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。     

采空区进风侧煤柱着火进行灭火时防止瓦斯爆炸的对策

以孔庄煤矿Ⅲ2水采区7337回风联络巷自然发火情况及处理经过为例,笔者介绍了在采空区瓦斯浓度较高情况下,采空区进风煤柱着火的火势发展情况与着火特点。分析灭火过程发生瓦斯爆炸的可能性;提出了在安全前提下灭火步骤、灭火措施和注意事项;总结了灭火工作中成功的经验与失败的教训,即在扑灭井下火灾过程中,必须做到:遵循“安全第一”的方针,制定科学、具体的灭火方案和正确、有效的灭火措施,要时刻加强火区气体成分检测,得出了防止瓦斯爆炸等一系列具有指导性的原则和行之有效的措施。     

瓦斯抽采下沿空留巷工作面采空区漏风机制研究

漏风对煤自燃有重要影响,研究漏风形成机制对工作面采空区防火具有重要的作用。针对采空区瓦斯抽采、上覆围岩裂隙发育对采空区漏风影响问题,以沙曲矿沿空留巷综放工作面为研究背景。根据采空区上覆煤岩特性选择经验公式计算采空区裂隙发育高度,分析了沿空留巷侧采空区上覆裂隙发育,现场实测了沿空留巷压埋管及高位钻孔中气体体积分数,并根据实测参数利用数值模拟分析了瓦斯抽采条件下采空区风流流场变化。结果表明:上覆裂隙成为采空区漏风通道,导通距离在27.2~37.2 m;在沿空留巷侧采空区回采距离100m,其氧气体积分数在10%以上,验证了采空区漏风去向;模拟结果显示,沿空留巷侧采空区立体空间范围内氧气体积分数均达到10%以上,模拟结果与实测基本保持一致。最终确定瓦斯抽采条件下沿空留巷的布置及煤岩裂隙发育是形成漏风通道的主要原因。     

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。     

破碎带宽度对断层活化及煤柱留设的影响研究

为研究不同宽度的断层破碎带对防水煤柱留设的影响,通过对断层活化进行力学分析,得出断层活化的必要条件是断层带内岩石的黏结系数小于等于临界值Cmax,且断层带所受法向应力与剪切应力是影响该临界值的主要因素。利用数值模拟软件,建立不同破碎带宽度的数值模型,对断层活化及煤柱留设进行模拟。结果表明:当工作面距断层60 m内时,由于黏结系数临界值Cmax的迅速减小,断层活化危险性显著提高,且断层破碎带宽度越大,断层越容易发生活化;通过分析采场塑性区分布图,得出煤柱临界尺寸随破碎带宽度的增加而呈线性增长的规律。研究结果对断层合理留设煤柱具有重要的参考价值。     

采空区不良效应下桥梁桩基的风险评价

在工程实践中,采空区不良效应对桥梁桩基风险影响的评估,需要有进一步的创新方法和更完善的措施,既能准确地评价风险影响,又可以为桥梁基础施工提供保障,成为施工阶段桥梁风险评估的一个新的研究方向。结合某高速公路采空区桥梁桩基的风险估测,采用基于MIDAS/GTS的有限元程序,建立有限元数值模型,通过对煤层未开采直接进行桥梁桩基加载状态沉降、煤层未开采直接进行桥梁桩基加载状态应力、自重应力作用下煤层开采状态采空区沉降、自重应力作用下煤层开采状态采空区应力、采空区注浆回填后桥梁桩基加载状态沉降、采空区注浆回填后桥梁桩基加载状态应力等的分析,得出不同条件下的影响结果,并提出了有效的风险控制策略。研究表明,该评价方法减少了影响桥梁桩基础施工的不安全因素。     

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*。     

孤岛工作面窄煤柱留设宽度的研究

以王村煤矿13503工作面为工程背景,用理论计算、FLAC数值模拟和井下工程试验相结合的方法,研究了不同煤柱宽度对沿空留巷煤柱稳定性及掘巷巷道围岩变形的影响,确定了13503孤岛工作面留设窄煤柱的可行性,提出在内应力场中留小煤柱的掘巷方式较为理想,掘进时不会引起支承压力和煤体力学状态的明显变化,窄煤柱留设宽度在10～12 m时,巷道的变形量较小且处于低应力区,为此类条件的煤矿提供参考。     

高瓦斯沿空留巷采空区自燃危险区域数值模拟

为了掌握高瓦斯沿空留巷采空区遗煤自燃危险区域分布规律,指导工作面防灭火工作。采用数值模拟的方法,以首次采用沿空留巷技术的乌兰矿工作面为实例,模拟分析采空区漏风及氧化带三维分布规律。使用单因素分析法,分别模拟高位钻孔、上隅角埋管及地面钻孔抽采对采空区氧气浓度分布的影响。结果表明:多种瓦斯抽采措施下,工作面及沿空留巷均向采空区漏风,导致氧化带范围扩大,但不同抽采措施导致氧化带扩大的程度不同,高位钻孔抽采最弱,上隅角瓦斯抽采次之,地面钻孔抽采最强。沿空留巷附近及上覆采空区供氧时间长,自然发火危险性高。     

高瓦斯沿空留巷采空区自燃危险区域数值模拟北大核心CSCD

为了掌握高瓦斯沿空留巷采空区遗煤自燃危险区域分布规律,指导工作面防灭火工作。采用数值模拟的方法,以首次采用沿空留巷技术的乌兰矿工作面为实例,模拟分析采空区漏风及氧化带三维分布规律。使用单因素分析法,分别模拟高位钻孔、上隅角埋管及地面钻孔抽采对采空区氧气浓度分布的影响。结果表明:多种瓦斯抽采措施下,工作面及沿空留巷均向采空区漏风,导致氧化带范围扩大,但不同抽采措施导致氧化带扩大的程度不同,高位钻孔抽采最弱,上隅角瓦斯抽采次之,地面钻孔抽采最强。沿空留巷附近及上覆采空区供氧时间长,自然发火危险性高。     

采空区长输管道的安全保护

山西省矿山采空区地质复杂,对天然气长输管遒安全威胁极大,一旦发生事故,难以及时恢复生产。为确保管道安全,管道管理人员经过几年的经验积累,摸索了一套管遒安全保护办法和治理措施,并在实践中取得了不错的效果。     

采空区系统失稳灾变链式效应机理及特性研究

以矿山采空区为研究对象,引入系统理论,建立了采空区系统模型。基于链式结构理论体系,对采空区失稳灾变的内在演化规律及特性进行了深入研究,建立了采空区失稳灾变链式框架图,划分了失稳灾变链式演化阶段,并基于非线性动力学理论建立了系统失稳的能量判据。研究表明,采空区并不是孤立的,而是与其赋存环境构成了一个开放式系统。采空区系统的失稳灾变具有支干流域-周期循环-冒落劈裂复合链式特征。采空区系统失稳灾变链式演化经历了早中晚3个阶段,并伴随着能量"一涨一落"式的发展及内部节理裂隙的闭合、扩展、贯通及破裂的演化过程。从系统理论角度入手,初步形成采空区失稳灾变链式理论,为更有效地控制矿山采空区稳定性提供了新的理论基础。     

采空区顶板-矿柱体系蠕变损伤力学模型研究

为分析采空区顶板-矿柱体系的稳定性,并预测采空区的稳定时间,采用薄板理论、流变力学和损伤力学理论,建立了采空区顶板-矿柱体系蠕变损伤力学模型.在此模型基础上推导采空区顶板挠度的微分方程,根据采空区顶板在不同阶段的边界条件采用伽辽金方法对该微分方程进行了求解,并在排山楼金矿老采空区进行了工程应用,将预测结果与现场监测结果进行了对比分析,验证了模型的可靠性.研究表明:建立的力学模型能够较准确地运用于采空区稳定时间预测;矿柱的流变变形随时间延长逐渐增大,如不采取加固措施,排山楼金矿老采空区将出现顶板-矿柱体系的坍塌.     

浅埋煤层长壁工作面矿压显现规律现场监测研究

浅埋条件下的煤层开采,受上覆岩层移动影响而呈现与深埋煤层明显不同的特征.本文以神府矿区某矿1301工作面矿压观测为工程背景依托,应用“三量法”对工作面矿压显现规律进行研究,以工作面三个测区支架荷载和活柱下缩量为重点分析.研究表明:该工作面来压动载系数为1.5 -1.6,来压期间支架压力比平时大1- 13MPa;初次来压持续时间长,初次来压步距在55.9-56.3m,三个测区的周期来压步距为14.6 - 17.6m;且三个测区观测表明:中测区由于受工作面两侧煤壁影响较小,矿压显现程度同上下测区比较明显.     

Y型通风下采空区瓦斯运移规律及治理研究

为了更好的研究Y型通风系统下的采空区的瓦斯流动和涌出规律,针对综放面Y型通风系统特点,建立了Y型通风采空区流场模拟的计算流体力学模型。通过数值模拟,系统研究了Y型通风采空区流场和瓦斯运移规律,对比分析了Y型通风和U型通风条件下的采空区流场及瓦斯运移特征,并将其应用于15120高瓦斯综采工作面的Y型通风系统中,根据现场的实际情况建立对应的CFD模型,得出Y型通风系统下采空区瓦斯流动及分布规律,数值模拟结果与现场大量观测数据相吻合,为瓦斯治理和通风系统优化提供理论依据。研究表明,采用Y型通风系统可消除采空区向上隅角的集中漏风,从而有效解决了U型通风上隅角瓦斯积聚和回风巷中的瓦斯。     

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。     

浅埋近距离煤层群开采过程中上覆采空区自燃危险区预测研究

为揭示浅埋深近距离煤层群开采过程中地表裂隙发育对上覆采空区遗煤自燃的影响规律及影响范围,以苏家沟煤矿为研究背景,建立采空区流场流动及低温氧化的数学模型和三维几何模型。采用FLUENT模拟软件模拟了下煤层工作面推进过程中上覆采空区的氧气分布情况,得到了浅埋近距离煤层上覆采空区基于裂隙动态发育的氧气场和风流场的分布规律。依据采空区自燃危险区域判定理论,对上部煤层采空区内的自然发火危险区域进行预测。结果表明：连通地表与采空区的裂隙数量随工作面的推进而增加,上覆采空区氧化升温区域主要集中在滞后工作面0～20 m范围内,采空区深部的氧化带分布在新、老裂隙附近,在进风侧靠近地表且在回风侧靠近裂隙底端;当工作面推进120 m,即产生3条贯通型裂缝时,采空区自燃危险性最大,结合风流场云图确定上煤层底板自燃危险区距工作面水平距离为97.5 m,是煤矿开采过程中的重点防护区域。     

高速公路长隧道入口段可变限速研究

为提高高速公路长隧道入口段的交通安全,缓解驾驶人生理心理不适,对入口段实施可变限速控制策略。采用宏观交通流模型,以事故率最小为目标,以速度限制为约束条件,建立可变限速控制优化模型,并采用遗传算法对整个可变限速模型进行求解,确定可变信息板数目与相应的可变限速值。基于采集的交通流数据,运用微观仿真软件对长隧道入口段实施可变限速控制,并与未实施可变限速的情况进行对比。结果表明:对高速公路长隧道入口段实施分区间可变限速控制,在无交通事故的情况下,能够减少车辆运行速度的离散性;若隧道内发生事故,能够减少26.67%车辆停车次数和21.13%的平均旅行时间。研究表明,对长隧道入口段实施可变限速控制,能够提高交通安全,提高交通的运行效率。     

急倾斜综放面采空区注氮方案研究及数值模拟

急倾斜综放面由于大倾角开采、地质条件差等原因,导致工作面推进过慢,以致为采空区遗煤自燃提供了充分的供氧和蓄热条件,同时由于不能随采随注浆,进风隅角封堵也可能受障,采空区持续供氧,工作面后采空区大范围自燃的可能性也很大。注氮成为解决急倾斜综放面采空区防灭火的重要技术之一。为解决因注氮流量、注氮位置凭经验设置造成的氮气浪费问题,采用Fluent数值方法优化急倾斜注氮方案,分析了注氮量、注氮位置等参数对急倾斜综采面采空区氧气和氮气的体积分数分布,及自燃"三带"分布的影响规律,得出急倾斜综放面采空区注氮量、注氮位置和工作面风量的合理匹配。结果表明:供风量越大,采空区横三带后移,宽度越大,注氮位置与氧化带前端距离随工作面风量增大而增大,但是风量增大到1 000 m3/min后,变化较小,注氮位置基本控制在距离工作面25 m左右;注氮量在600~800 m3/h时效果明显。根据模拟结果,提出了双管注氮方案,解决了急倾斜综放面采空区自燃发火问题。