动压巷道多次扰动失稳机理及开采顺序优化研究

应用计算机模拟、现场实测和理论分析综合研究方法,分析了煤层群开采条件下的张集煤矿1113(1)工作面轨道巷多次扰动失稳机理,并对煤层群邻近层多工作面回采顺序进行了数值计算,再现了不同开采顺序下的底板动压回采巷道围岩力学环境。研究表明：目前采用的邻近层交错同采方式,1113(1)工作面轨道巷失稳的力学本质为,本工作面回采活化了已破坏的上覆层间似连续-非连续-散体结构,加剧了工作面前方受多重采动影响的轨道巷浅部高应力环境下的大范围持续强变形,突出表现为巷道底鼓强烈;回采顺序显著影响煤层群回采巷道围岩稳定性,下行开采下伏回采巷道受扰动程度最低,巷道变形及围岩破坏范围最小;邻近层对应同采,下伏工作面轨道巷受上覆工作面底板聚压影响区高应力、巷道开挖、本工作面开采扰动等多重因素叠加作用,巷道围岩破坏范围最大、变形最严重。煤层群开采采区设计中应尽量采用下行开采,同时避免或减少巷道受多次采动影响。     

覆岩裂隙带发育高度数值模拟与探测

根据锦丘煤矿开采技术条件和围岩力学参数等,建立了力学模型,运用三维显式有限差分法软件Flac3D对自开切眼至充分采动全过程覆岩随工作面推进时的应力、位移和破坏情况进行了数值模拟,由此确定了覆岩导水裂隙带高度。用经验公式对导水裂隙带高度进行了计算,并采用钻孔分段注水法对裂隙带高度进行了现场探测验证,证明数值模拟方法能提供较为理想的预测精度,从而为确定覆岩导水裂隙带高度提供了一种新的且简易可靠的方法。     

邻近层同采工作面动压巷道失稳机理及错距优化研究

针对邻近层同采工作面回采巷道受多次采动影响变形量大的问题,采用理论分析、数值模拟和现场实测的方法对邻近层同采工作面在走向和倾向上的不同错距进行了研究。结果表明:1)邻近层工作面同采过程中,上下两工作面间岩层受多重采动影响经历了连续—似连续—非连续—散体的过程;2)走向错距不同时,邻近层工作面支承压力峰值、围岩破坏范围和破坏程度由大到小依次为错距20 m、错距0 m、错距50 m、错距60 m;3)受多重采动影响,下工作面运输巷位移随工作面的临近呈现台阶式增加,经历了2次逐渐增加—明显增加—稳定的过程。采区设计应考虑邻近层工作面同采产生的多重采动影响,设计并优化得出合理的走向错距和倾向错距,改善工作面回采时采场围岩尤其是回采巷道围岩的力学状态。     

复杂地质条件下无煤柱护巷技术

基于沿空巷道受力特征、变形机理、影响因素理论,根据薄煤层沿空留巷围岩变形特征及对巷旁支护体的力学要求,确定了首采工作面运输巷巷内工字钢棚,巷旁木垛的支护方案,并运用三维显式有限差分法软件Flac3D对巷旁木垛中心距进行了数值模拟,研究结果表明最佳木垛中心距为2.4m.该方案在本工作面运输巷进行了工程实践,经现场观测,留巷高度最低保持在1.7m左右,顶底板下沉量小于500mm,满足工程要求.该技术为薄煤层沿空留巷提供了一种新的技术途径.     

采动和强承压水作用下大倾角断层防水煤柱宽度研究

针对煤层位于断层上盘的大倾角正断层防水煤柱的合理宽度留设,采用数力学理论分析和现场实测的综合研究方法,同时考虑沿煤层方向和沿煤层底板方向的复合作用,在沿煤层方向分别建立了煤柱采动影响区、弹性核区和断层裂隙带煤柱宽度的数学模型,在沿煤层底板方向深入分析了煤层底板抵抗水压破坏的力学机理,揭示了断层防水煤柱合理宽度影响因素的作用机制。研究表明,断层防水煤柱宽度的计算必须考虑采动矿压和断层裂隙带的双重影响;当断层下盘为特厚含水层时,防水煤(岩)柱合理宽度的计算还要考虑煤层底板能否抵抗承压水的破坏;最后形成了特大落差正断层防水煤(岩)柱合理宽度的计算方法。工程实践表明,所留设的煤柱宽度合理,经济效益显著。     

倾向条带矸石胶结充填开采技术研究及应用

根据充填开采的特点,针对某煤矿的煤层地质条件,对不同配比的充填体进行了实验室试验,结合现场最终确定了科学的充填材料配比和＂见七充四＂的泵送矸石充填方式。现场工业性试验表明该技术是成功且高效的,该成果已取得了明显的社会经济效益,对类似矿井有一定的借鉴作用。     

掘进煤巷瓦斯渗流模型及运移规律研究

以煤巷掘进时瓦斯渗流模型为背景,根据瓦斯渗流方程、瓦斯含量方程、瓦斯气体状态方程、连续性方程,建立了煤巷掘进过程中瓦斯渗流模型,基于Comsol Multiphysics软件模拟了煤巷掘进过程中用围煤体瓦斯运移规律.结果表明:巷道掘进后,周围煤体内瓦斯压力呈对称性分布,且随着径向距离的增加逐渐减小.随着时间的增加,距离巷道煤壁不同距离的瓦斯压力和瓦斯含量逐渐减小,当达到一定时间后,在巷道周围形成具有一定宽度的瓦斯卸压保护带.瓦斯渗流速度与径向距离呈负指数函数关系,巷道周围煤体瓦斯渗流速度随着径向距离的减小呈跨数量级增加,渗流速度在巷道煤壁处达到最大.现场测试结果与数值模拟结果一致,验证了数值模拟的正确性.     

采场底板围岩应力壳力学特征及时空演化

针对采场底板围岩三维应力场特征及演化规律，以谢桥煤矿1232(1)综采工作面为研究对象，采用综合研究方法开展了系统研究。结果表明:煤层回采过程中，伴随着采场围岩三维应力场的不断调整，在采场底板围岩空间区域也存在高应力束，高应力束在三维空间形成了采场底板围岩应力壳，应力壳壳体内外岩体主应力均低于壳体中的主应力。应力壳内边界之上垂直应力和水平应力均显著降低，部分岩层内压应力转化为拉应力，壳体和应力壳外边界岩层垂直应力降低，水平应力仍然较大，存在水平应力集中现象，三维应力场作用的选择性是采场底板围岩应力壳形成的内在力学本质。采场底板围岩应力壳形态随着采场结构的变化而调整，具有典型的短边依赖效应，破裂区和最大位移区主要发育在应力壳壳体内边界之上的低应力区内。采场底板围岩应力壳是抵抗底板岩层卸压膨胀、进而发展到拉剪破坏的主要集中力系，采场底板围岩应力壳的失衡可能引起较大的动力现象。     

断层影响下底板应力分布和破坏分析

采用FLAC5.02D数值模拟软件模拟了煤层开采过程中断层对底板应力峰值与塑性区变化的影响。对不同断层倾角,断层刚度和底板水压下底板应力峰值和塑性区变化进行了分析,同时根据现场实测,对有无断层条件下破坏深度进行对比。断层倾角越小,底板应力峰值越高,底板破坏区范围越大;断层倾角越大,底板破坏区范围越小,最终发展为“X”型。断层刚度的增加,没有对底板塑性区产生明显的影响,只是从断层带一侧改善了底板突水通道。随着底板水压的增大,塑性区范围没有明显变化,底板应力峰值的波动程度也不大。无断层存在,底板破坏深度为0~17 m;断层带的存在使底板破坏深度增大了135%。     

深井煤层底板卸荷扰动应力场展布形态研究

采用综合研究方法分析了煤层回采后底板岩层应力场变化特征和空间分布规律,结果表明:工作面回采初期,煤壁前方及开切眼附近最大主应力近似等于垂直应力,似“球根”状向底板岩层传播,高剪应力斜向采空区两侧未采煤层底板传播,并迅速衰减,水平应力集中程度微弱;工作面继续回采,围岩最大主应力场急剧偏转,底板岩层存在高应力束组成的主应力拱,垂直应力峰值线是深入煤体斜向工作面底板岩层按负指数规律衰减的曲线,采场附近垂直应力等值线升高区呈“耳”型分布,工作面后方采空区底板岩层出现滞后卸压现象,垂直应力等值线最终趋于“平底型”分布,卸压范围呈现倒“八”字型;煤层底板应力场具有继承相关性,且煤层底板方向应力场衰减速率远大于煤层顶板岩层。附加水平应力和剪应力沿采空区边缘在浅部岩层出现高度集中现象,之后急剧耗散。力学场偏转伴生出的拉应力、膨胀应力、挤压应力联合作用是底板岩层运动(底臌)的本质力源,煤壁前方底板岩层存在微弱的扰动变形,底板岩层裂纹势必超前起裂。