深部切顶沿空成巷关键参数研究及工程应用

传统充填沿空留巷工艺繁琐﹑留巷速度慢,与现代化高强度开采要求不相适应,由此提出了切顶沿空成巷无煤柱开采新技术,其中关键参数设计是该技术的核心问题之一,对留巷的稳定性具有较大影响。以城郊煤矿21304工作面为研究背景,采用理论分析、数值模拟和现场试验等方法,对切顶沿空成巷关键参数进行了系统研究。基于岩石碎胀自承特性和围岩结构“S-R”稳定原理,推导出切顶高度﹑切顶角度的理论计算公式;建立了聚能爆破力学模型,并结合数值模拟和现场试验,确定了聚能爆破装药量及钻孔间距。研究结果表明：合理的切顶参数能够切断巷道顶板与采空区岩层间的力学关系,使采空区顶板沿切缝顺利垮落,碎胀的矸石可有效支撑上覆顶板,限制其回转下沉,减弱覆岩运动对留巷的扰动作用,沿空巷道围岩变形量明显减小。根据理论计算﹑数值分析和现场试验研究成果,确定了城郊煤矿21304工作面切顶沿空成巷关键参数,并在现场进行了应用,回采后沿空巷道侧向顶板能够迅速切落形成巷帮,留巷稳定后各项指标均能满足现场使用要求。     

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。     

巷旁切顶对采场下位岩层垮落特征的影响机制

巷旁切顶打断了巷道与采场下位顶板的连续性,促进了采场顶板垮落形成碎石帮,深入研究切顶对采场下位岩层垮落特征的影响机制具有重要意义。对采场支架载荷进行了分析,并对上覆岩层建立了力学建模,明确了上覆岩层运动与典型位置采场支架载荷特征的关系。在此基础上,针对6个巷旁切顶的工作面,给出了典型位置支架的载荷数据,从而分析得到巷旁切顶对采场下位岩层垮落特征的影响机制。同时,建立了数值模型,分析了不同的切顶起始位置和下位顶板强度对下位岩层垮落特征的影响。结果表明,121工法的“垮落线”具有对称的弧形边界,110工法的“垮落线”在切顶侧向工作面充分移动,N00工法介于上述两者之间。此外,不同切顶起始位置和顶板强度条件下,切顶的作用效果存在差异。研究结果有利于进一步深化巷旁切顶对采场下位岩层垮落特征影响的认识。     

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。     

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。