厚层灰岩直接顶沿空成巷切顶断裂条件及围岩移动规律研究

基于沿空留巷原理,分析了厚层灰岩直接顶板下巷旁充填沿空留巷和超前切缝断顶卸压法沿空留巷巷道顶板断裂位态,分别建立了2种不同顶板断裂位态下的结构力学模型,推导了巷道顶板支护阻力计算方法。研究表明:当切顶阻力Q≤ql时,巷道顶板沿煤壁内一定深度内断裂,沿空巷道侧向顶板悬臂结构可向沿空巷道围岩传递采场岩梁和上覆岩层移动压力;而当切顶阻力Q≥ql,巷内加强支柱+巷旁切顶墩柱+巷旁切缝的联合切顶作用时,可使得侧向坚硬灰岩顶板沿切缝结构面断裂滑落,实现顶板断裂位态主动控制,降低了坚硬灰岩顶板传递上覆岩层压力的移动变形压力,优化了顶板承载结构和围岩应力,降低了巷旁支护体承受的附加载荷。相关设计方法及研究成果应用到南屯矿厚层灰岩直接顶切顶留巷试验,取得了良好的应用效果。     

沿空巷道切顶围岩变形控制机理及工程应用

为减少薄-中厚煤层开采工作面区段煤柱损失,提出了切顶法沿空成巷无煤柱开采技术,即在上区段回采工作面运输巷内,采用张拉聚能爆破在运输巷顶板与采场侧向顶板间形成一条切缝结构面,该结构面可阻滞采场侧向顶板移动压力向沿空巷道围岩的传递,并促使侧向顶板沿切缝切落,切落矸石则隔断采空区而形成运输平巷采空区侧巷帮,矸石碎涨后充填冒落空间支撑上位岩层继续移动,从而实现沿空巷道稳定。沿空巷道切顶力学模型的理论与数值分析结果显示,巷旁爆破切缝将可传递采场岩层移动变形压力的岩梁结构改变为沿切缝切落的短臂岩梁结构,大大降低了沿空巷道受采场侧向岩层移动变形压力的作用,减小了沿空巷道围岩压力及变形量。基于该原理提出的巷内加强支护、巷旁密集支护、巷道顶板切缝等主被动联合切顶技术,在各种不同条件下薄煤层、中厚煤层切顶成巷工程实践中均取得了良好效果,实践表明,该方法可有效降低采场岩层移动对沿空巷道产生的压力,减小沿空巷道围岩变形。     

厚硬基本顶岩层切顶留巷参数优化设计方法研究

针对薄直接顶工作面开采时垮落顶板不能有效充填采空区,进而引起厚硬基本顶形成较长悬臂结构并挤压巷道的现象。以黑龙煤业1103工作面薄直接顶、厚基本顶条件为背景,建立了下位切缝基本顶悬臂梁断裂力学模型,推导出基本顶沿切缝面扩展断裂时所需的巷旁切顶阻力计算方法,利用数值模拟确定出合理的切顶参数。研究结果表明：当顶板侧向悬臂长度及岩层载荷等参数一定时,巷旁切顶阻力随着切顶高度的增大先增加后减小|为使得上覆厚基本顶沿切缝面断裂并失稳滑落,合理的切顶参数应为切顶高度4m、切缝角度10°,此时巷旁提供的切顶阻力至少为3350kN。研究成果在现场实际工程中成功实施,可为类似条件的切顶留巷工程提供借鉴和参考。     

切顶卸压沿空留巷围岩控制效果数值模拟研究

为研究切顶卸压对沿空留巷围岩控制效果的影响规律,基于UDEC软件,对沿空留巷侧向顶板悬顶与垮落2种情况下的围岩受力变形特征进行深入分析。研究表明:相对于直接顶悬顶状态,直接顶垮落时煤帮侧煤层和巷旁支护墙体上的垂直应力集中系数分别降低0.19和0.49;直接顶垮落状态下沿空巷道顶板下沉、底板鼓起、煤帮内移和墙体内移量相对于直接顶未垮落状态下,分别降低73%、60%、27%、75%;巷道侧向悬顶是造成沿空巷道围岩大变形的重要原因,切顶会促使采空区上方直接顶有效垮落,采空区上覆岩层的重力无法有效向巷道周围的煤岩体中传递,且垮落的岩层会对顶板起到一定的支撑作用,有助于降低巷道围岩所承受的压力。     

浅埋煤层无墙体沿空留巷及切顶组合支架试验研究

针对浅埋煤层无墙体沿空留巷围岩稳定问题,重点分析了基本顶沿巷旁支护体断裂后顶板结构失稳特征,得出了留巷顶板沿巷旁支护体侧切断并垮落后,留巷所需的支护阻力迅速减少。基于此种基本顶断裂位态,提出了无墙体沿空留巷切顶组合支架巷旁支护技术,结合在给定载荷、给定变形、采空区矸石侧压和底板比压等条件,对切顶组合支架的切顶阻力、支架可缩量及抗侧压能力等分别给予计算并进行校核,并在老母坡煤矿3101试验工作面进行工程验证。结果表明:在留巷工作面后方90 m以外,稳定后巷道两帮移近量为243 mm,顶板下沉量225 mm,移近速度不超过1 mm/d,证明巷旁切顶组合支架配合单体支柱能够在顶板回转切顶过程中提供足够的工作阻力,在类似条件下实施无墙体沿空留巷技术是可行的。     

切顶卸压自成巷巷内支护及其稳定性控制

针对恒源煤矿2632工作面大埋深、复合、破碎顶板的工程地质条件,为保证2632机巷顺利切顶进而沿空留巷,首先建立了上覆顶板"悬臂梁+铰接岩梁"的结构模型,通过力学分析、理论计算,确定了切顶卸压下巷内支护强度,相较于小煤柱护巷,切顶能够大幅降低巷内支护强度,覆岩压力向采空区和实体煤深部转移,留巷巷道位于相对低应力区;通过数值模拟,验证了切顶对巷道围岩的卸压效果,确定了切顶的高度和角度。恒源煤矿2632工作面机巷应用切顶卸压自成巷技术后,实现了大埋深破碎顶板的沿空留巷,同时回收了500 m巷道的煤柱,下一工作面可以少掘500 m巷道。     

深部沿空巷道巷旁支护失稳机制与降能控制方法

侧向基本顶断裂下沉引起的巷旁支护体能量积聚及其突发释放是导致深部沿空巷道围岩失稳破坏的根源之一。以山东泰安孙村煤矿千米埋深工作面开采为工程背景,利用UDEC离散元数值模拟软件获得了实际工程条件下沿空巷道围岩能量演化规律,以及巷旁支护体宽度、侧向基本顶厚度和断裂长度等因素对沿空巷道围岩能量演化规律影响特征。在此基础上,基于顶板横向断裂边缘的弧形三角板结构,建立了沿空巷道侧向顶板结构力学模型,分析了不同采动阶段巷旁支护体的力学状态,揭示了侧向基本顶断裂下沉引起支护体动力失稳机理,获得了支护体发生动力失稳的能量判据N,并以此为指标提出了“降低外部冲击能量+改变内部承载性能”的巷旁支护体稳定性降能控制方法。当N≥1时,支护体内积聚的弹性变形能与侧向基本顶断裂所带来的新增变形能之和大于支护体完全破碎需要消耗的能量,支护体内部弹性能积聚较大,自承载能力发挥不足,支护体将发生动力失稳;反之,当N<1时,支护体不会发生动力失稳现象。现场实践表明,所建立的动力失稳能量判据与实际结果相吻合,采用降能控制方法后,沿空巷道顶底板移近量、两帮移近量最大值分别114和123 mm,锚索受力相对值最终稳定为5...     

破碎顶板切顶留巷采空区顶板垮落特征试验研究

垮落带内含有的坚硬厚砂岩冒落性差,易在沿空留巷实体煤帮的支撑下形成三角板结构,随着上覆岩层的断裂和应力传递,造成沿空巷道采动压力影响剧烈。基于禾草沟二号煤矿1105工作面厚砂岩顶板设计10种不同间距切顶钻孔试验方案进行现场试验,并在相应区域对沿空侧采空区岩层垮落特征进行监测。试验表明,在未爆破区域和爆破区域,采空区顶板岩石垮落时间随炮孔间距的增大而增大,爆破区域沿空侧采空区垮落矸石充填满巷帮时间为非爆破区域的0.4倍,沿空巷道稳定速度更快。在未爆破区域和爆破区域中,沿空侧巷帮垮落矸石块度随切顶钻孔间距的增大而增大,未爆破区域垮落矸石块度最大为1.33 m,爆破区域垮落矸石块度最大仅为0.36 m。在设计方案中,巷道顶板压力与巷道顶底板位移均随切顶钻孔间距的增大而增大,相同间距钻孔,爆破区域巷道顶板压力与巷道顶底板位移均明显小于非爆破区域。根据试验结果,在设计方案中,钻孔间距400 mm、间隔爆破时,切顶效果较好,沿空侧采空区顶板冒落性好、接顶速度快、沿空巷道动压显现较弱。     

切顶卸压爆破技术在沿空留巷中的应用研究

针对某煤矿采空区直接顶及上覆顶板悬露面积大,采空区侧悬臂梁结构载荷加载到混凝土墙体及巷内,使巷内顶板下沉量大,巷旁混凝土墙体过早承载破坏等问题。采用超前工作面预裂爆破切顶卸压法,研究了切顶卸压机理以及工作面端头支架架间预裂爆破切顶设计,并分析了放炮工艺及安全技术措施,研究得出:通过采用切顶卸压爆破技术,可使垮落矸石充满采空区,减小了沿空巷道顶板悬臂梁上覆荷载以及旋转变形对巷旁混凝土墙体的压力以及巷旁顶板下沉量,实现了留巷围岩稳定。     

坚硬顶板沿空留巷覆岩结构分析与围岩控制技术研究

为探求坚硬顶板沿空留巷合理的围岩控制技术,通过建立基本顶断裂前的力学模型对上覆岩层的结构进行分析,得出坚硬顶板沿空留巷基本顶破断后上覆岩层的结构特征,并通过分析工作面地质资料与覆岩结构特征得出了1198工作面运料巷合理的支护方案。在沿空留巷运用得出的支护方案后,根据矿压监测数据表明:留巷后巷旁充填体和巷道围岩结构稳定,满足下区段工作面的使用要求。     

深孔爆破切顶对沿空留巷围岩稳定性影响的研究

为了在山西省南阳煤矿３２０７工作面顺利实施沿空留巷无煤柱开采,在靠近巷旁支护墙 的采空区侧进行超前深孔爆破预裂顶板,通过数值模拟计算和现场工业试验,进行了深孔爆破切 顶对沿空留巷围岩稳定性影响的研究。 以南阳煤矿３２０７工作面运输巷沿空留巷为背景,构建了 数值模拟计算模型,计算了留巷的顶、底板位移和墙体、煤帮的位移,分析了留巷围岩的应力分布 与变化。 数值计算表明,切顶后沿空留巷围岩应力和位移的减小幅度较大,围岩稳定性显著提 高。 现场工业试验研究表明,深孔爆破切顶能有效地消除悬臂梁顶板对留巷围岩的旋转挤压破 坏,有助于沿空留巷结构保持稳定和完整。     

薄直接顶大采高综采工作面切顶留巷合理参数研究

针对薄直接顶大采高工作面顶板垮落后不能及时充满采空区,造成上覆厚硬顶板在工作面侧向形成悬臂梁结构,进而向留巷侧传递覆岩压力导致留巷围岩破坏失稳的现象,以某矿12408工作面薄直接顶、厚硬基本顶条件为工程背景,采用理论分析、数值模拟和现场监测相结合的研究方法,研究了薄直接顶大采高综采工作面切顶留巷合理参数。建立了留巷顶板的力学模型,量化了未贯穿面的拉应力与切顶高度和切顶角度的关系,确定了未贯穿面拉应力随切顶高度和切顶角度的变化规律,得出了切顶角度一定时,未贯穿面处的拉应力与切顶高度近似指数函数规律分布,拉应力随切顶高度的增大而增大,且增长速率逐渐加快;切顶高度一定时,未贯穿面处的拉应力随切顶角度的变化曲线呈抛物线形,随着切顶高度增大,未贯穿面处的拉应力超过极限所需的切顶角度的范围也增大。数值模拟方法分析了留巷中锚索轴力变化系数的变化规律、区段煤柱和相邻巷道竖直方向应力的分布特征,确定了11 m的切顶高度和大于0°的切顶角度即可切断顶板间的应力传递。现场考虑到实际岩层赋存条件的复杂多变、爆破后切缝面的不平整性和贯通程度的差异性以及保证厚硬顶板在矿山压力作用下顺利垮落,采用13.6 m的切顶高度和10°的切顶角度,结合顶板垮落后的碎涨系数,理论验证了顶板垮落后的高度大于工作面实际高度,即垮落顶板能够及早支撑上覆岩层,减轻覆岩运动对留巷和煤柱稳定性的影响。现场监测到巷道顶底板及两帮变形量较小,围岩较稳定,验证了数值模拟结果的可靠性以及切顶卸压技术的可行性,可为类似条件的切顶留巷提供借鉴和参考。     

小纪汗煤矿工作面顶板破断结构对巷道矿压影响规律研究

针对我国西部矿区脆性煤体上覆厚层基本顶条件下二次采动时巷道围岩整体变形大与支护结构失效的工程难题,运用理论分析和现场实测的研究方法,对巷道上方基本顶破断结构及由此带来的巷道变形规律进行了研究。以工作面基本顶侧向破断的关键块为研究对象,详细分析了巷道上方基本顶结构由一次采动时的固支悬臂梁结构转变为二次采动时的双拱结构而带来的煤柱中的应力演化规律,给出了基本顶侧向破断长度与煤层厚度、基本顶力学特性、上覆载荷和区段煤柱参数的量化关系式,得出了不同破断结构下煤柱载荷的表达式。结果表明：工作面超前段基本顶侧向断裂形成的“双拱”铰接结构是造成该类巷道矿压显现剧烈的主要控制原因,不合理的区段煤柱宽度会诱发叠加应力作用,导致巷道整体变形与支护结构失效。研究结果可为相似工程条件下巷道围岩控制和合理区段煤柱的留设提供借鉴。     

厚煤层无煤柱沿空留巷围岩“卸压-支护”机理

为确定色连二矿厚煤层无煤柱开采沿空留巷时，巷道围岩切顶卸压及支护机理参数，采用理论分析、数值模拟、工程类比及工业试验的研究方法对留巷相关参数进行研究，研究表明：理论分析确定沿空巷顶板悬臂梁越短，顶板压力越小，留巷段稳定性随围岩切顶高度增加而增加，切缝孔窥视确定装药结构为3-2-2-2-2-1-0时，顶板围岩能够形成切缝面，切缝效果较好；数值模拟及现场工业试验研究表明，留巷段采用深浅部围岩”分层支护参数支护时，顶板锚索锚固围岩稳定，工作面动压影响留巷段距离为270.4m，巷道顶底板最大变形量为628.92mm，满足安全高效生产需要，研究为同类型地质条件矿井提供参考。     

高应力坚硬顶板切顶沿空留巷矿压规律研究

为了解决矿井采掘接替紧张、巷道围岩控制困难等问题，以某矿21100工作面运输巷为工程背景，提出采用切顶沿空留巷技术。理论分析了沿空留巷围岩结构运动特征，对切顶沿空留巷围岩变形情况进行数值模拟分析，提出沿空留巷围岩治理措施，并在现场进行了工程应用。研究结果表明:工作面基本顶“O-X”破断、采场周期来压引起留巷巷道上方基本顶岩层失去稳定性；提出以“切、补、护、支”为主的留巷围岩控制方法；留巷段两帮移近量最大为80 mm，顶板下沉量最大为138 mm，锚索最大应力237 kN，顶板全长累计离层量32 mm。研究可为类似地质条件下的切顶沿空留巷提供参考。     

综放开采沿空留巷围岩变形特征

为研究综放开采沿空留巷围岩变形特征,以山西铺龙湾煤业有限公司4102综放工作面为工程背景,从理论层面分析了沿空留巷围岩大变形机理,发现4102综放工作面沿空留巷围岩发生大变形主要原因是基本顶关键块体断裂回转使留巷位置由低值应力区变为高值应力区,在此基础上采用FLAC3D软件对沿空留巷围岩应力分布规律及变形特征进行分析。结果表明在支护初期巷旁支护体垂直应力为1.5 MPa,巷道围岩水平位移极小,当基本顶发生断裂后,巷旁支护体垂直应力增加,最大达3.22 MPa,此时的变形速率也达到最大,随着上覆岩层触矸,巷道围岩垂直应力及两帮变形速率也逐渐稳定。     

大采高工作面复杂应力扰动下切顶卸压沿空留巷技术

针对寺河煤矿3^#煤大采高工作面复杂应力扰动下留巷难度大、临空侧复用巷道围岩变形严重等问题,采用水力压裂技术对巷道顶板关键层位进行定向预裂,将临空侧煤柱上方悬臂梁切落,以减小悬臂梁上覆荷载及回转变形力,切断或大大削弱岩梁传递到护巷煤柱和留设巷道内的荷载,从根本上改善巷道的力学环境。结果表明:水力压裂法切顶卸压技术的应用,有效改善了留设巷道围岩应力状态,控制了留设巷道围岩变形,避免了巷道二次甚至多次返修,降低了巷道的支护难度和支护成本。