     

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。     

张集井田13-1煤缩小防水煤柱开采实践

本文简要阐述了张集井田的水文地质特征,从煤矿开采过程中围岩及地表移动规律的角度出发,论证了张集井田防水煤柱留设高度的可行性,并付之实践,取得了成功的经验.     

基于巨厚岩层-煤柱协同变形的煤柱稳定性

采前煤柱稳定性研究是工作面冲击危险性评估和开采方案设计的关键。以山东某矿深井巨厚砾岩条件工作面开采遗留煤柱为背景,采用案例调研、理论分析、数值模拟和工程实践等方法,对巨厚岩层-煤柱协同变形机制及其煤柱稳定性进行了研究,建立了巨厚岩层-煤柱协同变形的简化力学模型,探讨了引起煤柱变形的主要应力来源和变形形式,推导了在协同变形条件下煤柱的应力-应变关系。以此为基础,综合煤柱煤体应力、围岩稳定性和变形特征等条件,提出了煤柱整体失稳的力学判据。研究结果表明：巨厚岩层-煤柱失稳诱发冲击与煤柱的位置、尺寸和上覆岩层运动或变形关系密切,上覆岩层运动或变形是诱发煤柱失稳的动力因素;巨厚岩层-煤柱的变形主要包括受集中力F压迫的协同挠曲压缩变形和受集中力G作用的重力沉降变形,二者保持内在协调性;巨厚岩层下煤柱整体失稳的工程判据为煤柱煤体平均支承应力p超过其平均极限支承强度Rc（p≥Rc）;评估得到遗留的50 m煤柱具有强冲击危险性,并通过优化开采设计,取得了良好的效果。该研究成果对相似条件煤柱留设及其稳定性分析具有参考意义。     

Experimental and numerical investigation on coal drawing from thick steep seam with longwall top coal caving mining

Steep coal seam mining activities will frequently occur during the next few decades in China. In this study, both experimental and numerical methods are employed to investigate the coal drawing from thick steep seam with longwall top coal caving mining. A series of analyses is performed to investigate the features of the drawing body, the distribution of top coal recovery ratio and the shape of the rock flow under steep conditions. The results indicate that the drawing body of top coal develops prior to upper side of the panel face obviously, and the top coal in the central part of the panel has a higher recovery ratio than that in the lower and upper parts in steep coal seam with caving mining method. The flow paths of the fragmented top coal are nearly straight lines moving towards the drawing window, and the fastest path maintains a constant angle with the plumb line. The spatial shape of the rock flow indicates “bidirectional asymmetry,” which results from the presence of the shield beam and dip angle of the coal seam; thus, this is the root cause of the appearance of the drawing body’s prior development towards the upper side of the panel. The field observation data indicates the same distribution of top coal recovery as that in the physical experiment and numerical simulation. Furthermore, suggested measurements are proposed to improve top coal recovery in steep seam mining based on the engineering practice of Dayuan coal mine.     

顾桥矿顶板定向长钻孔爬升段施工工艺试验

为解决顾桥矿顶板大直径高位定向钻孔爬升段成孔难度大的问题,先后进行了注浆加固钻孔、异型钻具组合透孔和大级差钻具组合扩孔等成孔工艺方法试验。根据现场施工情况,采用大级差钻具组合工艺成功施工了14个孔深500 m以上煤层顶板高位定向长钻孔。结果表明,大级差扩孔工艺可以有效解决爬升段穿越复杂地层成孔难题。指出了大级差扩孔工艺施工注意事项,形成了一套具有推广价值的相关工艺方法。