煤柱下开采应力分布特征的数值模拟研究

煤层群近距离开采时上层煤留下的煤柱势必形成应力集中,对下层煤的安全开采和巷道布置造成不利影响。文章以鲍店煤矿为背景,采用数值模拟的方法对工作面推进不同位置时的应力分布进行了研究。研究表明:当工作面由煤柱下向采空区下推进时,煤柱应力叠加范围为60 m,最大应力集中系数为5.68,应力集中系数高,影响范围大,是冲击地压的重点监测和治理区域。这一研究结果对于近距离煤层的安全开采和巷道布置、支护设计都有一定的指导意义。     

上覆煤柱影响下工作面应力场分布变化规律

为了研究近距离煤层群下行开采过程中,下煤层工作面受到上覆煤柱影响形成高应力区后,导致顶板垮落、冲击地压、煤壁片帮、瓦斯爆炸等煤矿灾害的发生问题,本文运用FLAC~(3D)软件,分别对厚度为1m、2m、3m、5m的上覆煤柱作用下位煤层开采前及开采过程中顶板应力分布动态变化规律进行数值模拟与分析。研究表明:①在下煤层未开采前,上覆煤柱会使下煤层处于应力集中状态;当煤柱厚度增加时,下煤层顶板支承应力场峰值、应力集中系数和应力集中区域范围逐渐减小,支承应力场峰值始终处于煤柱中心线附近。②随着工作面推进距离的增加,采区前方应力集中区域范围逐渐减小,支承应力场峰值及集中系数先增大后减小;在工作面推进过程中,煤柱厚度越小,工作面前方顶板支承应力峰值、集中系数和集中范围越大,应力集中区域与工作面的距离越小,越应注意防止冒顶、顶板破碎等矿井灾害事故的发生。     

近距离煤层出煤柱矿压显现规律数值模拟

基于晋华宫矿浅埋近距离煤层7-4#煤8709工作面开采出上覆遗留煤柱的工程背景,以FLAC3D模拟软件模拟了近距离煤层工作面出煤柱时,覆岩垂向应力时空演化规律。结果表明:工作面在推进至距煤柱边界-12.5~0 m时,工作面覆岩垂直压应力值先急剧增大后缓慢减小;在距煤柱边界-5 m时应力集中系数达到最大值2.22,此时工作面极易发生大面积冒顶,甚至压架事故。     

大同矿区双系煤层开采煤柱影响下的强矿压显现机理

针对大同矿区石炭系煤层8105工作面过上覆侏罗系煤层采空区留设煤柱时的强矿压显现特征,采用理论与现场实测分析相结合的方法,对侏罗系煤层采空区煤柱的应力影响规律与石炭系煤层顶板的垮裂带范围进行了分析,得到了双系煤层开采煤柱影响条件下工作面强矿压显现的“煤柱-覆岩运动”联合作用机理。研究表明：侏罗系煤层采空区留设煤柱的水平与垂直应力较高,达10.5～13.5 MPa,应力集中区深度为40～70 m,剪应力波及范围达180 m;8105工作面顶板的垮裂带高度为150～170 m;工作面过煤柱时的强矿压显现是由采空区煤柱与煤层顶板垮裂运动联合作用的结果。     

无煤柱开采条件下煤岩体支承压力的数值模拟

基于煤层的开采引起上覆岩层大范围移动和应力重分布,尤其是工作面周围煤岩体的承载应力变化这一理论,运用ANSYS对无煤柱开采进行数值模拟,观察到在开采过程中采空区上方煤岩在3个主应力方向均出现裂缝,且裂缝沿着工作面推进方向向前扩展,由此初步得到在开采影响下采空区上方的煤岩体内裂缝分布及发育情况;依据数值模拟结果,拟合出工作面周围煤岩体应力环境曲线,即减压区、增压区和稳压区3个区;通过计算得出无煤柱开采过程中支承压力集中系数的范围为2.54~2.96。同时由小煤柱的宽度与应力集中系数的关系发现：柱宽越大,相同条件下的集中系数越小,并且增幅越小。     

房柱采空区遗留煤柱对下煤层开采的影响

为研究房柱采空区遗留煤柱对下部近距离煤层开采的影响规律,掌握该条件下工作面回采的矿压显现特征,采用数值模拟和力学分析方法,研究了大地精煤矿房柱采空区煤柱集中应力的影响深度以及下部煤层开采顶板的破断规律。结果表明:房柱采空区底板岩层应力随煤柱的分布呈周期性变化,3#煤层开采老顶活动受上部煤柱应力集中的影响,从而破断岩块,易发生滑落失稳,严重威胁了下部煤层的安全开采。     

基于不规则煤柱应力场特征的冲击地压防治研究

针对近距离煤层群开采过程中上煤层开采遗留大量不规则煤柱严重影响下煤层开采的问题，以济三煤矿183_下05工作面为研究对象，利用FLAC^3D数值模拟软件建立三维数值模型，对上煤层工作面遗留不规则煤柱应力场进行深入研究，分析上煤层遗留煤柱形成高应力区对183_下05工作面的影响，研究结果表明：在采空区侧向支承压力叠加影响下，三角煤柱区和窄煤柱区应力集中程度较高；随着煤柱宽度减小，应力集中程度进一步增大，冲击危险性相应增加，煤柱易失稳诱发冲击地压；3_下煤层工作面开采期间，受3_下煤层工作面超前支承压力与侧向支承压力影响，煤柱支承压力增高，并将会引起3_下煤层局部应力升高程度进一步升高，煤体将会处于高承压状态，并且工作面开采侧煤柱应力集中程度明显高于采空区侧。通过采取煤体大直径钻孔卸压和顶板超前预裂爆破两种卸压措施，有效降低了该区域的冲击危险性，实现了安全开采。     

浅埋近距离房柱采空区下顶板活动规律与支架支护强度计算

为了保障浅埋近距离房柱采空区下方综采工作面的安全高效开采,以大地精煤矿为工程背景,采用数值模拟和理论分析的方法分析了房柱采空区下综采工作面的顶板活动规律以及支架的合理支护强度。结果表明:2#煤层采留煤柱的应力影响深度约为20 m,对于3#煤层老顶活动规律和支架的支护强度产生影响;在房柱采空区下,综采工作面的破断失稳方式呈现滑落失稳和回转失稳的周期性变化趋势,同时分析得到了残留煤柱产生的应力集中系数约为1.30。理论计算结果表明,在该类条件下一般浅埋工作面的合理支护强度为0.82~0.93 MPa,考虑残留煤柱的应力集中可以得到房柱采空区下综采工作面的合理支护强度为1.07~1.21 MPa。     

解放层下工作面开采边界煤柱优化

针对某矿一采区煤层解放层下工作面在相邻采空区条件下开采的问题,采用UDEC数值模拟软件对下分层工作面内错、外错或平齐上分层煤层煤柱一定水平距离时巷道顶底板和两帮变形量进行研究,优化下分层煤层边界煤柱,使下分层工作面巷道受上方煤柱影响程度达到最小。研究表明,当下分层工作面开采边界煤柱内错上分层10~30 m(即开采工作面煤柱宽85~105m)时,工作面巷道顶底板和两帮变形量较大,巷道变形严重,在该地质条件下,工作面开采边界煤柱宽度以10~30 m为宜。     

浅谈深部开采冲击地压的预测与防治

可能发生冲击地压的范围:(1)采空区周围;(2)采掘工作面通过上层或上部遗留煤柱及其他应力集中区;(3)石门揭露冲击地压煤层;(4)采煤工作面超前压力影响区;(5)断层或大型地质构造附近;(6)同时开采的2个以上的采煤工作面应力叠加区;(7)邻近煤层或本煤层中开采边界和残留煤柱的影响区;(8)孤岛采煤。     

基于半平面体理论的煤柱底板应力传递规律

为了对煤柱底板应力传递规律进行深入研究,根据弹塑性力学中半平面体理论,建立了煤柱底板传递力学模型,结合应力叠加原理得到煤柱底板应力分布计算公式,并利用Math CAD得到了煤柱底板的垂直应力和水平应力云图。以大同矿区侏罗系煤层为例,分析了不同类型煤柱底板的垂直应力和水平应力的分布特征。分析得到:煤柱的垂直应力的应力量值和影响范围最大,在应力传递的过程中起到了主导作用;边界煤柱底板的垂直应力集中区影响深度范围最大,大区段煤柱(20 m)次之,小区段煤柱(10 m)最小。对煤柱的不同布置方式的底板垂直应力进行了分析,煤柱重叠布置使得底板应力集中区的深度和范围增加。以大同侏罗系煤层群开采为实例,重叠煤柱综合作用下,3-5#煤垂直应力为12.4~17.3 MPa,较无煤柱条件下提高了1.3~6.2MPa。在125~280 m对应的区域垂直应力升高明显,建议3-5#煤层工作面回采巷道布置尽量避开该区域。     

基于相似材料模拟特厚倾斜煤层煤柱应力演化规律研究

为研究特厚倾斜煤层开采时煤柱应力变化状态,结合抚顺矿区老虎台矿特厚煤层开采现状,针对83003综放面和73005综放面构建力学模型。采用相似材料模拟实验对煤柱应力进行监测,得到了应力演化规律,根据实验结果对现场布置合理的防治冲击地压措施。研究结果表明:煤层赋存越深,煤柱受采动影响的应力值越大,应力集中系数呈增长趋势,变化范围为1.09~3.12;73005综放面和83003综放面之间的煤柱应力明显高于模型边界煤柱应力;工作面之间的煤柱受开采影响次数越多,煤柱应力值越大;工作面推进时,上覆岩层的垮落使岩层中的应力充分释放,随着采空区逐渐压实,应力值有所回升。通过相似材料模拟研究,对工作面的开采进行指导,运用煤层注水、卸压钻孔和加强支护等措施对冲击地压进行防治,达到了理想的效果。     

房柱式开采遗留煤柱骨牌式失稳数值模拟

唐公沟煤矿技术改进前3-2煤层采用的是房柱式开采方式,在进行下位4-2上煤层开采时,顶板的相应区域将受到3-2煤层采空区遗留煤柱的影响而产生应力集中,易造成4-2上煤层开采时两巷片帮、冒顶,工作面煤壁片帮。通过建立UDEC数值模型,研究了4-2上煤层工作面推进过程中3-2采空区遗留煤柱的骨牌失稳现象,分析得出了4-2上煤层工作面位移变化规律及不同煤柱宽度对骨牌失稳效应的影响。     

双煤层不规则煤柱应力—能量演化规律及防冲技术研究

煤矿开采遗留煤柱区域往往是高应力和能量聚集区,多煤层开采条件下,当上部遗留煤柱与工作面煤柱重叠时,多重应力作用下煤柱区应力分布及能量演化更为复杂,工作面回采过程中易发生动力现象。以某矿双煤层开采遗留不规则煤柱区开采为背景,采用数值模拟和工程实践等方法,研究了工作面开采过程中煤柱区的应力分布、能量演化规律,建立了不规则煤柱区冲击危险监测体系,并制定了针对性防冲方案。结果表明:不规则煤柱区应力集中程度受采动影响较高,煤柱内高静载是影响工作面冲击危险性的主要因素;工作面回采临近煤柱时,“双层”煤柱中应变能积聚程度显著高于采空区下单层煤柱;现场微震分析可知,高能事件多分布于煤层中,煤柱为能量积聚释放的主体;钻屑法与应力在线监测结果表明煤柱区域为高应力集中区。根据数值模拟及现场监测结果,提出了煤体大直径卸压方案,并进行了效果验证。     

近距离下煤层过遗留煤柱应力集中区研究

在我国,近距离煤层赋存和开采所占比重很大,吕梁矿区木瓜煤矿层间距小于10 m的可采储量占总储量的80%,上煤层已采完,回采工作面间遗留20 m区段煤柱,对下部煤层回采造成一定影响,所以,研究近距离下煤层过遗留煤柱应力集中区具有重要的现实意义。针对木瓜煤矿近距离上煤层采空区、遗留煤柱下巷道维护和矿压显现严重的技术难题,基于近距离煤层上部煤层开采遗留煤柱应力集中会在底板中传递的规律,对下煤层应力影响范围进行了理论计算;并结合10-103工作面的生产技术条件,采用现场矿压监测方法,对工作面上部、中部、下部位置的液压支架监测数据进行分析,采取工作面调斜和加强超前支护措施,对近距离下部煤层过遗留煤柱应力集中区具有一定的指导意义。     

近距离煤层煤柱及采空区下综采工作面矿压规律研究

为了研究近距离煤层上部区段煤柱和采空区对下煤层综采工作面开采的影响,运用FLAC~(3D)数值模拟和工程实践相结合的方法,研究了三交河煤矿2~(-2)-601综采工作面在上覆已采煤层留设煤柱和采空区下开采时的应力分布规律。结果表明:综采工作面在煤柱与采空区下的矿压显现呈现不同规律:煤柱下方液压支架的最大工作阻力大于采空区下支架载荷;在周期来压时,煤柱下方液压支架的循环末阻力比采空区下方增加了332.1 k N,平均来压步距增加1.07 m,而动载系数下降了8%;煤柱两侧边界下方载荷高于煤柱中部下方载荷,并在煤柱中心线处出现峰值,煤柱正下方及边缘两侧各10 m为影响区域。     

上覆煤柱下工作面支承压力分布特征

为研究上覆煤柱下工作面开采支承压力动态变化规律及分布特征,采用FLAC3D软件对下煤层工作面由采空区下向上煤层煤柱下推进过程中煤体垂直应力场进行了模拟。通过对工作面推进过程中走向支承压力、倾向支承压力的动态演化特征分析得出:当工作面在采空区下向煤柱下推进时,随着工作面不断接近煤柱边缘,走向支承压力分布形态由"双峰"变为"单峰",且峰值不断增大。     

上覆遗留区段煤柱对下伏煤层开采扰动影响研究

上覆遗留区段煤柱导致底板应力环境改变,而下伏采场在开采扰动和遗留区段煤柱底板高应力双重作用下极易出现剧烈矿压问题。根据遗留区段煤柱对底板应力的扰动传播规律,研究了下伏煤层开采前后上覆遗留区段煤柱对底板应力的扰动演化机制,计算分析了遗留煤柱区域下伏煤层开采的扰动宽度范围;应用FLAC3D数值软件模拟了上覆遗留区段煤柱影响下下伏煤层开采的扰动破坏特征;现场实测验证分析了遗留区段煤柱对下伏煤层巷道布置及采场来压的影响。结果表明:下伏煤层开采前遗留区段煤柱对下伏煤层的扰动范围与煤柱宽度和层间距呈正相关关系,但层间距对扰动范围的影响更为显著;下伏煤层开采后,在采动及遗留区段煤柱底板高应力叠加作用下,下伏采场推进方向由煤壁向采场前方深部,扰动宽度较下伏煤层开采前呈增加—减小—稳定趋势,并在超前支承压力峰值处宽度达到最大;煤柱宽度20 m时,下伏煤层开采后的最大扰动宽度可由开采前的30 m增加至36 m,增加20%,扰动角由32°增高至45°,增高40.6%,超前支承压力峰值较开采前也增加了14.8 MPa;且现场回采时,遗留煤柱区域下伏采场来压步距均值28. 3 m,较采空区下来压步距均值20.5 m增加约38%,动载系数增高约7.1%,应加强遗留煤柱扰动范围内的顶板维护,确保下伏采场安全开采。     

刀柱采空区上行开采应力分布规律数值模拟

针对大同矿区刀柱采空区安全上行开采问题,运用UDEC数值模拟软件研究了刀柱采空区形成时和上行长壁开采过程中采场应力分布特征以及刀柱煤柱的塑性区分布规律。研究表明:下煤层刀柱开采引起刀柱煤柱应力集中;上行开采引起刀柱煤柱应力分布的进一步演化,根据各刀柱煤柱受采动应力的影响将其分为应力降低区、应力升高区和应力稳定区;主关键层初次破断时,超前位于上行工作面下方的刀柱煤柱应力峰值及塑性区分布范围达到最大。晋华宫矿刀柱采空区上行开采底板位移观测情况验证了研究成果的可靠性。     

近距离煤层开采过煤柱矿压显现规律研究

当上方煤层采用留煤柱形式开采时,在采煤柱下方的工作面的矿压显现特征会明显不同于全部垮落法开采的矿压显现。为分析某矿过煤柱时的矿压显现特征,采用现场实测的方法进行研究。研究结果显示,下方工作面在过上方煤柱时应力最大值7.2 MPa,应力集中系数为1.18;工作面开采过程中受到上方煤柱影响出现应力集中的范围是14 m,进入煤柱前1m开始受到影响,出煤柱后1 m影响开始消失。