大采高综放面区段煤柱合理留设研究

侧向支承压力分布、资源回收率以及煤柱和巷道的稳定性是大采高综放面区段煤柱宽度留设要兼顾的因素,为了确定大采高综放面区段煤柱宽度,以某矿8103面为工程背景,首先,采用理论计算和现场应力监测等方法确定大采高综放工作面倾向支承压力分布规律,得出应力降低区宽度约为8 m,原岩应力区为巷帮侧28 m外。其次,采用工程类比方法确定大采高综放工作面巷帮外侧煤体严重破裂区宽度约为4 m。最后,采用FLAC3D数值软件分析了下区段工作面回采时窄煤柱（6、8 m）和宽煤柱（28、30 m）的应力场、位移场及塑性区特征,获得不同煤柱宽度时巷道和煤柱力学特征。研究表明：当煤柱宽度6 m和8 m时,在采动支承压力下煤柱几乎无承载能力,且巷道变形量较大;当煤柱宽度28 m和30 m时,在采动支承压力下煤柱中央仍有一定的弹性核,煤柱保持稳定且巷道变形量较小。综合考虑资源回收、巷道稳定性、次生灾害控制等因素,确定大采高综放工作面区段煤柱宽度为28 m。     

近距离煤层群开采遗留煤柱下沿空掘巷煤柱宽度研究

目前关于沿空掘巷煤柱尺寸及巷道围岩稳定性方面研究多为单一煤层,近距离煤层群开采遗留煤柱下沿空掘巷窄煤柱留设条件复杂,需考虑同一煤层侧向支承压力与上部遗留煤柱应力集中的双重影响。以新疆石梯子西沟煤矿东翼采区近距离煤层群开采为工程背景,综合采用理论分析、数值模拟和现场实测等方法开展研究。基于极限平衡理论建立1E302工作面沿空掘巷窄煤柱宽度计算力学模型,计算结果表明,工作面窄煤柱宽度不小于4.92 m,分析窄煤柱巷道围岩随界面黏结力和应力集中系数变化规律。FLAC3D三维数值模拟运算指出,受遗留煤柱应力集中作用影响,巷道应布置在煤柱边缘0～8 m,当煤柱宽度大于5 m时,煤柱中出现较稳定的承载核。理论计算和数值模拟综合确定窄煤柱宽度为5 m。工程实践应用表明,巷道支护效果良好。本文提出的近距离煤层群开采遗留煤柱下沿空掘巷窄煤柱宽度的确定方法,可为类似条件下窄煤柱合理宽度计算提供借鉴参考。     

复用回采巷道护巷煤柱合理宽度研究

为解决高瓦斯工作面双U型巷道布置中煤柱损失大、相邻工作面复用回采巷道维护困难的难题,综合采用理论分析、数值计算和现场试验的方法,研究得到煤柱宽度对相邻两工作面之间煤柱内复用巷道围岩应力分布和变形特征的影响规律：随着巷道一侧煤柱宽度的增加,巷道围岩垂直应力峰值向一侧移动,并逐渐远离巷道;当巷道一侧煤柱较小时,巷道以窄煤柱帮变形和顶板下沉为主,随着煤柱宽度增加,底鼓增大并成为巷道主要变形。以煤柱内应力峰值比值为指标,分析煤柱宽度与巷道稳定性的关系,并将不同宽度煤柱进行了稳定性分区。研究成果成功应用于工程实践,为类似条件下巷道布置提供依据。     

超长工作面过大断面空巷三维应力演化及综合治理技术

为解决超长工作面过大断面空巷极易发生片帮和大面积冒顶等难题,以晋城成庄矿某超长工作面为背景,建立大断面空巷的三维模型,将工作面顶板划分为煤柱顶板、空巷顶板和待采区顶板3部分。通过理论分析,推导了煤柱失稳的判据,并利用FLAC3D数值模拟分析了大断面空巷顶板应力演化过程。结果表明:煤柱宽度W≤40 m时,工作面超前支承应力与空巷超前支承应力在煤柱上叠加,煤柱开始发生塑性变形;W≤10 m时,煤柱顶板应力逐渐达到峰值16.6 MPa,煤柱发生破坏并失去承载能力,工作面超前支承应力向待采区转移,空巷顶板应力达到峰值12.7 MPa。根据空巷顶板应力演化规律,确定高水材料充填支柱支护的合理强度及空巷两帮煤壁注浆加固的时机,辅以空巷锚索梁补强,提出了大断面空巷综合治理措施,现场应用效果良好。      

特厚煤层区段防水煤柱稳定性评价及保护技术研究

留设合理宽度的区段煤柱是确保特厚煤层综放工作面顺利接续和安全回采的关键。为确保芦子沟煤矿3107特厚煤层综放工作面仰斜开采过程中,双侧采空煤柱能够稳定承载并有效隔水,分析区段煤柱覆岩结构特征,建立区段煤柱应力计算模型,理论计算了双侧采空煤柱应力,结合数值模拟及理论分析手段对煤柱稳定性进行综合评价。通过实施科学合理的深孔爆破切缝卸压方案,降低了3107工作面采动应力对煤柱的影响,优化了煤柱应力环境,提高了煤柱稳定性,保证了3107工作面的安全回采。研究结果对类似开采条件下的区段煤柱宽度确定及坚硬顶板条件下煤柱卸压具有一定意义。     

协庄煤矿残存防水煤柱注浆施工技术

协庄煤矿七采区二、四层煤露头防水煤柱遇到破坏，对矿井构成严重威胁。采用注浆加固技术方案，即采用矿井地质雷达从地表对二、四层露头煤柱的采空情况进行物探，查明老空区分布情况，选择合理的注浆线路，进行最佳注浆孔位布置，浆液优选和注浆参数优化设计，实践证明，残存防水煤柱注浆技术应用效果显著。     

孤岛工作面底板破坏深度微震测试与模拟分析

针对孤岛工作面煤层开采底板损伤问题,以河北葛泉煤矿11913孤岛工作面为研究对象,采用微震方法分析其底板破坏深度;并通过数值模拟对首采、跳采及孤岛3种工作面回采过程中围岩采动应力与底板破坏的规律进行了对比分析。微震测试结果显示11913工作面回采过程中微震事件主要发生在下巷,识别出工作面最大破坏深度20~25 m;基于COMSOL的11912首采、11914跳采及11913孤岛3个工作面数值模拟结果显示,11912首采与11914跳采条件下煤柱地应力集中状态变化不大,最大破坏深度小于11.56 m,仅发育至工作面底板的注浆改造层内部;而11913孤岛回采条件下,受到重复采动影响,工作面两侧煤柱应力集中状态骤增,最大破坏深度剧增至23 m,已发育至煤层底板的本溪组灰岩含水层。研究结果对于华北型煤田下组煤层开采底板破坏规律分析与不同类型工作面回采条件下底板水害防治有一定的参考价值。      

深井孤岛工作面巷道围岩采动应力分区演化特征

针对深井孤岛工作面煤巷大变形问题,采用现场实测手段研究了回采过程中巷道和采空区应力动态演化规律以及巷道围岩变形破坏演化特征。研究结果表明：深井孤岛工作面巷道围岩应力演化与变形破坏具有显著的阶段性特征,工作面前方大于250 m范围,巷道围岩未受采动影响,围岩应力变化较小且变形主要集中在底板与煤柱肩窝;工作面前方100～250 m支护结构受力增大,巷道浅部围岩破碎,顶底板移近及煤柱内挤变形突出,巷道出现明显的非对称变形破坏;工作面前方100 m为强烈采动影响阶段,尤其是在工作面前方20～22 m围岩垂直应力与空间主应力变化比较剧烈,顶底板移近与两帮内挤变形更加突出,巷道围岩表现出明显的大变形破坏特征。根据采空区应力分区特征分析了顶板覆岩结构的动态演化过程。结合应力与变形破坏演化特征,提出了巷道支护对策,以期为深井巷道围岩控制提供一定指导。     

注浆充填保水置换煤炭技术实践

新方矿井位于山东省潍坊市坊子区南部,区内地表水缺乏,地下水严重不足。新方矿井4201下山采区地质构造复杂,回采中断层带及附近易发生底板突水,影响工作面安全生产,需留设较多的断层防水煤柱,煤柱内压煤量大。为充分开采煤炭资源,同时有效保护煤层底板太古界花岗片麻岩水资源,确保矿井可持续发展,采用回采工作面超前注浆充填断层破碎带的措施,封堵底板导水裂隙,实现防止底板大量涌水,达到充分开采置换煤炭资源的目的。以该采区3#工作面为例,介绍了注浆钻孔的布置原则及施工过程,进而对保水效果进行了评价。回采证实,工作面注浆充填后,涌水量大幅降低,可确保工作面安全回采,同时有效保护了地下水资源,对减缓潍坊市"水量性缺水"现状起到了积极的作用。     

蒙陕接壤区深埋煤层开发过程中矿井涌水量变化特征

蒙陕接壤区侏罗系深埋煤层开采过程中,掌握不同阶段矿井涌水量变化规律,是保障煤矿安全的关键。从含水层发育特征、巷道掘进进尺、采空区半径等方面开展了相关研究,结果表明:蒙陕接壤区煤层顶板导水裂缝带范围内的3层复合含水层,富水性差异较大,分别对巷道掘进阶段和工作面回采阶段涌水量影响较大。煤矿建井阶段,矿井涌水量随着巷道掘进进尺增加而增加,但单位进尺涌水量变化不大,平均涌水量为0.008 32 m3/（h·m）。工作面回采前将钻孔水量降至5.0 m3/h以下,水压降至1.0 MPa左右,实现了顶板含水层静储量充分疏放目标。首采面和接续面回采阶段,矿井涌水量呈"阶梯式"平稳增加,矿井涌水量与采空区半径呈线性正相关关系。通过对侏罗系深埋煤层开采过程中矿井涌水量变化规律和影响因素的研究,可以为其他矿井建设和工作面回采提供安全保障和科学依据。      

特厚煤层小煤柱沿空掘巷数值分析及应用

沿空掘巷开采技术成功的关键主要取决于采场覆岩稳定的时间和沿空掘巷的位置。采场采动岩体运动导致围岩应力重新分布,动态采场应力作用于围岩并使其状态发生灾变是发生矿山灾害的根本原因。特厚煤层分层综采巷道布置（包括内错、外错和垂直）,合理确定煤柱尺寸、巷道支护方式和参数选择能够最大可能发挥围岩的自承能力,是提高巷道稳定的重要保证。在稳定的内应力场范围内布置小煤柱护巷,能够明显提高巷道围岩稳定状态,减少巷道维护费用。通过理论分析、数值模拟和现场实测等方法,对特厚煤层下分层沿空掘巷小煤柱不同巷道布置设计,通过煤柱的应力、应变和位移进行对比分析,确定特厚煤层下分层沿空掘巷合理的巷道位置和煤柱尺寸及上覆岩层防控技术,并得到工程验证是正确可靠的,从而为特厚煤层小煤柱开采技术提供了重要的科学依据。     

废弃矿井防隔水煤岩柱计算研究

羊场湾煤矿Ⅱ020601工作面位于羊场湾煤矿二号井西北侧,主采6煤。Ⅱ020601工作面紧邻已关停的磁窑堡煤矿。为了核实磁窑堡煤矿采空区与Ⅱ020601工作面回采之间煤柱留设是否足够,确保工作面安全回采,分析了工作面回采后的导水通道,计算了导水裂缝带发育高度及塌陷角距离,进一步核实了煤柱留设距离,为工作面防治水提供了依据。     

基于定向水平钻陷落柱综合探查与阻水塞立体建造技术

导水陷落柱导致的底板奥灰突水是同煤集团塔山矿的主要水害威胁,矿井8228工作面巷道掘进过程中曾发生陷落柱突水。为查明此导水陷落柱发育边界及其内部充填破碎体分布特征,并对陷落柱进行针对性注浆治理,在井上下综合物探勘探的基础上,采用分层多分支地面定向水平钻钻速录井、钻井液漏失量、岩屑录井、随钻测井等综合探查技术手段,结合数据统计分析,查明导水陷落柱的发育边界、影响带范围和破碎体胶结情况及其分布特征。结果表明,导水陷落柱的长短轴分别为410、200 m,破碎区主要分布在靠近工作面突水巷道运输巷掘进工作面右前方。利用Surpac软件对陷落柱空间结构和发育特征进行三维地质建模,并根据柱体充填物破碎程度将其刻画分区为主通道区、裂隙区和次生裂隙区。针对陷落柱破碎体不同分区,利用定向水平钻进控制技术和阻水塞立体建造注浆工艺分区控制技术,通过充填、挤密、劈裂等不同注浆工艺,对工作面导水陷落柱进行截源、加固等综合治理,最终实现工作面安全回采。定向水平钻分层多分支陷落柱综合探查与治理技术为其他类似工程提供重要的借鉴意义。      

煤层底板破坏的断层效应模拟及其在防治水中的应用

梁北煤矿已发生5 次寒武系灰岩底板突水事故,造成重大经济损失。根据矿井的水文地质条件,建立了煤层开采的FLAC 数值模型,利用岩石力学及渗流力学理论,分别模拟了无断层和有断层条件下煤层底板采动破坏带的演化规律,重点讨论了断裂深度及断层空间位置对底板破坏深度的影响。结果表明,断层的存在可使底板采动破坏深度增加20%~33%,断层是突水重点防范区域,遇断层前10 m 直到过断层15 m 须加强防治水工作。根据模拟结果设计了梁北矿11041, 11151,11111 三个工作面底板的注浆加固工程,重点注浆层位分别为底板破坏范围和寒武系顶部裂隙发育带,注浆工程增强了底板的阻水能力,实现了工作面的安全回采。     

采动裂隙“O形圈”时空演化规律及注浆应用

采动覆岩离层注浆充填技术对工作面隔离煤柱的尺寸有严格要求,已完成布置的工作面实施离层注浆时改变煤柱宽度较为困难,因此会对该技术的实施造成一定影响。基于此,对采动裂隙“O形圈”时空演化规律开展了理论分析和相似模拟研究,提出了采动裂隙“O形圈”注浆技术,并在夏店煤矿注浆工作面成功进行应用。注浆结束后的地表岩移成果表明,隔离煤岩柱整体支撑能力满足离层注浆承载要求,3119工作面注浆总量未发生异常,“O形圈”注浆对煤柱加固作用明显,3117面地表并未发生异常沉降。     

地面注浆加固技术在深部巷道厚层破碎围岩中的应用

淮南某矿井胶带机巷离地表深度约730m,在掘进中遇到岩体破碎带。由于破碎带厚度大,且富含水,造成了巷道变形严重,无法贯通。在分析矿区地质条件的基础上,实施了地面预注浆技术来加固破碎岩体：采用定向分支孔钻进技术以减小钻场征地面积和节约钻进工程量;运用飞管技术加固造斜段钻孔孔壁;根据窜浆钻孔的孔间距及井下漏浆点位置,确定浆液扩散半径;根据漏浆量及巷道变形观测结果确定注浆对巷道影响区的范围,并依此调整注浆参数和注浆结束标准。最后提出了地面注浆期间须加强井下巷道监测的建议。     

回采巷道片帮机制及控制技术研究

根据大采高工作面回采巷道帮部围岩的特点,采用断裂损伤理论、弹塑性理论建立了巷帮围岩层裂板结构力学模型,分析了霍州煤电辛置煤矿回采巷道帮部围岩失稳机制,并将注浆锚索支护方式首次应用于巷道帮部围岩的片帮治理。研究表明：回采巷道帮部围岩内部存在大量的裂纹,在高应力的作用下裂纹扩展发育,巷帮围岩演化为层裂板结构,当作用在巷帮围岩上的多重支承压力大于最小临界失稳载荷时即发生片帮;随煤岩体弹性模量、层裂板厚度的增大,层裂板发生失稳时破坏范围扩大;采用注浆锚索支护巷帮时浆液能够填满巷帮围岩深部裂隙,使巷帮围岩成为一个整体,提高了巷帮围岩支护结构的承载能力,控制了巷帮围岩片帮的发生。     

直墙半圆拱巷道爆破震动数值分析

为利于判断巷道围岩在爆破荷载作用下的稳定性及巷道内壁混凝土衬砌的安全,采用ANSYS/LS-DYNA分析了巷道钻爆法掘进爆破荷载作用下震动区岩体的动力响应。结果表明,近区岩体内部爆破压力、单元有效应力、质点振动速度随爆心距的衰减规律基本符合萨道夫斯基经验公式,单元有效应力与质点振动速度的衰减规律具有很强的相关性;巷道围岩临空面上的质点振动速度以沿巷道方向的振动速度为主,巷道横截面内垂直临空面方向次之,横截面内沿临空面方向为最小。巷道同一横截面处各质点的振动波形基本相同,拱顶的振动速度峰值比帮部的要大10%左右,拱与帮的连接处振动速度峰值较小。巷道围岩沿巷道方向临空面上质点振动速度衰减规律也基本符合萨道夫斯基公式,以上分析结果对采用钻爆法进行岩巷施工时,控制近区震动区爆破荷载对结构的影响具有一定的指导作用。     

基于条带式充填开采的离层注浆减沉技术研究

在浅部资源渐趋枯竭的背景下,针对大量“三下”压覆煤炭,离层注浆减沉技术越来越受到广泛应用。不过目前条带式充填开采基础上的离层注浆工艺研究还比较欠缺,结合邢台某矿条带式充填开采+离层注浆减沉实践,通过充填后采高等效换算,条带开采工作面注浆关键层优化、邻空工作面注浆孔位确定和注浆压力持续控制等关键技术,实现了条带式充填开采回收以往煤柱的地表沉降控制,地表沉降幅度在30mm以内,补充了不同条件的离层注浆工艺研究,对以往条带式开采矿井剩余煤柱的绿色回收有重要意义。     

双重采动影响下复采煤层巷道稳定性分析与维护方案设计

为了解决薛虎沟煤矿复采煤层回采巷道受双重采动影响下的支护问题,经现场观测,部分巷道顶板存在上部空巷与煤体并存现象,增加了支护难度。通过理论分析和数值模拟的方法对2-106A2巷道在双重采动影响下围岩稳定进行了受力状态分析,并对原支护方案进行了校验,结果表明原支护方案不能满足此条件下的巷道稳定,需要对巷道顶板和右帮(2-106B工作面侧)采取补强支护。利用数值模拟的方法对2-106A2巷道采取补强支护方案后的围岩稳定性进行了分析,模拟结果表明所设计的补强方案合理。另外,在现场采用十字布点法对2-106A2巷道受双重采动影响230 m这段巷道进行了围岩变形量观测,巷道顶板下沉最大量195 mm,左、右两帮移近量分别为124 mm、265 mm,巷道顶板破碎区变形得到了很好的控制,实现了工作面的安全高效回采。