条带式Wongawilli开采煤柱系统突变失稳机理及工程稳定性研究

对于条带式Wongawilli新型减沉开采技术,煤柱失稳直接导致地表沉陷,影响建(构)筑物的安全,采用突变理论和损伤本构方程,建立了采硐间狭窄煤柱和条带煤柱失稳的尖点突变模型。计算分析了条带式Wongawilli开采煤柱系统工程稳定性及突变影响参数,得出了窄煤柱与条带煤柱的突跳压缩量计算公式,通过工程实例计算与数值模拟验证了结果的合理性。研究结果表明:采硐狭窄煤柱满足突变失稳的必要条件,其所受载荷、屈服刚度和峰值载荷压缩量决定着突变的发生;当采高在2~6 m变化时,采留宽度比需控制在0.16~0.75,才可保证系统不产生突变失稳。条带煤柱保持稳定则要求其核区率大于17%,在弹塑性区宽度比小于0.21的情况下,条带煤柱可能发生突变失稳。     

条带式Wongawilli开采煤柱失稳覆岩破坏分析

为研究条带式Wongawilli开采煤柱失稳覆岩破坏机理及岩层移动特征,结合赵屋煤矿15号煤连采一区地质采矿条件,采用理论分析、现场实测、公式计算及相似模拟相结合的方法,建立了条带式Wongawilli开采煤柱系统模型,分析了煤柱失稳机理及其对覆岩的影响。研究表明:条带式Wongawilli煤柱系统中,个别损害或者不规则(有尖角)煤柱在矿山压力及地下水侵泡等不良因素的共同作用下可能发生破坏失稳,进而引发相邻煤柱失稳,产生"多米诺"效应,从而导致整个煤柱系统失效;煤柱一旦发生失稳,开采工作面由非充分采动转化为充分采动,加剧覆岩破坏,导致地表塌陷。     

条带煤柱渐进破坏特征与机制试验研究

为研究条带煤柱渐进破坏规律与特征,研制了条带煤柱渐进破坏试验装置,并运用该装置进行了不同加载速率下大尺寸原煤试件渐进破坏试验,分析了条带煤柱渐进破坏机制及特征。试验结果表明:条带煤柱由边缘向内部渐进破坏,煤柱边缘中部偏上位置首先发生破坏,然后向边缘两侧发展;煤柱中上部侧向变形最大,最下部次之;煤柱试件尺寸较大,包含较为明显裂隙组,呈现出不均匀片帮式破坏;煤柱抗压强度随加载速率的减小呈现出先增大后减小趋势、侧向变形随加载速率的减小呈现逐渐增大的趋势。在加载速率由0.01 mm/s减小至0.000 5 mm/s过程中,抗压强度从8.346 MPa先增大到16.491 MPa,后逐步减小到8.135 MPa;侧向变形增大了33.40%。     

保留条带煤柱内部变形破坏演化规律研究

为研究保留条带煤柱内部变形破坏演化规律,对岱庄煤矿条带煤柱在相邻工作面开采前后进行了不同深度横向变形观测.根据观测结果,确定了该条带煤柱塑性破坏区的宽度,分析了完全破碎区、塑性破坏区和弹性核区对顶板及覆岩的不同支撑作用.认为采空区垮落顶板对上覆岩层也有支撑作用,从而减小了覆岩对条带煤柱的压力.但进入采空区后,其破坏和变形过程会保持一段较长时间.     

条带式开采回收部分防水煤柱主要参数确定

合理回收防水煤柱内的煤炭资源,对于增加整个矿井的煤炭资源采出率和提高经济效益具有重要意义。介绍了平煤股份十三矿在己15,17-11011工作面采用条带式开采,实现对防水煤柱内的部分煤炭资源进行回收的技术,对条带式开采煤房和煤柱宽度参数的确定进行了研究。     

条带开采煤柱稳定程度的研究

根据我国条带开采的实际情况，本文提出了条带煤柱应力及强度的计算公式，进而分析了冒落条带及充填条带煤柱的稳定程度，并提出了保持煤柱稳定所需留设的煤柱尺寸及条带开采宽度。     

条带开采中煤柱稳定性分析

系统地分析了条带开采中煤柱稳定性问题。通过多个实例计算的对比分析，建议采用Ｗｉｌｓｏｎ强度公式进行一般地质采矿条件下条带煤柱强度的计算。从煤柱强度分析出发，导出了任意方向弱面的剪力强度安全系数计算式；建立了顶底板通过摩擦作用施加给煤柱的儿拉压应力引起的煤柱屈服区宽度变化的简化计算式；从３向受力状态角度分析了侧限力对增加煤柱强度的机理问题；还强调了煤柱载荷与采出率之间的非线性关系和条带开采设计中应注     

条带煤柱及其覆岩破坏灰色关联度分析

采用灰色关联分析原理和方法,在以往研究影响条带煤柱及其覆岩破坏因素的基础上,利用灰色关联分析法构建了灰色关联度分析评价模型,以量化方法解决了评价指标因素排序问题,得出各影响因素的顺序,最终确定出主要影响因素。研究分析表明,在选取的煤层埋深、煤层开采厚度、开采宽度、煤柱宽度和煤柱强度这5个主要影响因素中,煤层开采深度和煤层开采厚度变化对评价条带开采煤柱稳定的各项因子最敏感,其次是煤柱开采宽度,而煤柱强度以及煤柱宽度的变化影响相对于其他因素要偏小些,清楚地显示出影响条带煤柱及其覆岩稳定的主要因素和次要因素。     

条带煤柱的受力观测与分析

通过对韩桥煤矿建筑群下多煤层条带开采工作面的条带煤柱受力观测，分析了条带煤柱的受力状况，得出了条带煤柱的强度和稳定性足以能长期有效地支撑上覆岩层，达到减小地表移动变形，保护地面建筑物的目的。     

深井宽条带开采煤柱稳定性及地表移动特征研究

采用现场实测、三维相似材料模拟、数值模拟和理论分析,对深井宽条带法开采煤柱稳定性及地表移动特征进行研究。研究表明:深井开采其煤柱塑性区的宽度明显增大,条带煤柱承载应力分布为明显马鞍形;煤柱横向变形主要集中在边缘9.5 m内,且呈现非连续、阶跃式、突变形态。随着煤柱留设宽度的变小,煤柱塑性区宽度显著增加,条带群开采地表下沉达到了该地质采矿条件的极值,下沉系数为0.22,下沉盆地面积大,但平缓且较均匀,移动变形连续且周期长,在下沉盆地外边缘出现了地表反弹轻微抬高的现象。针对深井宽条带法开采的特点,提出了深井宽条带法开采煤柱尺寸的计算设计方法。     

旺格维利采煤法刀间煤柱宽度优化研究

条带式旺格维利采煤法是一种新型高效减沉采煤法,对优质边角煤回收、控制地表下沉、提高工作面安全性等方面均具有重要意义,相较于美国、澳大利亚对旺格维利采煤法成熟的理论研究和丰富的生产实践,我国目前尚处于小范围应用阶段。为研究旺采条件下的煤柱特征,以河东矿L21001旺采工作面为背景,分析了旺采条件下的刀间煤柱受力特征,得出了旺采刀间煤柱尺寸的计算方法,提出了两种不同的刀间煤柱留设方案,并利用FLAC3D数值模拟软件分析了不同尺寸刀间煤柱下的塑性区、巷道位移及围岩应力特征,提出了保障工作面安全回采的措施。结果表明,L21001工作面初采阶段刀间煤柱总宽度为60m;1.5m宽刀间煤柱起临时支护作用,随着工作面的推进,刀间煤柱随采随垮或者短时间内就失去支撑能力,采用1m刀间小煤柱配合3.5m刀间大煤柱时,小煤柱随采随垮,但大煤柱承载能力较强,可以保障连采机回收完整条支巷;当采硐采出后,顶板出现空顶,原岩应力向周围有支撑的煤柱转移,在煤柱周围形成应力集中,应力集中系数为2～3,煤柱有效承担了上覆岩层的载荷,使巷道及其上覆岩层处于应力降低区内。现场实测表明,支巷中部巷道的表面位移大于支巷两端,方案二顶板下沉量更小、围岩塑性区范围也较小,优化后的煤柱留设方案具有较高的可靠性,在保证安全高效生产的前提下实现了经济效益最大化。     

条带开采煤柱长期稳定性评价及煤柱设计方法

煤柱在地下水、风化作用等多种因素的作用下会发生剥离和尺寸缩减,使煤柱发生渐进性失稳破坏。基于煤柱的渐进性剥离行为和剥离体的堆积特性,建立了煤柱的非均匀剥离模型;分析了煤柱剥离的影响因素、煤柱安全系数与煤柱剥离的关系,建立了条带煤柱长期稳定性评价方法;讨论了采出率、地表沉陷控制和煤柱长期安全系数的协同关系。分析表明:煤柱的剥离与煤的碎胀系数、休止角和采宽采厚比有关,可利用剥离角确定煤柱的极限破坏程度。煤柱的宽高比越大,剥离对其稳定性的影响程度越小。该模型适用于条带煤柱长期稳定性评价。     

利用矸石充填置换开采条带煤柱的新技术

提出了在煤柱中掘进巷道并利用矸石回填以置换开采出部分条带煤柱的新技术.研究了条带开采后煤柱中充填巷的布置位置、数目,并分析了置换开采前后上覆围岩的稳定性.提出在条带煤柱集中布置2条宽4.0 m、高5.0 m的矸石充填巷,巷间煤柱宽4.0 m,并进行了工程实践.结果表明,提出的矸石置换开采技术可有效控制地表变形在I级的前提下,置换开采出条带开采留设煤柱的15%左右的煤量,同时实现矿井矸石井下处理,做到矸石不上井.     

浅埋近距离煤层开采房式煤柱群动态失稳致灾机制

针对我国西部矿区浅埋近距离煤层房采煤柱下开采时易发生工作面压架、地表台阶塌陷以及矿震灾害的现象，采用物理模拟及数值模拟方法对下煤层工作面采动时上覆房采煤柱群的动态失稳过程及工作面压架机理开展研究。实测统计榆阳区部分矿井本煤层房式开采后，只有当房采煤柱的弹性核区比例大于31%时，房采煤柱才能处于长期稳定。下煤层采后的模拟结果表明:上覆房采煤柱的破坏形式及其失稳次序同其与下煤层工作面相对位置密切相关，房采煤柱依次从工作面开切眼位置、工作面位置、采空区中部位置发生破坏及失稳，且工作面开切眼和工作面位置处煤柱多发生顺向采空区的斜切破坏，而采空区中部煤柱则发生垂向压裂破坏。根据石圪台煤矿数值模拟结果显示，上部2-2煤层房采后煤柱支承应力峰值由原岩应力2.8 MPa增大至12 MPa，应力集中系数为4.28;当下部3-1煤层工作面采后，上覆2-2煤层房采煤柱的支承应力峰值增大至30 MPa，应力集中系数达10.71;下煤层工作面开切眼侧与工作面正上方的房采煤柱呈现垂向不均匀承载特征以及受水平拉伸变形影响，是导致边界处房采煤柱易出现对角斜切破坏模式的主因。两侧边界煤柱失稳后，其顶板岩层瞬间发生整体拉剪破断从而引发矿震，顶板多层岩层以“整体运动”的形式急剧快速下沉并撞击底板，将采空区中部上方的房采煤柱压垮压塌，同时巨大的冲击力进而导致上下煤层间的岩层发生全厚切落，造成下煤层工作面发生切顶压架。实验发现从上覆房采煤柱群首个煤柱发生破坏至整体失稳运动并达到稳定，历时仅约为0.45 s，其中，上下煤层之间的岩层发生全厚切落历时仅约为0.05 s。     

建筑物下急倾斜煤层条带开采的煤柱设计

以北京木城涧煤矿大台井建筑物下压煤开采为例,提出了急倾斜煤层开采条件下条带煤柱尺寸的确定方法和伪斜条带煤柱与边界煤柱相结合的条带布置方案,为急倾斜煤层开采地表沉陷控制提供了理论依据。     

薄基岩浅埋旺采工作面覆岩运移特征研究

 为了掌握薄基岩浅埋旺格维利法回采工作面覆岩运移特征,以神东公司榆家梁煤矿42216旺采工作面为研究对象,通过理论计算和现场监测等技术手段,得到适合神东矿区自身特点的线性支架压力监测、顶板下沉和片帮观测和地表移动监测方案,提出薄基岩浅埋旺采工作面的极限悬顶面积的计算方法,结果表明,旺采工作面在开始回采时,顶板压力显现不明显,随着悬顶面积的增大,顶板压力极不稳定,压力时大时小,当直接顶经强制放顶或自然垮落后,顶板压力逐渐趋于稳定,随着短壁工作面向前推进,顶板压力呈现周期性特点;旺采工作面地表塌陷具有突然性、台阶状的特点。     

房柱法矿柱回采人工假柱尺寸理论计算及采矿工艺

房柱法是缓倾斜薄矿体开采的主要方法之一,而房柱法矿柱回采是国内外均面临的重大技术难题。以南温河钨矿为工程背景,先采用理论计算人工假柱尺寸,然后就矿柱回采工艺及预期经济效益预算进行了研究。研究表明:1)人工假柱跨度平均为11m,尺寸不小于4.35m,人工假柱养护龄期不得少于20d;2)试验采场内预计回收矿柱矿石量3 895.417t,矿柱直接经济价值为495.37万元,利润311.92万元。通过试验阶段矿柱回采,能够为南温河钨矿今后矿柱回采大范围推广奠定坚实的基础,也为今后类似矿山矿柱回采提供了宝贵的借鉴意义。