灵新煤矿地下水库煤柱坝体合理尺寸研究

近年来,煤矿地下水库技术已成为西部地区保护和利用矿区水资源的重要手段,地下水库矿井水已成为西部地表生态灌溉的重要水源之一。以西部矿区灵新煤矿近距离倾斜煤层群采掘地质条件为工程背景,针对该矿首座煤矿地下水库建设过程中遇到的煤柱坝体留设问题,采用数值模拟的方法,分析了六采区工作面开采和水库储水压力两大因素对煤矿地下水库煤柱坝体的影响。研究表明:相关工作面回采后,会在煤柱坝体及邻近围岩中产生塑性区,随着煤柱坝体宽度的增加,煤柱坝体及附近围岩中塑性区相互贯通的趋势逐渐减弱。当煤柱坝体宽度增至50 m时,塑性区相互贯通的现象消失;当煤柱坝体宽度增加到60 m时,煤柱坝体及邻近围岩中的塑性区间距(塑性区未贯通区域)扩大至40 m左右。在储水压力作用下,煤柱坝体及邻近围岩中的塑性区裂隙将发生二次扩展,随着水压的增大,裂隙扩展长度逐步增大,在3 MPa水压(储水高度300 m)作用下塑性区裂隙扩展长度达到5 m左右。因此,为防止水力作用下煤矿地下水库透水灾害的发生,认为煤柱坝体合理尺寸应取60 m。     

煤矿地下水库人工坝体嵌入煤柱/体的构筑参数优化研究

为了得到煤矿地下水库人工坝体嵌入煤柱/体的掏槽构筑作业的合理参数,利用FLAC~(3D)数值模拟软件,以神东浅埋大采高典型开采条件为背景,通过设置不同掏槽深度和掏槽位置,对拟构筑人工坝体的巷道两帮煤体受掏槽作业及后续采空区地下水库储水外推力影响下的塑性区发育及煤体位移等开展了研究。结果表明,巷道帮部掏槽深度越大,越有利于减少采空区地下水库储水的渗漏通道,但会在煤体内部原始弹性区新增发育一定范围塑性区;而掏槽位置越靠近外侧巷道口,掏槽处直至巷道口范围的煤体越易在储水外推力作用下发生整体剪切滑移,造成溃坝危险。据此基于不同掏槽参数对帮部煤体稳定性的影响规律,确定了神东矿区典型开采条件下的合理掏槽参数。     

煤矿地下水库煤柱坝体宽度设计

地下水库储水技术已成为西部矿区实现煤炭高效开采与水资源保护并重的重要途径之一,而煤柱坝体的稳定性是地下水库设计中极其重要的部分,对地下水库稳定性起决定性作用。煤柱坝体既要保证煤炭安全开采,也要保障地下水库安全运行。地下水库煤柱坝体的稳定不仅与埋深、采动应力、地质构造等工程地质条件有关,也与水作用下的弱化作用密切相关。为研究煤矿地下水库煤柱坝体在水作用下强度弱化规律,选取西部矿区麻地梁矿5煤为研究对象,开展煤样无损浸水试验和不同含水率及反复浸水条件下单轴压缩试验。研究得到:不同含水率的煤样在0～20 h内,含水率快速增长; 20 h之后,含水率增长变缓,在20～70 h,含水率慢速增长;在70～140 h,煤样含水率增长接近稳定;煤样含水率随着浸水时间的增加而增加,但增幅逐渐减少,最终趋于稳定;随着含水率(浸水次数)的增多,煤样单轴抗压强度逐渐降低,峰值应变逐渐增大,弹性模量逐渐降低。相较于干燥煤样,初次饱水煤样、浸水3次煤样单轴抗压强度分别降低了27.1%,50.0%,弹性模量分别降低34.6%,58.5%。结合实验室试验结果,运用弹塑性力学理论探讨了煤柱坝体在不同含水率下破坏区、塑性区宽度,开展了考虑覆岩压力、水压力以及水的弱化作用下煤柱坝体宽度设计研究,并结合麻地梁矿的工程地质条件,对其地下水库坝体的宽度进行了设计。同时,进一步分析了煤柱坝体宽度的影响因素,得到含水率、埋深、煤层采厚均对煤柱坝体宽度有很大影响。     

矿震动载影响下的储水结构坝体损伤破坏特征研究

煤矿地下水库是西部矿区煤炭开采水资源保护与利用的重要技术手段,而储水结构坝体稳定性是地下水库安全建设及稳定运行的核心评价指标。以西部矿区上湾煤矿22101地下水库为工程背景,采用数值模拟的方法,分析不同震源位置的矿震动载对煤矿地下水库煤柱坝体与人工坝体的影响。结果表明：煤柱坝体与T型人工坝体在受矿震动载作用后,高应力区范围显著增大、应力集中程度明显提高且走向方向的塑性区范围有所增加;与远场矿震动载作用相比,近场矿震动载的影响更加明显;处于迎波面的坝体受影响较大。在远场循环动载扰动下,仅初始扰动对T型人工坝体强度明显削弱。     

基于极限平衡理论的大倾角区段的煤柱合理尺寸研究

针对大倾角综放开采区段煤柱留设尺寸的确定难题,建立了相应区段煤柱力学模型,并用极限平衡理论分析及数值模拟结合的方法,研究了煤柱尺寸的理论公式、应力分布、模拟分析。研究表明:区段煤柱合理留设宽度是煤柱两侧塑性区宽度和中心弹性区煤体的临界尺寸之和;揭示了不同宽度区段煤柱受上、下区段工作面采动影响时,区段煤柱支承压力分布规律曲线;得出孟家窑煤矿大倾角煤层区段煤柱宽度为25 m时即可保持稳定。研究结果在该矿5102工作面的成功应用,可为大倾角煤层区段煤柱合理尺寸提供理技术参考。     

应力-渗流耦合效应下煤矿地下水库坝体稳定性研究

通过耦合水力学方程和弹性力学基本方程,建立了煤矿地下水库坝体应力-渗流数学模型,将其导入COMSOL Multiphysics软件中分析煤矿地下水库坝体的渗透高度和安全系数随储水深度的演变规律。通过COMSOL Multiphysics研究不同储水深度对煤矿地下水库坝体稳定性的影响。结果表明:提高储水深度会导致煤矿地下水库坝体渗透高度升高,安全系数降低,不利于坝体维持稳定。     

煤矿地下水库煤柱坝体极限水头值研究

安全煤柱坝体所能承载的极限水头值大小对煤矿地下水库系统安全运行有很大影响。以李家壕煤矿为例,综合运用数值模拟,理论分析研究了水库稳定性与煤柱坝体所能承载的临界水压的关系。二者对于煤柱稳定性的影响相反,最后利用煤柱所能承载的极限水头值与塑性区宽度之间的函数关系对安全煤柱的极限水头值进行了预测。     

大倾角煤层区段煤柱合理留设宽度研究

 在现有煤柱宽度理论计算公式的基础上,针对大倾角煤层围岩应力特点,综合考虑煤层倾角、顶板垮落对采空区充填以及在采动时对煤体引起的损伤等多方面影响,推导出大倾角煤层区段煤柱合理留设宽度理论计算公式,并应用于胜利煤矿,取得了良好的技术与经济效果,该研究对确定大倾角煤层区段煤柱合理留设宽度具有参考作用。     

煤矿分布式地下水库煤柱坝体合理布置方式

针对神东矿区大柳塔矿特定的地质条件和现代化开采技术,采用相似模型试验的方法,分析研究了煤矿分布式地下水库煤柱坝体的留设及其稳定性问题,对分布式地下水库的煤柱布置方式进行了划分:在垂直于煤层平面方向上可分为对齐布置和错开布置,在平行于煤层平面方向上可分为短工作面布置和长工作面布置。基于此,提出了煤柱坝体的合理留设方式:在平行于煤层平面方向上,煤柱的布置方式以工作面开采形成的采空区破裂带高度略小于两煤层的层间距为宜;在垂直于煤层平面的方向上煤柱的布置方式以对齐布置为宜。     

锚杆支护沿空掘巷合理位置的确定

根据张集煤矿1213(3)工作面的地质条件,首先运用模尔库仑准则建立了计算塑性区宽度的力学模型,得到厚煤层沿空侧煤体的塑性区宽度,并根据锚杆作用机理建立了锚杆支护沿空掘巷合理窄煤柱理论宽度公式,并指出合理煤柱尺寸为5 m;然后,应用大型有限元程序ANSYS,对不同尺寸煤柱条件下掘巷及回采时围岩应力、变形进行了分析,指出厚煤层沿空掘巷锚杆支护合理的煤柱尺寸以5 m左右为最佳.最后,将所得结论应用于实践,取得较好的效果,说明煤柱尺寸是合理的.     

复杂应力环境煤柱坝体损伤破坏规律研究

煤矿地下水库是实现水资源保护与利用的有效技术途径,其中煤柱坝体稳定性对保障地下水库系统安全具有重要影响。针对地下水库煤柱坝体处于动静载叠加的复杂应力环境,结合补连塔煤矿地下水库工程背景,采用FLAC3D程序构建复杂应力场下煤柱坝体动态损伤数值计算模型,研究多工作面开采侧向支承压力分布及动载荷作用下煤柱坝体动力响应规律,并采用声波探测巷道围岩松动圈范围。研究结果表明:受邻近工作面采动影响,煤柱处于较高的侧向支承压力影响区,塑性区发育范围较大;受矿震等动载荷影响,煤柱围岩塑性区发育面积及发育深度显著增加,竖向应力极值点向纵深方向发展;巷道围岩松动圈发育深度煤柱侧大于工作面侧,在重复采动残余支承压力和动载叠加作用下煤柱损伤破坏程度更严重。研究结果为地下水库建设与长期安全运行提供了科学依据。     

水浸煤体周期应力承载特征研究

针对地下水库煤柱坝体长期在水浸-周期应力作用下渐进损伤问题，以陕西某矿地下水库工程为背景，通过现场调研、理论分析、实验室实验等方法分析了工作面末采阶段煤柱坝体所受应力环境，探究了周期应力以及水浸对煤体的破坏规律。结果表明：煤柱坝体形成前受采动影响存在诸多次生裂隙，形成以后受水浸以及相邻工作面的采动影响，应力呈多次循环加、卸载特征；煤体单轴压缩时抗压强度为18.40 MPa，破断载荷为36.11 kN，循环加卸载1、2、3次的破坏载荷分别为35.27、29.15、27.45 k N，表明周期应力有加剧煤体损伤的作用；随着水浸时间及加卸载循环次数的增加，煤体强度逐渐降低，无水浸加卸载1次条件下煤块强度为17.97 MPa，水浸21 d加卸载3次时强度为10.78 MPa。     

上保护层下工作面开采边界煤柱留设及其优化研究

针对山东一煤矿煤层两分层开采情况,基于上保护层开采理论,利用UDEC数值模拟软件对上保护层下工作面开采边界煤柱宽度留设进行了模拟和优化,并解释了上保护层开采防冲机理。研究表明:上分层开采有"降压、耗能、减震"作用,能够显著降低下分层的应力集中程度;但当下分层煤体开采至上分层残留煤柱附近(外错、平齐或内错)时,下分层煤体在上分层残留边界煤柱影响下易形成应力集中,冲击危险性高;最终确定该模拟条件下下分层煤体开采煤柱宽度85m(即,内错上分层残留煤柱10m)时,下分层开采受上分层煤柱影响最小,应力集中程度最低,下分层开采最安全。     

煤矿地下水库平板型人工坝体抗震性能分析

煤矿地下水库有效地解决了西部矿区矿井水保护与利用问题,地下水库安全稳定是其执行“导储用”核心技术的关键,而人工坝体是连接水库坝体的纽带。为此,针对煤矿地下水库人工坝体安全稳定问题,选取典型的平板型人工坝体为研究对象,基于大柳塔2^-2煤层煤矿地下水库基本情况,利用相似模拟实验、数值分析等研究方法,分析了不同地震(1～15 m/s²)作用下煤矿地下水库平板型人工坝体稳定性特征。相似模拟结果表明：煤矿地下水库平板型人工坝体可以抵抗10烈度以上(12 m/s²)地震作用,在由小到大地震循环加载作用下产生的最大位移为0.19 mm;人工坝体产生应力集中的位置主要在坝体底部,应力变化规律为底部>腹部>顶部,同一地震波作用下坝体反面应力峰值约大于正面10%,整个震动过程中人工坝体未出现裂隙发育情况,说明人工坝体始终保持弹性工作状态;顶部压力逐渐增加和循环地震作用过程中,人工坝体内应力急剧增加,坝体水平方向位移与非加压阶段相当,未表现出明显增加现象,但煤柱坝体在此过程中逐渐产生裂隙,最终裂隙贯通造成煤柱坝体垮落破坏。基于力学...     

南阳坡煤矿3号煤层区段煤柱合理宽度研究与实践

针对高强度开采工作面区段煤柱合理宽度留设问题,以南阳坡煤矿3号煤层8701工作面为工程背景,综合应用理论分析、数值模拟与现场试验相结合的研究方法,研究了工作面区段煤柱合理宽度及围岩联合支护技术。通过理论方法计算出3号煤层区段煤柱的宽度应大于13m,并利用数值模拟的方法对比分析不同宽度煤柱受力与塑性区变化情况,综合考虑巷道稳定性及安全高效开采等因素,确定煤柱合理宽度为18m;提出采用锚杆及锚索补强联合支护系统进行巷道支护,现场监测表明18m煤柱下巷道围岩控制效果好,为类似条件下巷道布置提供了有益借鉴。     

煤矿地下水库煤柱动力响应与稳定性分析

参考借鉴地面水库坝体抗震安全评价的相关研究,构建了煤矿地下水库相似材料模型平台,进行了不同烈度条件下的动力破坏试验研究,并利用摩尔库伦模型对坝体在地震作用下的动力响应进行了数值仿真,研究了坝体的地震破坏形态、抗震薄弱环节以及影响因素;同时对同等条件下的地面水库坝体进行了模型试验和数值模拟,对比分析了地下水库与地面水库的抗震安全性。结果表明:物理模型试验和数值模拟得到的动力响应较为接近;在地震波逐级加载的过程中,由于受到顶底板约束,煤矿地下水库坝体晚于地面水库坝体进入塑性工作状态,验证了煤矿地下水库坝体较地面水库坝体具有更好的抗震安全性。在此基础上,提出了煤矿地下水库坝体安全系数概念,对比分析了同条件的煤矿地下水库坝体和地面水库坝体的安全稳定性。     

大倾角煤层长壁工作面区段煤柱尺寸留设模拟

以南山煤矿大倾角B8煤层区段煤柱留设为工程背景,以煤柱失稳为临界条件建立力学模型,理论计算煤层倾角40°时区段煤柱的尺寸,得出煤柱宽度留设20 m左右。建立数值模型进行验证,分别模拟煤柱宽度为5、10、15、20 m条件下煤柱的应力特征、岩层失稳特征,模拟结果表明,煤柱宽度留设15~20 m较合理。     

综放工作面区段煤柱合理宽度优化研究

为了合理确定兑镇煤矿工作面区段间的煤柱宽度,在保证巷道支护稳定前提条件下,减小煤柱宽度,提高煤炭采出率,通过对现场采集的煤层及顶底板煤岩样进行了煤岩体的物理力学参数测试,采用FLAC3D数值分析软件,建立了工作面回采过程中不同宽度区段煤柱的力学模型,对比分析了3种不同煤柱宽度时围岩应力、变形及塑性区分布规律的差异。结果表明：16 m宽的煤柱可以较好地减小工作面推进过程中煤体的应力集中程度、塑性区范围及侧向位移,减少煤柱宽度,最终确定了区段煤柱合理的宽度为16 m,工作面实现安全回采。     

倾斜煤层沿空掘巷窄煤柱设计及控制技术

沿空巷道两帮煤体呈现非对称破坏及受力的特点,而倾斜煤层又加剧了偏载的趋势,巷道维护困难。采用理论分析的方法,给出倾斜煤层沿空掘巷内应力场宽度计算式,并探究煤层倾角对合理煤柱宽度的影响规律:倾斜煤层(25°~45°)的合理煤柱宽度小于近水平煤层(0°~8°),且随着煤层倾角的增大,倾斜煤层比缓倾斜煤层(8°~25°)合理煤柱宽度减小的快。揭示倾斜煤层沿空掘巷围岩控制机理并开发控制技术,应用于实践。     

煤矿地下水库储水空间构成分析及计算方法

针对西部近水平煤层煤矿地下水库有效储水空间难以确定的问题,提出了利用地下水库上覆各分界岩层的垂直位移轨迹方程计算各分带岩层冒落前后的体积差,从而确定煤矿地下水库不同分带内岩层的有效储水空间,解决了现有煤矿地下水库储水系数难以确定,导致地下水库储水空间计算困难的问题。基于工作面上覆岩层断裂分带划分结果,确定煤矿地下水库的主要储水空间为垮落带与块体铰接带垮落岩层的空隙、裂隙与离层空间,得出了近水平煤层垮落带与块体铰接带有效储水空间的计算表达式。基于结构力学与断裂力学理论,分析了垮落带分界岩层可能形成的3种不同结构形式,推导了砌体梁结构、台阶岩梁结构及完全垮落情况下工作面上覆垮落带、块体铰接带分界岩层的垂直位移轨迹方程,得出了上覆不同岩层结构煤矿地下水库的有效储水空间理论计算表达式。以大柳塔煤矿近水平煤层煤矿地下水库工程实践为依托,采用UDEC数值模拟计算方法分析了工作面上覆岩层的断裂结构,研究得出了地下水库上覆各分界岩层的垂直位移轨迹曲线,发现地下水库四周边界位置较中间位置的垂直位移量小,即四周边界位置具有更大的储水空间。采用理论分析与数值模拟相结合的方法,对各分界岩层的垂直位移曲线进行了拟合分析,得出了煤矿地下水库的有效储水空间。基于不同计算时步上覆岩层垂直位移曲线的差异,分析了煤矿地下水库储水空间的时空演化规律。通过在大柳塔煤矿进行现场抽放水试验,验证了上述煤矿地下水库有效储水空间计算方法的可行性及计算结果的可靠性。