远距离重叠煤柱作用下的强矿压显现作用机制:以大同矿区多煤层开采为例

为研究大同矿区特厚煤层采出空间大和远距离侏罗系煤层群重叠煤柱共同作用下的强矿压显现机制,采用通用离散元程序(UDEC)数值模拟方法,分析重叠煤柱作用下的工作面采动应力规律。应用高精度微震监测技术,得到侏罗系煤层群开采影响下的综放工作面覆岩运动与矿压显现的关系。研究表明,工作面回采至侏罗系煤柱对应区域时,工作面超前支承压力比在非煤柱区域提高了25%~33%;侏罗系煤柱重叠区域,在"煤柱-覆岩联动"和"煤柱-采动应力耦合"共同作用下,工作面矿压显现更为强烈;在临近采空区和侏罗系覆岩共同作用下,沿空巷道矿压显现强烈。工作面开采扰动、临近采空区覆岩运动和侏罗系重叠煤柱的耦合作用,是石炭系综放工作面矿压显现剧烈的根本原因。用提出的基于地面钻孔压裂重叠煤柱弱化的强矿压显现顶板控制技术,可削弱重叠煤柱对工作面开采的影响,减轻特厚煤层综放开采采场矿压的显现强度。     

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。     

复合动力灾害条件下孤岛工作面区段煤柱宽度留设研究

孤岛工作面覆岩空间结构复杂多变,受开采和地质等因素的影响在开采过程中面临冲击地压、煤与瓦斯突出、自燃发火以及采空区突水等复合动力灾害。留设合理宽度的区段煤柱是确保工作面安全开采的关键,以陕西某矿特厚煤层孤岛工作面开采为工程案例,通过分析工作面覆岩空间结构,理论计算了工作面应力分布;采用应力动态监测等方法确定了该工作采空区侧向覆岩运动,并综合考虑冲击地压灾害防治、次生灾害控制以及巷道支护等因素,确定了该工作面区段煤柱的合理宽度为5~7 m。     

预掘回撤通道末采围岩破坏机制研究

为保证工作面安全高效回撤,通过理论分析及现场观测法,研究综采工作面末采期间回撤通道围岩应力分布及破坏特征,提出垛架支撑力控制顶板围岩破坏机制及方法,得到垛架最小支撑力计算方法。结果表明:回撤通道围岩集中应力与工作面前方支承压力逐步叠加,导致剩余煤柱由两侧向中部逐渐破坏,当两侧破坏区连通时,煤柱上方直接顶跨距增加为原来的2倍,且载荷较大。该应力及跨距满足直接顶失稳条件时,直接顶在工作面未贯通前发生预先破坏,进而导致贯通前发生冒顶。调整垛架初撑力能够减小回撤通道侧煤柱叠加应力值,减小剩余煤柱失稳时对应的煤柱宽度,减小直接顶对应的跨距,避免直接顶破坏,保证回撤顺利进行。     

司马矿薄基岩区顶板突水危险性数值模拟研究

为了研究司马矿薄基岩厚松散层特殊地质条件下的采动覆岩破坏、渗流等特性,评价发生顶板突水的危险性,建立了薄基岩厚松散层开采条件下的数值计算模型。采用理论分析、数值模拟和现场工程相结合的方法,利用多物理场耦合数值模拟软件COMSOL Multiphysics,研究了随工作面推进采场的变形、破坏、渗流和应力变化规律。结果表明:在司马矿薄基岩厚松散层这一特定的地质条件下,工作面涌水量、顶板破坏高度均随工作面推进不断增加并最终趋于稳定,当工作面推进到200 m时,顶板破坏高度约为80 m,工作面涌水量约为33 m3/min,与实测数据基本吻合;随着开采的进行,在采空区后方煤层的支承压力峰值位置几乎不变,在工作面前方形成的支承压力峰值极值点位置不断前移,应力集中系数约为2.0;在司马矿薄基岩区,在煤层采厚为5 m、基岩厚度为40 m的条件下,若顶板黏土层厚度大于40 m,将不会发生顶板突水。     

倾斜煤层断顶卸压模型试验研究

为研究倾斜煤层断顶卸压位置对煤岩体稳定性的影响,以双鸭山某矿的回采工作面为试验原型,开展地质力学模型试验。采用相似材料和模型架,模拟工作面回采区域的地质构造及煤层赋存的应力状态,通过数字图像相关方法(DICM)实时测试模型断顶前后煤柱、煤体和顶板区域的变形场。结果表明:在巷道紧邻煤柱上部实施断顶,巷道及煤柱内侧出现明显变形集中区域,上覆岩体下沉,煤柱内侧受拉伸;在相邻采空区紧邻煤柱实施断顶,粗砂岩和细砂岩沿岩层界面发生界面滑动,但位移量较小;在煤柱外边缘以里3 m处实施断顶,采空区一侧煤体受上覆顶板压力作用发生塑性变形,煤柱体外侧塑性区产生水平位移,顶板下沉对巷道变形影响较小。煤柱外边缘以里3 m是最合理的断顶卸压位置。     

综放开采采空区煤炭自燃特征及其控制研究

针对7201综放面煤层易自燃、回采过程中存在工作面过断层、工作面面长加大接面等影响正常回采速度的现实条件，在理论分析和实验研究基础上，确定了高温热源的位置，及时采取了优化配备工作面风量、顶板走向长钻孔压注阻化液、设置隔漏风墙、气雾阻化及煤柱预注阻化液等综合防治煤炭自燃措施，有效抑制了工作面采空区煤炭自燃，实现了易自燃煤层综放安全开采。研究结果对类似条件的综放安全开采有现实指导价值。     

尖角煤柱影响下旋采面冲击地压危险分析与防治

为预防复杂开采条件工作面冲击地压灾害,以尖角煤柱与旋转开采耦合条件工作面为研究背景,从冲击倾向、地质构造、地应力、坚硬顶板、旋转开采与尖角煤柱等角度分析冲击地压发生的影响因素,基于数值模型研究工作面采动应力演化特征,得出工作面冲击危险区域及程度,并提出相应的防治措施。结果表明:连续的尖角煤柱具备较高的应力集中条件且会产生应力累积效应,工作面冲击地压危险区域主要集中在旋转之前和旋转中,其中旋转开采部分运输巷受断层、矿界煤柱与旋转开采影响具有强冲击危险,旋转开采部分轨道巷受尖角煤柱与旋转开采影响具有强冲击危险。工作面旋转区、尖角煤柱区分别采用降低开采扰动强度、静载卸压的方式防治冲击地压的发生。     

采掘过程中沿空留巷围岩应力演化规律研究

沿空留巷符合绿色采矿的发展方向,已有研究对其应力分布与动态演化规律方面研究尚不够深入,导致留巷技术难以推广应用。运用FLAC3D数值模拟计算和现场实测相结合的方法,系统研究了薄直接顶、厚直接顶和无直接顶3种典型顶板条件下巷道掘进、采动留巷及稳定过程中围岩应力发展演化规律,分析了充填区域的顶板承载特性对围岩应力分布的影响。结果表明,巷道掘进阶段,无论是超前支承应力,还是迎头支承应力和滞后支承应力,都是厚直接顶最高,其次为薄直接顶,无直接顶最低。采动应力调整阶段,随直接顶厚度减小支承应力集中系数逐渐增大,同时,随直接顶厚度减小支承应力极值位置逐渐远离工作面。     

近距离煤层群下行开采切眼错距确定分析

在近距离煤层群的开采中,工作面巷道位置选择直接影响其支护方式、顶底板管理等生产工作。为了得到下位煤层工作面切眼的合理位置,利用基于三维显式有限差分法的计算工具Flac3D,以矿井近距离煤层9、101、102为工程实例,分析了在近距离煤层群回采时期,下邻近层综采工作面切眼位置与上邻近层预留保护煤柱错距。结果表明,上邻近层回采后,在其因支承压力和拉张作用下的下沉盆地中岩层内,主要发生塑性变形;上覆岩层破坏范围为26m,底板破坏范围为5.6m,采空区左右两侧破坏范围3~5m;下位煤层10603工作面切眼与上位煤层9煤保护煤柱错距应大于5m。     

软弱底板特厚煤层综放面矿压特征研究与应用

水帘洞煤矿3802工作面是彬长矿区首个采用8m小区段煤柱护巷、面临软弱底板问题的特厚煤层工作面,生产条件复杂,类似开采技术经验较少。针对此问题,采用岩石物理力学性质测试和计算机数值模拟等手段,明确软弱底板对综放面矿压影响机理;通过现场实测,对3802工作面矿压特征和覆岩移动规律等进行研究,结果表明,软弱底板条件下特厚煤层综放面较一般底板下特厚煤层综放面矿压显现特征不同,软弱底板吸收能量,将应力转移到深处,一定程度上消除了冲击地压危险,同时矿山压力显现平缓不明显,动载系数小。现场实测结果表明巷道围岩稳定,研究结果可以在类似条件下推广应用。     

叠加应力作用下急倾斜煤层区段防水煤柱留设研究

以急倾斜开采防水隔离煤柱留设为工程背景,采用理论分析和数值模拟作为主要手段,对急倾斜煤层上部覆岩运动规律进行了研究,认为煤层开采过后上覆岩层运动与水平煤层有较大差异,呈现岩层运动不对称垮落,煤柱裂隙发育度应该为左高右低,急倾斜煤层隔水煤柱上部塑性区宽度大于下部塑性区宽度,呈非对称分布。通过数值模拟得出,35 m保护煤柱下,上工作面裂隙发育高度大于下工作面,两工作面断裂拱发育不对称;煤柱中间区域位移量较小,可以满足生产要求;煤柱在上下两工作面作用下,压力峰值较高,达到18 MPa,上工作面靠近煤柱侧压力也较高,整个支承压力曲线呈现多个波峰波谷。     

近距离煤层群工作面采场围岩失稳机制与控制技术

为探讨近距离煤层群工作面采场围岩失稳机制和开发相应的控制技术,采用理论计算、数值模拟和实验室试验综合方法,研究煤层群开采围岩采动应力场分布。阐明松散煤体注水加固的力学机制,并开发现场厚坚硬顶板深孔预裂爆破、深浅孔联合注水、新型采煤工艺综合技术措施。研究结果表明:在煤层群开采条件下,上下工作面相互影响程度剧烈,将下伏煤层工作面布置在上覆煤层开采后的卸压区内,可避免上煤层遗留煤柱高集中应力的影响,降低下伏煤层工作面原始应力水平。用设计的深孔预裂爆破工艺,能避免关键层断裂后对下伏煤层作面的动压冲击。提出的工作面低压短时间浅孔注水和2巷超前长孔预注水工艺,能提高松散煤体抗剪强度,增加煤体稳定性。     

煤矿回采工作面顶板管理

采场,又称回采工作面,它是井下作业环境中最容易发生事故的场所。据统计,冒顶是矿山工伤事故中最多的一类,而70%的冒顶事故发生在采场。发生冒顶事故的原因虽然多种多样,但大多数都与顶板管理不善有关。为了预防冒顶。必须做好顶板管理工作。 回采工作面顶板及矿山压力显现规律 回采工作面顶板管理工作的主要任务是维护回采工作空间和处理采空区,主要对象是顶板。因此,了解顶板的性质和采场矿山压力显现规律是搞好回采工作面顶板管理工作的前提。 回采工作面顶板,按垮落性质及其与煤层的相对位置,可分成三类。一是伪顶,一般是碳质页岩,直接…     

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。     

深井综放工作面回采速度对矿震致灾的影响性研究

以从波兰引进的SOS微震监测系统为依托,对兖矿集团东滩煤矿深井大采高特殊开采条件下的1305综放工作面在回采期间的微震活动进行全时连续监测,并统计分析了1305综放工作面开采期间的微震活动发生次数和能量释放变化规律。结果表明:东滩煤矿深部1305综放工作面微震事件以低能量的释放为主,低能量微震活动有为强震积蓄能量的趋势;低能量矿震的次数、能量与开采速度呈近似线性正相关,而高能量矿震与开采速度呈非线性关系;开采速度的增大会增加矿震的次数和能量,致使震动总能量由低能量向高能量移动,动力灾害危险性增加;开采速度的稳定性对工作面围岩的应力分布有很大影响,同样开采强度下,匀速开采较非匀速开采的应力集中系数小,煤岩体储存的弹性能小,表现为微震的次数和能量都较低。研究表明,控制开采速度可以控制低能量矿震的发生次数和释放能量,慢速均匀开采能有效减少矿震发生次数。     

基于通风网络理论及试验的采空区自燃“三带”分析

基于通风网络理论模型演化得到采空区走向及倾向的漏风阻力系数分布,综合考虑了采面的回采速度、顶板岩性以及采空区倾向上顶板的沉降量不同等因素影响.采用专业的流体力学计算软件Fluent对桃园矿1033工作面及其采空区进行了流场数值模拟,得到了工作面的漏风量分布及采空区漏风流场分布.模拟结果表明,工作面向采空区漏风区域主要发生在倾回上靠进风侧0～10m范围,并有部分漏风量在工作面倾面从中间点前流回至工作面,采空区内的流场等值线并不完全呈对称分布. 采用工作面埋管取气分析采空区内氧气体保分数,得到了采空区内氧气体积分数分布规律.试验结果表明,沿着采空区走向,氧气体积分散逐渐下降;在采空区倾向上,回风卷氧气体积分数下降最快,进风巷氧气体积分数下降最慢.综合考虑采空区内的滤流速度和氧气体积分数分布,得到了采空区自燃“三 带”范围.在采空区回风巷,氧化带距离工作而范围为11～ 38 m;在采空区进风巷,距离工作面范围为23 ～ 76 m;在中部,距离工作面范围为12～66m.最后,计算得到工作面安全回采速度为2.2m/d.     

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。     

煤层底板采动应力效应及其力学作用机制研究

煤层底板突水的实质是采动应力诱发底板岩体变形破坏,引发煤层底板突水.掌握底板岩层的破坏规律是承压水体上安全开采的首要问题.根据开采过程中回采工作面前后方支承压力分布规律,利用弹性力学理论,建立了煤层底板应力计算模型,分析了随着回采工作面推进煤层底板沿深度方向的最大主应力和最小主应力分布规律与底板剪切破坏形式.运用工程中常用的莫尔库伦准则,提出了煤层底板岩体的破坏判据.煤层底板的破坏易从回采工作面附近开始,向回采工作面后方采空区由浅而深发展,破断面呈抛物状弧面.应用直流电阻率法CT技术,在淮北孙瞳煤矿1028工作面风巷中煤层底板位置施工2个钻孔,在孔中埋置一定数量电极,形成孔间探测剖面,对煤层底板采动裂隙演化过程中的岩层电阻率响应特征和1028工作面底板破坏深度进行了动态综合探测.探测结果表明:1028工作面煤层底板在支承压力和底板承压水水压共同作用下,煤层底板的破坏范围在0～17m;在此范围内煤层底板岩层中垂向裂隙和层向裂隙发育明显,超过17m后底板岩层受采动影响较小,底板最大破坏深度约17m.通过直流电阻率法CT技术现场实测验证了理论分析是正确的和可行的.     

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。