A new coal pillars design method in order to enhance safety of the retreat mining in room and pillar mines

Most of the proposed methods for coal pillar design determine pillar dimensions using pillar load estimation only through the tributary area theory. Designing pillar based on these methods is not appropriate in room and pillar mines with pillar recovery because retreat mining and gob creation generate abutment loads. Neglecting abutment loads in design stage may lead to pillar failure and destructive effects during retreat mining. Thus proper pillar design has a remarkable effect on mining safety. In this paper, a step-by-step method is presented to design pillars with square shape in room and pillar mines with regard to existing pillars in the active mining zone (AMZ) and estimating abutment loads according to experimental equations. A decrease in pillar failure risk during retreat mining is the most significant benefit of this method. This method has been applied to determine optimum pillar dimensions in the main panel of Tabas Central Mine (TCM), located in the mid-eastern part of Iran. Obtained results show the abutment loads account for 27% of the total loads applied on pillars in AMZ in this panel. Pillar width, based on this method, is also obtained 11.6 m.     

浅埋房式采空区覆岩结构及对下位煤层开采的影响

房式采空区留设大量不同尺寸煤柱,采场覆岩结构复杂。为了研究霍洛湾矿浅埋2-2煤层房式采空区覆岩结构特征及其对下位3~(-1)煤层开采的影响,应用理论分析、数值计算、相似材料模拟等方法,确定了2-2煤层房式采空区覆岩结构类型,揭示了不同类型覆岩结构应力场分布特征及其对3~(-1)煤层矿压显现的影响特征。结果表明:2-2煤层房式采空区覆岩结构分为房柱稳定覆岩结构、房柱失稳覆岩结构、20 m煤柱覆岩结构、50 m煤柱覆岩结构4类;在房柱稳定、房柱失稳覆岩结构下3~(-1)煤层处于卸压状态,垂直应力降低8%~14.3%,在20 m煤柱、50 m煤柱覆岩结构下3~(-1)煤层处于应力集中状态,垂直应力增加5%~32%;揭示了3~(-1)煤层开采时不同覆岩结构下工作面超前支承力分布特征,在20 m煤柱、50 m煤柱、房柱稳定及房柱失稳4类覆岩结构下超前支承应力集中系数分别为4.10、3.85、2.76、3.62;不同类型覆岩结构下3~(-1)煤采场覆岩运动特征稍有差异,房柱稳定、房柱失稳覆岩结构下3~(-1)煤层工作面来压步距为12~14m,20 m煤柱、50 m煤柱覆岩结构下来压步距为10~11 m;相似模拟表明,3~(-1)煤层过20 m和50 m大煤柱时,煤体发生弹射现象,预计实际开采时工作面可能发生动载矿压等动力灾害。     

基于重整化群理论的采空区煤柱群临界失稳概率研究

为对房柱式采空区煤柱群安全稳定性进行客观评价,以概率分析为手段结合重整化群理论,深入研究了煤柱个体与相邻煤柱之间的荷载传递规律及煤柱群-顶板系统临界稳定性。得出结论:重整化群理论可适用于采空区煤柱群稳定性分析,确定煤柱群临界概率范围为0.147≤p*≤0.333;煤柱失稳荷载传递过程中的损失程度可用荷载传递系数α衡量,临界破坏概率p*随着荷载传递系数α的增加而递减;针对不同工况,需通过试验或现场实测获得传递系数α,才能准确的确定煤柱临界概率p*。     

考虑采空区压实效应的沿空掘巷煤柱设计方法研究*

为建立1种相对科学的沿空掘巷煤柱尺寸设计方法,采用理论与数值试验研究、现场试验等手段,基于采空区压实效应,分析各尺寸煤柱沿空掘巷掘采全过程围岩应力分布与变形。研究结果表明:采空区压实效应模拟研究方法能够模拟采空区应力恢复;掘巷过程中,煤柱内应力由小到大依次为:工作面倾向水平应力、工作面推进方向水平应力、垂直应力,在小尺寸煤柱内呈偏向采空区一侧的单峰分布,小尺寸煤柱逐渐向大尺寸煤柱过渡期间,内部应力量值开始比原岩应力小,随后逐渐增加至出现一定的应力集中,而实体煤帮中峰值应力不断降低,位置逐步向巷帮转移;受超前采动作用后,更大面积的煤柱会受高应力作用,大尺寸煤柱内垂直及水平应力集中系数逐步提高,工作面倾向的高应力区范围更广,当煤柱宽度不超过一定数值时,内部应力大小均低于掘巷过程中相应数值,大煤柱则具有相反的规律,实体煤帮中应力集中系数与掘巷时相比更大,峰值点向围岩深处进一步转移;研究结果通过工程实践检验,可为合理煤柱尺寸设计提供1种新的方法。     

考虑煤岩体成拱效应的工作面区段煤柱合理尺寸研究

为研究综采工作面面间煤柱留设宽度及加固范围,以陕西铜川玉华煤矿一采区为工程背景,首先建立采空区上覆岩土体自重荷载向煤柱传递的传力拱模型,通过求解传力拱模型,对采空区上覆岩土体荷载向煤柱的传递机理进行分析研究。再结合极限平衡理论与刚塑性理论,给出煤柱最小留设宽度与煤帮加固范围计算式。进一步对传力拱影响范围的各参数进行分析,结果表明:当开采宽度小于临界值,煤柱留设宽度随工作面埋深、工作面倾向长度增大而增大,随顶板材料黏聚力、内摩擦角的增大而减小;开采宽度超过临界值时,作用在煤柱上的荷载发生绕流现象。最后根据研究结果进行工程验证,巷道表面位移观测结果说明所设计的煤柱尺寸合理可靠。研究结果对类似开采条件下的区段煤柱宽度确定具有参考意义。     

复采残采煤层小煤矿开采技术研究

平顶山市新华区为全国重点产煤县 (区 ) ,区内煤矿以乡镇小煤矿为主 ;小煤矿井田多位于平顶山煤业集团大型矿井浅部报废水平内 ,主要开采残留煤柱和采后剩余底部煤层。笔者根据新华区小煤矿生产的特点 ,总结、规范了复采残采煤层小煤矿井田开拓、采煤方法 ,重点研究了房柱式采煤法采准巷道布置和采煤工艺 ,特别是保持煤房稳定、提高采煤工作面安全生产的特殊支护问题 ;同时结合小煤矿生产中存在的主要问题 ,依据煤炭行业的法律、法规 ,提出了小煤矿采煤方法改进的技术措施。上述研究成果 ,对规范我国小煤矿的采煤方法、提高小煤矿的安全生产能力、推动小煤矿由数量型向质量效益型转化、发展地方经济都具有重要的现实意义。     

分区协同开采下矿柱力学响应与稳定性分析*

为解决某钒铁矿经多年开采后,由于钒铁矿矿区赋存条件变化导致开采相互制约、资源利用率低、矿柱积压矿量大以及井下采空区隐患大等问题,制定“保钒采铁、分区协同”的开采方案。通过矿柱强度理论对矿柱的强度和承受载荷进行计算,进而通过矿柱安全系数来判断矿柱的稳定性。通过FLAC3D软件对东、西区铁矿体进行数值模拟研究,通过对开挖后的位移云图、应力云图以及塑性区分布图来分析矿柱的稳定性。研究结果表明:针对某钒铁矿东、西区提出的嗣后膏体微胶结充填法及中区提出的分段空场法转分段崩落采矿法可提高矿柱的稳定性。     

近距煤层无煤柱协调开采布局研究与应用*

为了解决老母矿近距煤层的开采难题,通过理论分析并利用FLAC 3D数值模拟软件进行模拟,分析出煤层前后推进150 m是最合理的步距，侧向采动支撑压力在15~50 m内存在影响。基于这些理论数据，确定回采巷道的合理位置,进而确定以内错距离范围为30~60 m的内错式布置方式布置巷道和无煤柱协调开采布局，并进行井下工程应用。最后把无煤柱协调开采布局与双巷掘进开采布局对比，得出无煤柱协调开采布局的先进性和优势，研究结果可为同类条件下的工程应用提供借鉴。     

小煤柱巷道围岩变形的力学机理及演化过程研究

为研究小煤柱巷道围岩变形力学机理与演化过程,以石槽村矿某回风巷为研究对象,采用理论分析、FLAC3D数值模拟以及现场实测等方法,分析小煤柱条件下巷道围岩变形的主要影响因素以及表征特点。研究结果表明:侧压系数为巷道围岩变形的主控因素;侧压系数与巷道顶底板位移量呈正比关系,与两帮位移量呈反比关系;回风巷每次受采动影响时,变形可分为巷道稳定阶段、位移分化阶段以及位移加速变化阶段;围岩变形主要发生在一次采动影响时,此时巷道变形呈现明显的不对称,左右两帮的位移量差异明显,巷道的中心位置明显偏移。研究结果可为小煤柱巷道围岩支护提供技术参考。     

薄基岩巷采矸石充填围岩变形特征的数值模拟

巷采矸石充填开采是"三下"开采中控制覆岩移动变形和地表沉陷的有效方法之一。矸石充填开采既可以避免造成污染,又能够置换"三下"压煤、提高煤炭资源回收率,还可缓解部分副井提升压力,具有重要的理论意义和应用价值。为了确定厚表土层薄基岩下巷采矸石充填开采方案,采用数值模拟方法研究厚表土层薄基岩下充填开采地表沉陷特征及围岩变形机理。结果表明:在煤柱中布置宽5.0m,高5.8m的矸石充填巷,巷间煤柱宽10m的方案是可行的。通过数值模拟验证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技术的可行性,巷式充填采煤方式能有效控制上覆岩层移动,此种采煤方法为"三下"难采煤层提供了一种有效途径。     

宜兴煤矿安全经济护巷煤柱宽度的研究确定

为节省资源,留最窄护巷煤柱,在借用FLAC3D模拟软件掌握不同护巷煤柱宽度下巷道围岩应力应变后,结合模拟的结果和实验室试验新材料GRT-201加固后的煤岩体强度指标,最终确定煤柱留设宽度为2m,较正常煤柱宽度留设减小了20多米.现场操作后巷道的变形率控制在5％以内,大大降低留设煤柱宽度的同时保证了工作面的正常接替和安全回采.     

村庄下倾斜煤层条带开采方法研究

针对我国"三下"(建筑物下、水体下、铁路下)压煤条带开采的实际情况,根据国内外有关条带开采的实践经验和技术要求,采用极限强度理论和压力拱理论对村庄下倾斜煤层条带开采进行了分开采深度设计,计算得出了条带开采的采出宽度和保留宽度;应用条带开采地表移动参数的模糊优化理论对概率积分法预计参数进行了选取,按照不同的开采深度,对村庄范围内的地表移动和变形值进行预计;根据预计的结果,对计算得出的条带开采尺寸进行检验和优化。研究表明,村庄下分采深条带开采尺寸设计和分采深地表沉陷预计,不仅可以提高地下煤炭资源的采出率,实现村庄在不搬迁情况下安全开采,也可最大限度地减小地下开采对地表建筑物的损害。     

走向工作面贯通上山与支架快速回撤技术

针对走向工作面停采线与上山之间的护巷煤柱造成煤炭损失，支架回撤工艺复杂、巷道掘进量大等问题，提出走向工作面贯通上山与支架快速回撤技术。工作面贯通采区上山，利用上山回撤支架。在贯通前，利用压力拱模型分析剩余煤柱应力变化规律，并结合极限平衡区公式，确定让压煤柱为8 m；对贯通前基本顶合理断裂位置、让压调节机制、末采阶段采高进行了分析确定，并采取上山巷内补强支护及挂绳铺网措施。贯通上山后，首先利用支架对上山留巷，完成留巷后，利用上山回撤支架，先将上部端头3架逆时针旋转90°作为掩护架，在对剩余支架逐架回撤时，3个掩护架呈现台阶型。提出的技术取消了护巷煤柱及回撤通道，提高了煤炭采出率，减少了巷道掘进量，简化了回撤工艺。     

急倾斜矿体空场法开采的矿柱回收与卸压开采效果数值分析

矿柱回采方法不恰当,将致使大量矿柱残留采场而无法经济、安全地回收。为了解决上述问题,避免或消除深部开采产生的地压灾害,提出了间隔矿柱抽采法回采间柱,"V"型松动爆破并上盘底板松动爆破隔断开采,采用FLAC3D数值模拟了矿柱回采及深部卸压开采的应力变化过程,将数值模拟结果与实际开挖进行了对比,并在此基础上评价了矿柱回收及卸压开采的效果。结果表明:间隔抽采矿柱后,1 010 m中段第一分层顶柱及其以下保留的矿柱不会发生冒落,但上盘局部千枚岩会因长期拉伸疲劳破坏而垮塌,为了避免采空区顶板长期暴露、垮落而造成出矿贫化,必须加快出矿;"V"型松动爆破并上盘底板松动爆破隔断开采,降低了910 m中段开采的应力集中程度,基本消除了910 m中段开采时发生岩爆的应力条件;回收过矿柱的相邻采空区的分隔间柱,其回采宽度不应超过1/2;相邻两采空区都间隔抽采间柱并卸压开采后,960 m中段基本实现了垮塌的千枚岩或残留矿柱充填采空区,从而消除了采空区隐患。     

胶体泥浆隔离带防灭火技术在7513综放面邻近采空区的应用

在实施无煤柱 (或小煤柱 )开采的矿井中 ,防治邻近采空区煤炭自燃发火的传统措施很费事 ,而在姚桥煤矿 75 13综放面应用的胶体泥浆隔离带防灭火技术 ,具有用料省、施工强度低、防灭火效果显著等特点 ,是一种极具推广应用前景的防灭火创新技术。     

大型水体下顶水安全开采的可行性研究

在大型水体下顶水采煤,一方面要确保煤矿井下安全生产,同时要保护地表水资源不被破坏。基于峰峰矿区小屯矿的地质采矿条件,在分析与评价上覆岩层结构的基础上,选取水体下11个计算特征点,探讨上覆岩层破坏高度、防水安全煤岩柱及安全煤岩柱最小富余尺寸,绘制各类等值线图。采用概率积分法,从下沉、倾斜、水平变形和裂缝深度等方面,研究分析顶水开采后水体底部所受的采动影响。结果表明,在特定的地质采矿条件下,各工作面开采以后,上覆岩层中导水裂隙带发育的最大标高与基岩顶部之间具有较厚的岩柱,导水裂隙带不会波及到地表水体,水体底部的地表移动变形较小,不会影响到矿井安全生产,在大型水体下顶水采煤是安全可行的。     

安全煤岩柱性能研究及综合评价

在对里彦煤矿采矿地质条件分析的基础上,对安全煤岩柱的化学成分及其阻水性能、岩性及力学特征进行了研究.针对里彦煤矿的具体情况,分析了里彦安全煤岩柱的阻水性能,认为其阻水性能良好,可以适当减小防水防砂煤岩柱宽度,以提高开采上限,释放部分煤炭储量.     

特厚煤层沿空掘巷合理留设小煤柱的试验研究

为减少煤柱损失量,改善巷道维护现状和提高煤炭回采率,以庞庞塔煤矿10#特厚煤层为工程背景,采用理论计算、FLAC3D数值模拟和现场观测方法对该矿特厚煤层综放沿空掘巷留设的小煤柱宽度进行了研究。计算表明:小煤柱合理留设宽度为7.7～9 m。以小煤柱理论计算为基础,结合工作面端头侧的应力与煤柱侧向支承压力分布特征,提出了4种小煤柱留宽方案,通过数值模拟对比分析不同留宽煤柱在掘巷和回采阶段的围岩应力和受载变形情况,最终得出小煤柱合理留宽为9 m。工程实践表明:按9 m留设区段煤柱,并采用合理支护设计,巷道顶底板及两帮变形量较小,煤柱稳定性良好,留宽方案满足生产使用要求。     

爆破动载影响矿柱稳定性的研究

针对铜坑锡矿细脉带17~#采场16~#矿柱,用模拟试验方法研究和分析了爆破动载对该矿柱稳定性的影响,并用现场验证结果修正了动载安全系数。指出爆破动载作用是影响矿柱稳定性的主要方面,从爆破动载的角度提出了设计安全、可靠矿柱的具体要求,建议在设计地下采场矿柱时,不但要考虑静载的作用,而且要考虑撂破动载的作用,相应地提出了与所研究的现场矿柱岩性相适应的具体矿柱设计经验公式,为同类矿体设计提供了科学依据。     

地下采空诱发顺层岩质斜坡变形破坏特征研究

为揭示地下采空诱发顺层岩质斜坡变形失稳的机制,采用底摩擦模型模拟试验方法,以重庆市鸡尾山地质条件为试验对象,研究不同开采顺序(顺坡开采、逆坡开采)、煤柱留设(上下边界矿柱、区段或水平矿柱)情况下,地下采空区不同空间分布诱发其上覆岩层的变形破裂响应特征。结果表明:1)地下采空区分布不同,其上覆岩层变形破裂响应特征也不同;2)软弱夹层是顺层斜坡的潜在滑动面,同一矿山地质条件、不同采空区影响下的软弱夹层可分为凹形、凸形、S形、反S形4种类型;3)地下采矿形成采空区后,岩体破坏规模及程度主要受地质环境和开采方式的控制,地下采空影响下类似含软弱夹层缓倾斜顺层斜坡的变形机制为弯曲-断裂、滑移-拉裂。