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。     

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。     

大同矿区综放开采覆岩压力拱演化规律研究

为研究大同矿区综放开采的覆岩运动特征,以同忻矿8105工作面为研究对象,运用关键层理论确定了同忻矿8105工作面关键层分布,采用理论分析、相似材料模拟方法对压力拱的演化规律进行了研究,并结合现场监测数据对研究结果进行了验证。结果表明,在同忻矿双系煤层开采条件下,关键层破断影响着压力拱的发展高度,沿工作面推进方向,压力拱的失稳步距为283~330 m。拱脚位置在工作面前方40~55 m,压力拱承载着大部分的覆岩载荷,一旦发生失稳破坏,会造成石炭系岩层与侏罗系采空区连通,引起工作面强矿压显现。     

纵深大区域煤层群开采覆岩活动规律相似模拟

以大同矿区"双系"煤层群协同开采为工程背景,相似模拟实验研究了纵深大区域煤层群开采覆岩位移、裂隙及应力演化分布规律。结果表明:侏罗系近距离煤层群采用刀柱式与走向长壁式开采交错布置方式,形成不同的组合开采模式,表现出不同的覆岩破断特征,应力集中现象突出;石炭系特厚煤层开采致使覆岩大面积垮落,与上部侏罗系煤层群形成了复杂的多层采空区连通状态,且受侏罗系煤柱叠加应力影响,工作面来压频繁、覆岩活动剧烈。纵深大区域煤层群覆岩应力应变形态作为耦合时变系统,随煤层开采经历了"平衡—失稳—平衡"循环变化过程。     

大倾角煤层开采覆岩破断机制研究

为了探究大倾角煤层开采覆岩变形、失稳、破断的演化特征,结合潘二矿1212(3)工作面地质与工程条件,采用数值模拟、物理模拟、理论分析相结合的方法,分析了大倾角煤层开采覆岩变形破坏规律,探讨了巨厚砂岩直覆和无坚硬岩层2种条件下大倾角煤层开采顶板破断失稳形式。研究结果表明:受倾角影响直接顶冒落、滑移,充填下部采空区,基本顶中上部挠度最大而发生断裂,破断裂纹逐渐向基本顶两侧及相邻岩层演化;大倾角煤层倾向岩层间的联动时序性破断是形成非对称拱形承载结构的主因;预裂爆破巨厚砂岩顶板、充填开采软弱岩层工作面可促使关键块体组成的拱形承载结构形成,保证大倾角工作面安全回采。     

综放工作面覆岩破坏特征及裂隙演化相似模拟试验研究

针对煤层开采后常出现矿压显现剧烈、煤岩透气性增大和地表下沉等问题,利用二维相似模拟试验研究综放工作面覆岩破坏特征并通过分形理论表征裂隙演化规律.试验结果表明:煤层基本顶初次来压步距为78 m,周期来压步距为24 m;煤层采动裂隙发育,距煤层顶板超过35 m;煤层开采后形成的覆岩裂隙具有分形特征,其分形维数随工作面的推进...     

浅埋煤层开采覆岩运动规律模拟与试验研究

为了进一步掌握浅埋煤层开采覆岩运动规律,以神东矿区某矿22616面为工程背景,采用数值计算与相似试验相结合的方法研究了浅埋煤层开采覆岩下沉位移与应力分布特征,并进行了现场验证。发现现场监测数据和数值计算与相似试验结果较为一致,表明22616面属于典型浅埋煤层工作面,老顶初次来压步距46~48 m,周来压步距12~19 m,来压期间老顶瞬间垮落,下沉位移明显,台阶下沉特征显著;随工作面推移,采场前方煤体20 m范围内出现超前支承压力,应力峰值达到4.3 MPa,因此应提前采取加强支护措施。     

考虑煤柱黏弹塑性流变的煤柱-顶板力学模型

为研究房柱式开采和条带开采的老采空区煤柱-顶板体系的稳定性,预测煤矿采空区煤柱-顶板体系稳定时间,将煤柱简化为满足西原模型的黏弹塑性体,将采空区顶板简化为弹性薄板,建立考虑煤柱黏弹塑性流变变形的采空区煤柱-顶板体系力学模型,在此模型基础上推导采空区煤柱-顶板体系稳定时间的微分方程,并采用伽辽金法进行求解。将该模型应用于某房柱式开采的老采空区稳定时间预测中,验证了力学模型的可靠性。研究表明,煤柱的黏弹塑性流变变形是导致煤柱-顶板体系失稳的重要原因,煤柱的流变变形随时间的推移而增大,最终导致煤柱-顶板体系的失稳。     

深井大采高综采面矿压显现及覆岩破断规律研究

针对深井大采高综采技术中采场矿压控制难的特点,以潘二矿11223大采高综采工作面为工程背景,采用相似模拟、数值模拟、现场矿压监测、理论分析等方法,对深井大采高综采工作面矿压显现及覆岩运动破断规律进行研究。结果表明:深井大采高综采面覆岩运动破断后结构形态演化特征可概括为“组合悬臂岩梁结构——压实填充结构——非铰接岩梁结构——铰接岩梁结构”的动态演化过程,这种动态演化过程直接影响着工作面的矿压显现特征及覆岩破坏特点;得到工作面初次来压步距为34 m,基本顶周期来压步距15 m,来压由中部开始向两端转移;工作面前方应力集中区距煤壁平均4.4 m,应力峰值平均为26 MPa,工作面矿压显现特点受控于覆岩运动破断的动态演化力学结构,研究结果对类似条件下的工作面安全开采具有一定的理论依据和借鉴意义。     

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。     

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。     

7.0 m采高综采面回采巷道变形破坏规律研究

针对神东矿区大柳塔煤矿采用7.0 m采高综采面回采5-2煤三盘区时回采巷道出现不同程度的变形破坏现象,采用现场实测的方法对52304及52303工作面回风顺槽之间的区段煤柱进行了巷道变形及应力变化规律的监测,并运用FLAC3D数值模拟软件对不同埋深条件下两工作面之间区段煤柱的应力分布规律进行了模拟,最后总结分析了回采巷道变形破坏的机理,并得出采空区段煤柱的失稳是造成回采巷道变形破坏的根本原因。从而为巷道的合理布置及相应控制对策的提出提供基础数据,以保证矿井安全高效的生产。     

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.     

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。     

浅埋薄基岩煤层短壁连采模式及应用研究

随着短壁连采技术的发展和应用,给浅埋薄基岩煤层的高效开采创造了有利条件。本文以神东煤田浅埋区域2-2煤层为研究对象,从分析其覆岩活动规律入手,借助实践经验、实验数据、理论计算及计算机模拟等结论,得出浅埋薄基岩煤层短壁回采工艺的一系列合理参数(主要包括:工作面长度、采硐布置方式、宽度、同采数量、煤柱尺寸、支护方式等),从而确定出浅埋薄基岩煤层短壁连采技术适用条件分类(划分为五个类别:Ⅰ单一采硐式、Ⅱ5间10m-多硐间隔式、Ⅲ5间5m-多硐间隔式、Ⅳ10间5m-多硐间隔式、Ⅴ多硐连续式),形成了浅埋薄基岩煤层开采模式。经过在苏家壕煤矿的应用,成功解决了薄基岩条件下短壁工作面高产高效的问题,并取得了良好效果,对其他相似煤层的开采具有广泛的指导意义。     

深部孤岛工作面区段煤柱冲击地压的试验研究

以冲击启动理论为基础,结合覆岩空间结构思想,采用相似模拟试验方法,研究了孤岛工作面上覆岩层空间结构特点及采动围岩应力场的分布、变化规律,进一步探讨了孤岛工作面区段煤柱冲击地压发生机理。结果表明,两侧充分开采的孤岛工作面上覆岩层呈"C"型覆岩空间结构,工作面承受上部岩层及两侧采空区上覆岩层转移过来的部分岩层重量,在工作面两侧形成应力集中区域,导致采动围岩应力场达到极限平衡状态,该集中应力可视为采动围岩近场极限平衡系统的静载荷。孤岛工作面开采过程中"C"型覆岩空间结构逐渐演化形成"W"型空间结构,极限平衡系统静载荷发生转移和改变,最终由上下区段煤柱全部承担上覆岩层重量,系统载荷增至最大,处于临界失稳状态。"W"型覆岩空间结构大面积失稳,为系统提供了外动载荷,系统在动载荷的扰动下突破平衡极限,从而发生区段煤柱冲击。最后,基于孤岛工作面应力分布规律确定了区段煤柱的合理尺寸。     

布尔台矿回采工作面瓦斯涌出主控因素及治理措施

为了探究布尔台煤矿回采工作面瓦斯涌出主控因素及其治理措施，以42201回采工作面为例，采用单元法现场实测了工作面瓦斯涌出情况，并分析了其受开采强度、风量、煤层瓦斯含量、工作面来压变化、气候条件等相关参数的影响规律。研究结果表明:布尔台煤矿42201回采工作面的主要瓦斯涌出来源为煤壁和落煤瓦斯涌出；矿山压力显现和来压时，工作面绝对瓦斯涌出量有较为明显的异常变化；开采强度的变化趋势和上隅角瓦斯浓度异常变化的趋势是一致的；对比发现，地面大气压力对工作面瓦斯涌出的影响程度远小于开采强度。针对布尔台煤矿的特点，提出了“顶板定向长钻孔分段水力压裂强制放顶和联巷插管或煤柱大直径钻孔桥接采空区的瓦斯抽采相结合”的瓦斯治理措施。现场应用发现:42201工作面最高来压强度由59.1 MPa降低至48.0 MPa，上隅角瓦斯抽采量为2.70~3.79 m3/min，平均为3.25 m3/min，占总的瓦斯涌出量的比例为62.65%~69.16%。     

极近距离煤层联合开采工作面合理错距研究

基于山西灵石某矿极近距离煤层联合开采过程中存在的安全和技术问题,采用FLAC3D数值模拟研究方法,分析了上、下煤层联合开采工作面不同错距下上工作面覆岩应力传递规律,并结合现场工程实践,得出上下工作面联合开采的合理错距。结果表明:上下工作面错距为20 m时上工作面煤壁前方垂直应力较大,应力集中系数为2.12;将上下工作面布置在26~35 m范围是保证安全开采条件下比较合理的错距,通过分析现场上工作面单体支柱压力数据,压力值普遍低于35 MPa,进一步论证了该错距范围的合理性。     

基于覆岩空间结构理论的矿压特征分析及应用

基于覆岩空间结构理论,一面采空、两面采空边界条件下覆岩结构称为“O”型和“S”型,结合矿压知识及工程背景的特殊条件,将二者转换过程中覆岩结构定义为“O-S”型。在系统分析三种结构构成、运移规律和应力分布特征的基础上,对矿山动力事件进行分析与防治;现场侧向支承压力监测结果显示基于覆岩空间结构理论的结构构成及相关计算相似,现场顶板岩层离层监测结果显示基于覆岩空间结构理论的覆岩运移规律阐述可靠,工作面矿压特征监测结果显示基于覆岩空间结构理论的特厚煤层矿压特征分析与实际发生情况基本一致,研究可为类似条件下矿压特征分析与岩层控制提供一定借鉴。