顺层钻孔瓦斯抽采封孔长度的模拟研究

针对封孔位置及长度的确定问题,通过理论分析和数值模拟的方式,研究巷道周围煤岩体的应力分布,计算巷道塑性区半径和封孔长度的理论公式;通过FLAC~(3D)模拟得出巷道围岩应力分布图确定封孔长度,并与理论计算结果进行比较。结果表明,煤矿井下压裂钻孔的封孔段长度应超过巷道围岩破裂区且到达应力峰值的位置。以平沟煤矿为例,综合理论计算和数值模拟结果得出的合理封孔长度为8 m。     

深部巷道开挖应力演化特征分析

深部高地应力赋存条件下,巷道开挖使围岩的应力受到扰动而重新分布,围岩应力的 变化会导致岩体破坏和损伤,甚至造成巷道的整体失稳。为研究全断面法、台阶法2 种不同开挖 方法下,围岩掌子面轴心、顶底板、边墙、拱肩等关键点位的应力演化规律,依托某煤矿巷道, 运用FLAC3D软件进行数值模拟,定量分析了2种不同开挖方法下关键点位应力大小及应力方向的演 化特征。研究表明：对于2种开挖方法,开挖后各主应力大小趋于稳定时差别较小;对于参考面轴 心监测点,全断面法开挖时最小主应力旋转成平行巷道轴线方向,受下台阶的影响,台阶法开挖 最小主应力最终旋转成竖直方向;对于边墙、拱肩、拱顶、底板、底角等其他关键监测点,最终 的应力状态相差不大,但应力演化路径相差显著,破坏机理也不同;与全断面法开挖相比台阶法 开挖下巷道底板位置处塑性区体积明显偏小,下台阶对底板围岩具有一定的保护作用。深入研究 应力变化对围岩稳定的影响对理论和工程研究具有重要意义,为开展室内实验以及现场工业实验 提供依据。     

深部延伸巷道围岩松动圈的探测与分析

围岩松动圈形态和变化范围是巷道围岩稳定性评价与支护的重要参数之一。为了探究高应力软岩巷道围岩松动圈变化特征,以裴沟煤矿深部42采区为地质背景,采用地质雷达方法通过现场实测,获得了深部延伸42采区轨道下山沿线典型区段两种主要岩性断面松动圈的主要量化参数,发现泥岩和灰岩两种不同岩性巷道围岩松动圈对应位置范围具有较大差异性。研究结果对42采区巷道围岩支护类型的选择及安全生产具有较强的参考价值。     

分体组合式囊袋封孔工艺及封孔材料的开发与应用

为了保障井下钻孔抽采瓦斯效果,提高瓦斯抽采浓度,针对传统封孔工艺封孔效果差、成本高、操作复杂、效率低等缺点,通过研究巷道及钻孔围岩应力分布,开发了一种分体组合式囊袋封孔工艺和新型封孔材料。该工艺可随意调节封孔长度。采用该工艺和材料可以有效地对钻孔周围裂隙进行封堵,封孔长度超过巷道塑性区,减少漏气量,提高抽采效率。     

孤岛煤柱内巷道合理布置与围岩控制技术研究

为提升煤炭运输效率、形成高效运煤系统,新疆布拉克矿53采区集中运输巷需布置在孤岛煤柱内。为寻求巷道的合理位置,分析了孤岛煤柱上覆围岩结构与应力分布规律;运用数值软件FLAC~(3D)对不同掘巷方案下煤柱及巷道围岩应力、应变、位移和孤岛煤柱稳定性进行了对比分析,最终结合现场条件确定巷道留设在距5401采空区4m位置处。对集中巷围岩采用高预应力高强锚杆(索)进行组合加固,结合现场拉拔试验,研究确定了集中巷窄煤柱一侧锚杆的合理长度,保证了锚杆的锚固有效性。现场应用监测结果表明:巷道围岩变形速度初期较大,后期平缓,变形量在可控范围之内,运输巷变形得到了有效控制。     

瓦斯抽采钻孔合理封孔长度确定方法

为确定十二矿顺层抽采钻孔的合理封孔长度,提高抽采效果,分析了封孔长度与巷道应力"三带"的关系,采用数值模拟和现场实测的方法确定了巷道应力"三带"的分布特征:卸压带范围为煤壁向里0～4 m,应力集中带范围为煤壁向里4～10 m,原始应力带范围为煤壁向里10m以深,从而确定了合理封孔长度为10 m,并通过现场考察,验证了封孔长度为10 m是合理的。     

巷道围岩应力壳力学特征与工程实践

综合采用数值模拟、理论分析和现场观测,深入研究了巷道围岩力学特征及其对围岩稳定性的影响规律。研究发现,巷道开挖后围岩存在连续包络的高应力束组成的应力壳,巷道处于应力壳内的低应力区,巷道围岩矿压显现受控于应力壳的存在及其空间演化;巷道围岩应力壳的空间分布对巷道围岩稳定性有关键性影响,且存在"稳定"和"非稳定"两种形态,维护巷道围岩稳定性的实质是保证巷道围岩应力壳形态的稳定;通过科学的巷道布置和有效的支护手段"控制围岩最小变形",优化围岩应力壳形态是保证巷道围岩稳定性的关键所在。研究和工程实践均表明:巷道轴向与最大水平主应力方向平行时易维护,在于巷道围岩中易形成稳定态应力壳;两者垂直时巷道难于维护,在于巷道围岩中易形成非稳定态应力壳。揭示了最大水平主应力方向对巷道围岩稳定性影响的内在力学本质。     

垂直交岔点扰动主应力变化规律及围岩稳定性研究

以矿山垂直交岔点为工程背景,通过VB编程对数值分析结果进行二次处理,揭示了与地应力存在不同空间位置关系的垂直巷道交岔点的扰动主应力矢量分布规律(主应力的大小变化和方向偏转);并引入点安全系数法,研究了垂直巷道交岔点围岩变形量和松动圈范围随交岔点空间位置变化的规律。结果表明:扰动主应力矢量主要受原岩主应力的影响,而几乎不受交岔点与地应力空间位置和巷道开挖顺序的影响,扰动主应力由浅部至深部先增加后减小,交岔点顶底板和两帮的最大扰动主应力分别为水平应力和垂直应力;垂直交岔巷道轴线越靠近两水平主应力法向平分线,交岔点围岩变形量和扰动屈服范围越小、围岩稳定性越高,且先开挖更靠近最大水平主应力方向的巷道对交岔点围岩的扰动影响更小。     

岩性及层位对巷道非对称变形的影响

为研究深部开采时,岩性和位置关系对巷道围岩非对称变形的影响,运用FLAC3D对深部倾斜巷道进行不同岩性和位置关系下的位移变化特征、应力分布和塑性变形模拟分析。研究表明:巷道布置于偏硬岩层中时,岩性及位置关系对巷道围岩非对称变形影响较大;巷道布置于较软岩层中时,岩性及位置关系作用效果不明显;巷道布置于较硬岩层中时,位置关系影响较小,巷道所处层岩性对围岩变形、围岩应力分布起关键作用,岩性愈硬,应力集中愈严重,最大水平应力与最大垂直应力差值也随之变大。位置关系的改变对围岩塑性变形范围作用较小,但对围岩塑性破坏类型作用明显。     

顺层瓦斯抽采钻孔定点定长封孔应用研究

针对矿井煤层实际赋存情况，通过数值方法定量表征了煤岩体巷道应力分布情况；结合现场考察对上述模拟结果进行了验证，同时采用不同深度单位长度钻孔冲粉量指标的变化规律划定巷道两帮“三带”的范围，进而确定顺层钻孔的合理封孔深度。通过钻孔抽采瓦斯浓度和瓦斯纯流量随时间的变化规律表征不同封孔深度的钻孔密封性能，结合经济科学抽采的基本原理表明了最理想封孔长度；结合围岩异常应力分布特征和破坏模式，提出针对围岩低渗区的定点定长封孔方法来提高钻孔密封性能。现场实验表明，该方法是一种实现煤层瓦斯高效抽采的可行技术方法，对于实现煤层瓦斯安全经济高效抽采有积极作用。     

三软煤层回采巷道支护中钻孔卸压技术

为有效解决软岩巷道支护难题,提出并研究了钻孔卸压与U型钢联合支护方式。采用FLAC3D数值模拟软件分析了卸压钻孔对巷道围岩变形及应力转移作用机理,模拟结果表明,实施卸压钻孔后,巷道围岩的变形量减小,巷道周边围岩应力峰值向深部转移,巷道处于应力降低区。现场试验结果表明：采用钻孔卸压与U型钢联合支护方案,巷道两帮最大移近量193 mm,降低55%,巷道顶底板最大移近量267 mm,降低55%,巷道支护状况得到明显改善。     

松软煤层水力压裂钻孔失稳分析及固化成孔方法

分析了煤矿井下松软突出煤层钻孔失稳变形机理,指出巷道围岩应力和钻孔二次应力是煤层施工压裂钻孔后孔壁弱结构易产生破坏失稳、易塌孔和成孔难的主要根源。提出了一种有效的区域固化成孔方法,模拟分析了松软煤层和采用高强度材料固化后钻孔周围应力场和位移变化。结果表明：松软煤层中钻孔位移变形量和塑性区范围大,钻孔易发生失稳破坏;对封孔段采取固化成孔措施后,浆液渗透填充到煤岩体的裂隙中,起到加固、充填密实裂隙作用,增强孔壁围岩的强度,钻孔变形量和塑性区范围减小,有效防止了钻孔发生失稳破坏,提高了成孔率。     

深部巷道钻孔卸压机理及关键参数确定方法与应用

基于围岩强度参数衰减规律的室内试验结果,对FLAC3D应变软化模型进行了二次开发,以现场实测矿压显现规律作为已知特征值,反演了岩体力学参数。分析了深部巷道钻孔卸压机理,提出以应力转移效果及围岩变形控制效果作为卸压效果的直接评价指标,初步将卸压程度分为非充分卸压、充分卸压和过度卸压3类,系统研究了卸压钻孔参数(长度、直径和间排距)对深部巷道围岩稳定性的动态作用规律,提出了影响卸压效果的各关键参数的确定方法,完善了钻孔卸压技术体系。工程应用效果表明,采用卸压钻孔参数确定方法设计的卸压方案,围岩控制效果显著,且该方法简单易行。     

大断面软岩煤巷的破碎机理及控制研究

针对首旺煤矿回采工作面巷道围岩软弱破碎、变形量较大的问题。通过钻孔窥视分析并结合理论,对回采巷道的破坏力学机制和破坏特征进行分析。基于围岩的破坏机理和软岩巷道的支护理论和原则,确定出巷道支护的支护方式和具体参数。     

巷道围岩松动圈探测及支护技术研究

合理的支护设计是保障巷道围岩稳定的前提，而煤矿巷道支护设计缺乏相关数据和理论的支撑，导致巷道支护设计不合理。针对采动巷道支护设计不合理的问题，以糯东煤矿二采区轨道下山为工程背景，采用钻孔成像仪对巷道围岩完整性进行观测，理论分析了钻孔成像仪的观测结果。结合围岩松动圈支护理论，得到了巷道围岩松动圈的发育范围，为糯东煤矿二采区轨道下山支护设计提供了依据，提出锚网喷加锚索加强支护的方案。实践表明，巷道支护效果良好，达到了预期的支护效果。     

深部矿井巷道围岩分区破裂实测研究

采用钻孔电视监测法对某矿3213工作面运输平巷进行现场定点定面多次监测,选取掘后10d与掘后50d观测结果进行对比分析,研究巷道围岩随时间影响在其内部的变形趋势,同时展开深部巷道围岩阶段性裂隙成型与围岩应力变化关系的分析研究,成果揭示了深部矿井开掘巷道围岩内在变形破坏机理,为此类巷道维护提供依据。     

深部矿井高应力巷道复合支护技术研究

为了对深井高应力巷道进行科学有效支护,对平煤股份四矿北石门大弧板段巷道围岩岩性及复杂应力情况进行了分析,提出了用多层次强韧封层复合支护技术来解决围岩破碎、流变性强、难以支护问题。实践表明,采用复合支护体系进行修复,实施点→线→面施工工艺,增大了支护韧性和刚性,确保了巷道的支护稳定性。     

深部矿井开采巷道地压与位移检测研究

随着吕家坨井工矿开采规模的扩大和开采深度的逐年增加,面临着诸如巷道和工作面稳定性等安全问题,为了监测采场周围岩体和煤体应力的变化规律,分别在采面机巷和上山中布置8个钻孔应力计5个多点位移计和3组断面收敛计对区域内采煤工作面和巷道进行现场应力和变形监测,并对结果做出分析,找出矿压规律,对深部开采围岩矿压规律进行预测,对矿山安全生产具有重要指导意义。     

煤岩塑性软化及扩容特性对钻孔密封性的影响

钻孔密封性是钻孔瓦斯抽采的关键基础之一,而煤岩力学特性对钻孔密封参数的选择及密封效果具有重要影响作用。因此,为准确认识钻孔围岩密封环境并深入分析煤岩塑性软化及扩容特性对钻孔密封性的控制作用,进而为钻孔密封参数的合理选择提供可靠的依据。基于煤岩全应力应变曲线及煤层力学参数,通过引入煤层软化系数k及扩容系数η1和η2,在构建煤岩线弹塑性力学软化"三折线"模型的基础上,依据线性Mohr-Coulomb屈服准则,对钻孔围岩弹性区、塑性软化区及塑性流动区半径、钻孔围岩径向位移以及钻孔围岩理论密封半径等参数进行理论数值解析计算,并对相应解析结果进行对比分析。同时结合钻孔成像技术及钻孔瓦斯抽采浓度数据监测等手段,综合分析塑性软化及扩容特性对煤层钻孔密封性的影响作用。研究结果表明,与理想弹塑性模型(Kastner)解相比,受塑性软化及扩容特性共同作用下的煤层钻孔围岩径向位移及理论密封半径分别增加12. 93倍和2. 60倍,且在构造煤层区域内钻孔缩径现象明显。在钻孔密封参数及密封材料相同的条件下,缩径现象明显的钻孔内初始平均抽采瓦斯体积分数较相邻完整钻孔降低59%,在29 d考察期内平均抽采体积分数同比降低64. 92%,瓦斯体积分数衰减率同比增加3倍。因此,塑性软化及扩容效应是造成钻孔初始密封性降低及后期抽采瓦斯衰减的主要原因之一,而采用Kastner方程求解获得的煤层钻孔围岩理论渗透半径及注浆压力等参数并不合理;同时,钻孔密封参数需应根据钻孔围岩特性进行区别选择。     

基于试验对小断面硬岩巷道爆破掘进参数的优化

 针对煤层附近小断面硬岩巷道爆破施工高效爆破和低成本的要求,采用循环施工试验,工序写实,结合围岩条件和施工实际情况对掏槽方式和炮眼深度这两个重要的爆破参数进行优选。实践检验表明,小断面巷道的爆破施工采用复式掏槽外加辅助空眼可以取得较好的爆破效果,炮眼深度的确定应在提高炮眼利用率的前提下,兼顾提高工人劳动生产效率。