沿空留巷顶板下沉量计算及分析

基于支架-围岩整体力学模型,利用位移变分原理研究了沿空留巷时基本顶在给定变形下直接顶的受力、变形情况,探讨了顶板下沉量与巷内、巷旁支护阻力、直接顶厚度、巷道宽度及充填体宽度之间的相互关系.结果表明:巷内支护阻力对顶板下沉量几乎没有影响;顶板下沉量随巷旁支护阻力的增大而减小;直接顶厚度在2.5 m以内时,顶板下沉量变化不大;而直接顶厚度大于2.5 m时,顶板下沉量随直接顶厚度的增加而显著减少;巷道顶板下沉量随巷道宽度的增加而加大;巷道顶板下沉量随充填体宽度的增大而增大.     

沿空留巷顶板稳定性分析及其控制

 根据沿空留巷上覆岩层的后期活动规律，将顶板变形视为“给定变形”，建立顶板力学模型，采用变分法，推导顶板下沉量计算公式。依据具体的地质力学参数，验证力学模型的合理可行性，并研究分析顶板下沉量与各影响因素之间的定量关系。通过分析表明，在直接顶弹性模量较大时，巷旁支护阻力的变化对顶板下沉量影响不大；在直接顶弹性模量较小时，巷旁支护阻力对顶板下沉量影响较大。直接顶厚度在3~11.5m范围内变化时，随着直接顶厚度增加，顶板下沉量明显减小。当巷内和巷旁支护阻力较高时，顶板下沉量随着直接顶弹性模量增大而明显增大；当巷内和巷旁支护阻力较小时，直接顶弹性模量的变化对顶板下沉量影响较小。顶板下沉量与巷道宽度、煤层厚度、巷帮塑性区宽度、顶板旋转角度成线性增大的关系，与巷帮煤体残余强度、充填体宽度成线性减小的关系，与巷帮煤体弹性模量成反比例关系。根据各影响因素与顶板下沉量之间的关系，提出巷内支护采用“分期联合支护”，巷旁采用“超前复合加固”等控制沿空留巷顶板稳定性的措施。     

沿空留巷顶板下沉规律及其影响因素分析

针对沿空留巷顶板下沉量大、控制十分困难的问题,在分析沿空留巷顶板下沉规律的基础上,利用能量守恒原理,建立了沿空留巷顶板下沉力学模型,推导出顶板下沉量的计算公式,并对顶板下沉的影响因素进行了定量分析和灰色关联度敏感性分析。结果表明：某矿沿空留巷顶板下沉量计算值为371.45 mm,较好地吻合现场测量值,理论计算公式是准确的。顶板下沉随巷道宽度、采高的增加而增大,随直接顶厚度、巷内支护阻力、煤帮侧向支护阻力、巷旁充填体宽度和充填体弹性模量的增加而减小;对沿空留巷顶板下沉的敏感度大小的影响因素依次为采高、充填体弹性模量、充填体宽度、直接顶厚度、巷内支护阻力、巷道宽度、煤帮侧向支护阻力,其关联度分别为0.96、0.73、0.68、0.52、0.28、0.13、0.04。研究结果可为有效控制沿空留巷围岩变形提供依据。     

固体充填采煤沿空留巷顶板下沉影响因素研究

为研究不同因素对固体充填采煤沿空留巷顶板下沉的影响,分析了固体充填采煤沿空留巷的覆岩移动特征,基于Winkler地基假设,建立沿空留巷顶板力学模型。以济三煤矿63下04(南)-2运矸巷为工程背景,分析探讨巷道宽度、巷旁支护阻力、巷旁支护体宽度、采空区充实率与巷道上覆顶板下沉的关系,结果表明:顶板下沉量随巷道宽度的增加而增加、随巷旁支护阻力增加而减小、随巷旁支护体宽度增加而降低、随充实率的增加而降低。现场实践中,巷道宽度4.2m,巷旁支护体宽度4.5m,采用锚带网联合支护对巷道进行加固,采用垒砌矸石墙加混合充填体的综合支护方式进行沿空留巷的巷旁支护,实测得工作面后方留巷巷道两帮最大移近量230mm,顶板最大下沉量300mm。     

综放沿空留巷顶板下沉规律与控制

针对综放沿空留巷顶板下沉控制困难问题,揭示了综放沿空留巷顶板下沉规律,建立了顶板下沉力学模型,结合损伤力学和能量守恒理论,推导出了顶板下沉量的理论公式,在此基础上对其影响因素进行了分析,提出了综放沿空留巷顶板下沉控制对策,并进行了工程应用。结果表明:顶板下沉量理论计算公式与现场实测值基本一致;各因素对顶板下沉影响程度依次为:巷旁支护体宽度、直接顶有效弹性模量、基本顶给定载荷、关键块破断位置、巷旁支护体有效弹性模量、巷内支护阻力、巷道宽度、顶煤有效弹性模量。顶板下沉控制对策应围绕关键性影响因素进行,据此提出"锚网索+高强度墩柱+木垛"耦合支护方式,即采用锚杆+锚索+高强度钢筋网进行巷内耦合支护,巷旁采用高强度墩柱支护,并用木垛进行巷旁加强支护。工程应用表明,综放沿空留巷围岩变形稳定,顶板下沉得到了有效控制。     

屯兰矿沿空留巷巷旁支护体的稳定性研究

以西山煤电集团有限责任公司屯兰矿18205运输平巷为研究背景,采用理论分析,数值模拟和现场工程实践相结合的方法分析巷旁支护体的稳定性。建立力学模型,计算得出巷旁支护体的切顶支护阻力和合理的充填宽度;建立数值计算模型验证合理的巷旁充填宽度为2.5m;现场工程实践表明计算得出的巷旁支护宽度可以有效控制围岩变形,巷旁支护体和顶板下沉量小,围岩变形量小。     

高瓦斯综采工作面沿空留巷充填体宽度优化

针对潞安余吾矿区巷旁充填体的沿空留巷现场充填宽度不足,导致巷道稳定性得不到保证且巷道变形较大的问题,理论分析了综放尾巷留巷巷旁充填体的受力特点和变形特征,并利用FLAC~(3D)对沿空留巷期内围岩变形特征进行数值模拟,确定了巷旁充填体的最优充填宽度。结果表明:巷旁充填体对巷道围岩的作用具有在短时间内可达到高强度、高阻力状态,并具备上佳的变形性能,从而实现非采煤帮、充填体和冒落矸石共同承但围岩压力;巷旁充填体宽度取值为1.5 m时,此时充填体宽度无应力集中向少应力集中的过度,峰值应力变化最为明显从8.3MPa增加到12.6 MPa,在此情况下,巷道围岩变形量较小,观测点实测结果显示,顶底板移近量分别为331.3 mm和280.7 mm,两帮移近量分别为225.4 mm和171.7 mm,巷道围岩变形主要以顶板下沉为主,沿空留巷段巷旁支护基本满足围岩控制要求。     

无煤柱开采巷道围岩稳定性分析

综合考虑沿空留巷围岩变形、采场覆岩运动规律及巷旁支护结构的特点,将沿空留巷顶板结构简化为采空区矸石、巷旁充填体及巷帮煤体共同作用的弹性力学模型,计算了该条件下的支护反力,利用控制变量的方法分析了影响支护反力的主要因素是充填体宽度和充填体弹性模量,得出了巷旁充填体压缩量计算公式。在此基础上,通过UDEC数值模拟方法,模拟了沿空留巷顶板关键岩块在弹性支撑条件下的应力状态,分别得出了充填体宽度及弹性模量与顶板下沉量的关系。综合以上分析,确定了赵官煤矿1705工作面沿空留巷巷道围岩控制方案。     

深井孤岛煤柱工作面沿空留巷支护技术研究

以车集煤矿深井孤岛煤柱工作面为工程背景，探究深井高应力孤岛煤柱工作面沿空留巷充填体—围岩变形机理；构建沿空留巷围岩力学结构模型，计算出沿空留巷支护所需充填体的宽度及强度，并通过FLAC^3D软件模拟、现场监测验证了充填体宽度和强度的合理性。研究结果表明：孤岛煤柱工作面沿空留巷采用高水充填材料巷旁充填技术，以充填袋成形方式进行充填，可使充填体有效接顶；采用“锚杆锚索联合支护+巷旁充填体”方式进行煤柱中巷支护时，合理的充填体宽度为4.0 m,应力达到8.0 MPa时巷道变形趋于稳定。现场监测结果表明：23下工作面开采30 d内，煤柱中巷最大顶板下沉量不超过50 mm,充填体帮部变形不超过40 mm;回采结束后30 d内，顶板下沉量不超过20 mm,充填体帮部变形量最大为348 mm,煤帮变形量较小，最大处为150 mm,沿空留巷效果良好。     

切顶卸压技术在高水材料沿空留巷中的应用研究

为解决西山煤电集团公司西铭煤矿42206巷沿空留巷切顶卸压技术关键问题，建立巷旁充填体条件下的切顶力学模型与充填体支护阻力计算式，并对爆破切顶参数、巷道支护方案、高水材料充填巷道流程进行设计。结果表明：巷旁充填体所需支护阻力为1 342 kN/m，巷道采用单体液压支柱+锚杆支护+铰接顶梁+菱形金属网挡矸支护方案可以有效维护巷道围岩，实施切顶后，端头液压支架应力值由13～16 MPa降低至10～14 MPa。     

沿空留巷坚硬顶板关键块稳定性研究

为了减小沿空留巷巷道的变形量,确定巷旁充填体支护阻力大小,通过理论计算确定关键块的长度和沿空留巷时支柱所需的切顶阻力。采用数值模拟软件建立关键块顶板的力学模型,分析巷道围岩变形及应力分布特征,分析应力变化与关键块断裂存在的关系。结果表明:根据煤矿的坚硬顶板条件以及大结构中关键块的断裂位置及特征,选择0.6 MPa的支护切顶阻力在控制巷道变形量方面效果明显。     

再论我国沿空留巷技术发展现状及改进建议

在2006年发表的《我国沿空留巷支护技术发展现状及改进建议》一文的基础上,总结了21世纪以来我国沿空留巷技术的新发展,包括巷旁充填的施工工艺与方法,由高水、膏体充填发展为柔模墙体及超前柱式支护,使得支护强度和隔绝密闭性有了极大地提升,并且具有了一定柔性以适应顶板的下沉;经过20余年的发展,沿空巷道巷内基本支护具有了高预紧力、高强度、高刚度和大延伸率的特性,能够有效控制巷道围岩的大变形,实现及时主动支护,并普遍辅以单体支柱作为巷内补强支护,进一步保持围岩的稳定性与完整性;统计分析了部分沿空巷道的支护形式及留巷效果,愈发说明了沿空留巷的成功与否是巷旁支护和巷内支护共同作用的结果。介绍了无巷旁充填切顶卸压沿空留巷新技术,包括卸压原理、切顶方法、切顶参数及切顶后巷内的支护方式及其工程应用等。阐述了近年来我国在沿空留巷理论研究方面取得的新成果,包含充填体的切顶阻力和支护阻力,充填体与围岩之间的相互作用关系及受力变形特征,切顶卸压沿空留巷的围岩活动规律及其与支护体之间的相互作用关系等。指出了我国沿空留巷技术在巷旁支护、巷内支护及相关理论研究方面存在的技术问题与科学问题。最后从支护设计、围岩控制、研...     

切顶条件下“煤柱-充填体”协同承载性能及巷道稳定性分析

为了分析在切顶条件下不同“煤柱-充填体”支护对巷道围岩稳定性的影响，以某矿1226综采工作面运输巷为研究背景，通过理论分析与数值模拟相结合的方法，对切顶条件下应力转移过程和不同“煤柱-充填体”支护时垂直应力变化规律展开研究。研究结果表明：“煤柱-充填体”支护条件下，切顶时运输巷实体煤侧巷帮的垂直应力相对于未切顶时降低了9.5%,护巷煤柱侧巷帮的垂直应力降低了45%,运输巷两帮水平变形和巷旁支护压缩变形分别降低了21%和30.8%,即利用切顶卸压技术可以实现运输巷围岩应力及变形的双重优化，有利于运输巷围岩的长期稳定；巷旁支护垂直应力是影响巷道围岩稳定的主控因素，巷旁支护垂直应力平均降低速率随着充填强度的增加呈线性增加趋势，最大为5.8%,巷旁支护垂直应力平均降低速率随着煤柱宽度的增大呈先增后降趋势，最大为13.6%;根据“煤柱-充填体”协同承载性能变化对巷旁支护垂直应力的影响规律，拟合了不同煤柱宽度和充填体强度与巷旁支护垂直应力之间的函数关系式。在切顶条件下，留设护巷煤柱宽度为7.5 m、充填体强度为6.5 MPa时，对巷道围岩稳定的控制效果较好。     

切顶条件下综放沿空留巷充填体承载特征及合理宽度研究

超前工作面致裂顶板卸压配合巷旁充填的留巷方式,是解决综放工作面留巷难的有效途径之一,而巷旁充填体参数合理化设计是该留巷方式成功的关键。构建切顶高度范围内采空区等效承载本构关系,推导切顶条件下综放沿空留巷充填体支护阻力表达式,结合赵家寨矿12209工作面沿空留巷的工程地质条件,计算充填体合理宽度和变形量范围。基于对切顶高度范围内采空区承载本构关系的数值反演,揭示充填体承载特征并确定充填体合理宽度值。研究结果表明：采空区断裂岩层与矸石经历由接触到逐渐压实的过程中,采空区压缩位移不断增大,充填体支护作用不断减小;理论计算得到充填体最小宽度为1.95 m;随着工作面推进,充填体承载力呈先急剧增长、再快速增长、最后稳定3个阶段变化,并与采空区矸石承载特征保持协调关系;确定赵家寨矿12209综放工作面充填体合理宽度为2.2 m,工程实践表明,巷道围岩稳定性较好,实现了对该类巷道围岩稳定性控制。     

煤矿大断面托顶煤巷道围岩变形破坏机理

为了解决煤矿大断面托顶煤巷道支护难题,借助理论分析、数值模拟等方法对王庄煤矿7105工作面运输巷围岩变形破坏机制进行研究,分析了不同巷道断面、顶煤厚度在无支护时的围岩塑性区、位移场、应力场的演化规律。结果表明,顶煤厚度对大断面托顶煤巷道的稳定性影响重大,顶板下沉量随顶煤厚度增加而变大;随着巷道断面的扩大,围岩塑性区相应增加,两帮和顶板变化较大,底板无明显变化;适当减小顶煤厚度,即增大巷道高度,可有效控制巷道顶板变形,但应对巷道两帮加强支护;若巷道宽度,即跨度增大,顶板的位移量增加,应补打锚索加强顶板支护。监测结果显示,基于此结论设计的支护方案能有效地控制围岩变形。     

切顶沿空留巷卸压机理及支护技术研究

云驾岭矿9号煤上覆厚硬岩层,采场矿压显现强烈,采用传统的沿空留巷方法围岩控制难度大。以云驾岭矿19103工作面运巷为背景,分析了切顶沿空留巷厚硬直接顶力学平衡条件,得出巷旁需提供不小于1046 kN的支护阻力。采用数值模拟的方法对比了沿空留巷在厚硬直接顶条件下切顶与不切顶时围岩变形及应力、塑性区的分布规律,结果表明：切顶后采空区顶板更容易垮落,留巷顶板稳定时下沉量仅为同期不切顶时的28.2%,切顶后留巷侧顶板垂直应力变小、水平应力增大且围岩塑性区向顶底板深部转移,揭示了预裂切顶卸压的机理为阻断工作面动压的传递以及诱导采空区顶板提前冒落接顶承压,水平应力增大的原因为切缝两侧形成的长、短“悬臂梁”变形的结果。提出了针对厚硬直接顶切顶留巷的顶板控制理念为集中支护切缝端、适当让压和形成“组合悬臂梁”,采用了“长、短锚索+单体液压支柱+可缩性U钢梁”的综合支护技术及挂网喷浆的密闭措施。现场工业性试验效果良好,切顶后留巷顶板锚索受力峰值在350 kN左右,围岩稳定后巷道规格满足二次复用的条件。     

深井切顶留巷顶板错动判据与支护参数量化研究

切顶留巷顶板支护方式主要为主动支护与临时支护.研究留巷期间顶板主动支护与临时支护之间的量化关系,确定切顶留巷顶板支护参数量化关系,可为支护参数设计及稳定性控制提供理论依据.以祁东煤矿7135工作面为工程背景,研究切顶巷道走向及倾向不同层位顶板变形规律,获得直接顶与基本顶的协调变形特征.分析直接顶与基本顶协调变形力学特征,建立切顶留巷直接顶与基本顶组合力学模型,以锚杆发生剪切破坏为临界指标,获得层间错动判据,并以此分析临时支护刚度、锚杆预紧力及锚杆支护间排距之间的量化关系.通过引入埋深因素,分析不同埋深临时支护与主动支护的量化关系.提出工程实践中:为提高留巷期间巷道顶板稳定性、控制顶板下沉变形量,可通过增加巷内临时支护体数量、提高支护刚度、减小锚杆支护间排距及提高锚杆预紧力等方法实现.结合祁东煤矿7135工作面回风巷留巷期间顶板控制效果,验证了支护设计的合理性.     

坚硬顶板中厚煤层“恒阻让-抗”巷旁支护方法

以某煤矿16015工作面巷道为背景,探讨了中厚煤层坚硬顶板条件下巷旁控制机理,提出了"恒阻让-抗"巷旁支护方法。该方法将恒阻体与高强不可压缩体结合组成巷旁支护体,在保证充填体不被损坏下,允许顶板"可控"下沉,实现了对巷道顶板"给定变形"和"限定变形"的有效控制。根据巷道顶板特征,确定了恒阻体的让压高度为0.4 m,恒定支护阻力为15 MPa。利用数值模拟方法,确定了充填体的宽度为1.8 m,抗压强度为25 MPa。现场试验表明,"恒阻让-抗"巷旁支护方法能够保证较好的留巷效果,巷道能满足安全生产的需要。     

坚硬顶板下“有限变形”巷旁支护沿空留巷

基于薄煤层坚硬顶板下沿空留巷的矿压显现规律,建立了巷旁支护模型:在充填处预设顶板下沉量,充分利用煤壁的承载能力;采用单体支柱与矸石带联合支护充填区域顶板的支护,并采用卸压钻孔辅助切顶,及时切断巷道顶板与采空区顶板的联结,充当巷道支护的保护岩块。利用数值模拟软件FLAC~(3D),分别模拟了3个临时支护方案下的沿空留巷效果,通过比较3个方案下的顶板下沉情况、顶板回转角情况,确定了采用矸石带与单体支柱来联合支护顶板。实践表明,滨湖煤矿16105工作面沿空留巷时,混凝土充填体宽度取2.0 m,高度为1.5 m,留巷效果较好,基本满足下一工作面的生产需要。     

无巷旁充填切顶卸压沿空留巷矿压显现规律及关键支护技术

为系统研究无巷旁充填切顶卸压沿空留巷矿压规律及关键支护技术,理论分析了无巷旁充填切顶卸压沿空留巷矿压显现规律,基于恒源煤矿Ⅱ632机巷工程实践,在巷道内布设位移观测点和顶板恒阻锚索测力计对巷道变形及恒阻锚索工作阻力进行连续观测,得到巷道在留巷期间巷道变形量、变形速率及恒阻锚索受力的变化规律。结果表明:切顶之后,由于顶板快速下沉所产生的冲击载荷,留巷围岩变形剧烈,尤其是强烈的底鼓现象;留巷段围岩变形受动压影响,变形更加剧烈;无巷旁充填切顶卸压沿空留巷顶部恒阻锚索总体平均受力为259.721 k N,最大受力达到275.76 k N,当工作面推过测点后,恒阻锚索受力趋于稳定;提出了"强化恒阻锚索配合锚杆(索)支护以增加顶板支护强度"、"当底板较软时,适当强化底板支护"和"注意留巷阶段的加强支护"的无巷旁充填切顶卸压沿空留巷关键支护技术。