浅析条带充填开采煤柱宽度和开采宽度的确定

本文通过对条带充填开采煤柱载荷和煤柱强度的理论分析,提出了条带充填开采所需留设的合理煤柱尺寸及开采宽度。理论,试验研究和开采实践证明,条带开采充填采空区能够降低采面周围的支承压力,开采后工作面周围的应力分布较长壁全面开采更为均匀,这种开采方法被广泛的应用于“三下一上”采煤之中。条带开采方法就是将煤层块段划分成比较正规的条带形状,采一条留一条,保留的条带煤柱能够承受上覆岩层的部分载荷。在采留宽度合理的条件下,可以减少由于煤层开采引起的矿山压力,避免或减小底板突水的发生,地表只发生轻微均匀的移动和变形。煤柱的强度及稳定性受多方面的因素制约,如煤的抗压强度,煤柱尺寸大小,形状及采空区顶底板的管理方法等。在煤柱尺寸及形状一定的条件下,煤柱的承载能力不仅受到煤的抗压强度的限制,而在更大程度上煤柱强度取决于煤层侧向变形阻力和煤层沿着与顶底板岩接触上的磨擦阻力。试验结果表明(1)在煤柱内部处于三向受力状态时,它能承受200mp2的应力,而在煤柱外边缘的单向抗压强度仅为5~40mp2;(2)在宽高比相同时,长方形煤柱比正方形煤柱的强度高40%,这是因为长方形煤柱的周边较长,从而提供的侧限力较大。增加煤柱的侧限力就能提高煤柱的...     

大采高大断面迎采沿空巷道窄煤柱宽度研究

根据山西马堡煤矿地质条件，通过极限平衡理论、内外应力场理论计算出迎采巷道煤柱宽度范围为6.48～8.97 m.采用FLAC^3D数值模拟软件，分别模拟了煤柱宽度为5～9 m时，在15202运输顺槽掘进过程中，煤柱应力分布、塑性区分布及迎采沿空巷道围岩变形规律，结果表明：随着煤柱宽度的增加，煤柱峰值应力及塑性区范围不断减小，煤柱宽度为7 m以后，峰值应力减小趋势和塑性区变化均不明显，围岩变形逐渐趋于稳定，综合考虑安全开采和资源高效利用，最终确定煤柱宽度为7 m.通过模拟煤柱不同位置在采掘过程中的应力变化，确定采掘应力叠加影响范围为采掘间距30～-30 m,并结合15202运输顺槽不同位置的围岩变形情况，给出了合理的支护建议。     

深井厚煤层综放沿空掘巷煤柱合理尺寸研究

以山东新河煤矿为研究背景,采用理论分析与计算、数值模拟、现场监测等方法,对深井厚煤层综放面沿空掘巷小煤柱合理尺寸进行研究,建立了深井厚煤层综放面沿空巷道顶板(煤)破断结构模型,计算出上工作面侧向支承压力低应力区范围为13.3m,小煤柱合理尺寸为5~6m;利用FLAC3D模拟上工作面侧向支承压力分布特征及不同宽度煤柱下小煤柱应力分布特征。结果表明:上工作面侧向低应力区范围为14m;一方面,随煤柱宽度增加,具有承载能力的煤柱宽度增大,另一方面,煤柱上方高应力区范围也在增大,仅5m和6m煤柱顶板高应区的范围较小。现场工业实践选择留5~6m煤柱进行掘巷,由巷道表面位移监测结果知,巷道变形满足工作面回风、运输等生产要求。     

特厚煤层大采高综放开采区段煤柱留设宽度研究

针对特厚煤层大采高综放开采区段煤柱合理留设的问题,以同发东周窑煤矿为工程背景,采用弹性力学极限平衡法求得煤柱合理的理论留设宽度为20.87～24.08 m,利用工程类比法得到该煤矿上区段采空区煤柱侧严重塑性破坏区宽度约为4 m.运用FLAC3D数值分析软件对四种煤柱留设方案下煤柱内部的垂直应力、塑性破坏特征及巷道围岩的变形量进行剖析,以确定该煤矿区段最合理的煤柱留设宽度.结果显示：窄煤柱受大采高综放开采的特厚煤层和下区段回采双向侧向支承压力叠加的影响容易失稳变形破碎.综合考虑,最终确定该煤矿区段煤柱合理留设宽度为24 m.     

漳村煤矿综放开采合理煤柱宽度研究

针对漳村煤矿厚煤层综放工作面宽煤柱护巷巷道变形量大,煤柱破坏较为严重的情况,研究适合其工作面的合理煤柱宽度.首先,运用弹塑性理论分析法确定煤柱中部弹性区宽度至少大于3.30m,同时在中央没有应力平稳带即弹性核的情况下,运用极限平衡区法确定护巷煤柱宽度为6.48m;其次,应用三维数值模拟软件对不同煤柱宽度情况下,综放开采工作面巷道的变形以及煤柱的破坏情况进行对比分析;最后,综合考虑资源回收、安全系数和巷道支护等因素,确定其合理煤柱宽度为10m,该研究对实际生产方案的设计具有参考意义.     

浅埋大采高工作面区段煤柱下合理留设宽度模拟研究

本文利用FLAC3D数值模拟软件通过建立模型对不同宽度煤柱下巷道围岩垂直应力、变形及破坏规律进行了研究分析。研究认为:随着煤柱宽度的增大,煤柱应力集中范围越来越小,应力集中系数越来越小,逐渐呈现均匀承载现象,同时巷道围岩位移量、煤柱塑性区、巷道围岩塑性区范围也逐渐减小。随着煤柱宽度的增大,煤柱弹性区域范围越大,煤柱越稳定,回采巷道越安全,考虑到煤柱过宽会造成资源的浪费,最终确定合理的区段煤柱尺寸在14~16 m之间。     

条带开采中含弱面的煤柱尺寸设计

针对在条带开采煤柱尺寸设计中大多数是采用强度稳定性分析的方法,而没有考虑弱面对煤柱稳定性的影响,由于弱面的存在,煤柱常常会因抗剪强度不够而产生剪切破坏等问题。采用分析计算的方法,根据煤柱弱面的剪切强度来设计条带开采煤柱的尺寸。首先采用有效区域理论计算了煤柱载荷;然后,由莫尔应力圆理论和库伦准则得出了含弱面的煤柱所能承受的极限载荷;最后得出了保留煤柱宽度的计算公式。研究表明：煤柱侧向压力对其强度和稳定性影响很大,当煤柱强度不足时,应采取调整煤柱位置、加大煤柱宽度和进行充填等措施来提高其稳定性。     

条带充填置换条带煤柱技术研究

提出并阐明了采用条带充填开采置换条带煤柱的基理,分析了影响置换充填开采的关键因素,从充填体宽度、强度及充填方法方面研究了最佳充填开采模式.研究结果表明：条带充填体置换煤柱过程中,条带充填体起到“桥墩”作用,合理设计“桥墩”的支撑强度、宽度及充填方法以控制“关键层”运动幅度,是实现矿山压力的平稳转移和覆岩运动有效控制的关键;采场“关键层”的沉降量与“桥墩”的弹性模量E和宽度D密切相关,通过研究“关键层”的沉降量及充填成本与“桥墩”的弹性模量E和宽度D的关系可以确定最佳“桥墩”的弹性模量E和宽度D;采场的安全系数θ由充填体强度σt与宽度D决定,通过研究安全系数及充填成本与充填体强度及宽度的关系可以确定最佳充填体强度.     

缓倾斜厚煤层浅部回采区段煤柱留设宽度优化

以某煤矿缓倾斜厚煤层浅部区段煤柱为对象.首先,利用数值模拟方法分析不同煤柱宽度下煤层回采时巷道围岩主应力、塑性区、支护结构应力及位移特征,评价巷道围岩稳定性,确定煤柱合理宽度范围.结果表明:煤柱宽度为3m时,区段煤柱莫尔应力圆与强度包络线相交、塑性区贯通、支护结构趋于破坏;宽度为6 m时,区段煤柱仅存30％弹性区、支护结构趋于破坏;宽度为9～12 m时,巷道围岩应力圆与强度包络线相离、处于弹性变形阶段、支护结构具有良好的承载力、围岩位移小,满足煤矿生产需求,为煤柱合理宽度范围.其次,通过工程实际验证.结果表明:煤柱宽度为9m时,能有效控制围岩变形破坏,煤炭生产效率与回收率最优化.可见缓倾斜厚煤层浅部区段煤柱留设优化宽度为9m.     

陕蒙深部矿区基于防冲的区段煤柱宽度研究

以陕蒙深部矿区纳林河二号井双巷快速掘进条件下首个临空工作面开采为背景，采用理论分析、数值模拟和现场监测等方法，研究了不同宽度区段煤柱应力分布规律，揭示了宽区段煤柱应力叠加诱冲机理，并在此基础上指出下阶段基于防冲的窄区段煤柱宽度设计方法。研究结果表明：宽区段煤柱受采空区侧向支承压力、走向支承压力和上覆厚硬岩层破断产生的动载应力等多个因素影响，当形成的叠加应力达到冲击发生的临界应力时，将使冲击显现；下阶段纳林河二号井留设区段煤柱宽度为5～7 m较为合理。陕蒙深部矿区其他类似条件矿井可在此基础上积极探索窄煤柱留设方式，以期降低临空巷道发生冲击地压灾害的可能性。     

煤层群下行开采煤柱应力传递规律

为研究煤层群开采过程中遗留煤柱应力传递规律,防治下煤层开采中上部煤柱应力传递形成应力集中引起的矿井动力灾害.采用理论研究与数值模拟的方法对煤柱的应力传递规律进行研究.应用土力学原理对集中应力和线性应力在岩体中垂直近似传递规律公式进行推导;运用FLAC3D软件对同忻矿8104工作面区段煤柱应力状态及上覆侏罗系煤柱应力传递规律进行数值模拟,对不同宽度以及不同应力场条件下煤柱应力传递规律进行分析.研究发现,煤柱应力垂直传递受到自身宽度、埋深、采高和煤层倾角的影响,同时还受下部采空区的影响.8104工作面准备完成后煤柱所受应力较高,工作面前方应力升高区近100 m,工作面推进到550 m时矿压显现较严重,对工作面安全作业威胁较大,煤柱应力升高主要是由上部采空区煤柱应力传递及采空区悬顶面积过大所引起.     

宁东煤田“三下”压煤条带煤柱穿巷开采技术的适用性及其关键力学问题研究*

宁东能源基地是国家规划的13个亿吨级大型煤炭基地之一,是国内少有的百亿吨级整装煤田,随着各矿井陆续投产,常规开采中"三下"压煤、保护煤柱及边角残煤等引起了大量的煤炭损失,这与国家可持续发展的国策不符,而穿巷开采是回收宁东煤田"三下"压煤条带煤柱可行的办法,为此需要解决好三个关键问题:首先,在综合考虑地质条件等因素后确定技术方案,同时结合理论分析与现场监测等手段,做好"采留比"的设计,主要包括确定巷道临界宽度和兼顾经济性和安全性的最小煤柱宽度;其次,要控制好掘采后巷道的充填质量,必要的时候可以在充填体中注浆,以提高充填堆积体的整体强度和空间刚度,增强充填体对顶板的支撑能力和对煤柱的约束强度,以减轻顶板大范围离层;最后,为了保证穿巷开采的顺利实施,在开采工艺上可以采取间隔式跳采法,这样大大降低了掘采过程中巷间煤柱失稳的概率,提高了永久损失煤柱回收的效率。通过实施穿巷开采,地面基本实现无矸石堆存,地表沉陷和次生地质灾害得到有效控制,地下水系和地面生态环境破坏程度大幅度降低,实现绿色开采。     

缓斜煤层拱形沿空巷道煤柱设计及控制

针对缓斜煤层沿空巷道偏载应力作用,两帮煤体呈现非对称大变形、破坏,巷道维护困难的问题,以魏家地煤矿2303工作面运输巷为工程背景,采用理论分析、数值分析并结合现场实践的方法,确定煤柱合理宽度并揭示倾斜煤层沿空掘巷围岩控制机理。结果表明:基于应力极限平衡及广义H-B强度破坏准则确定的煤柱塑性区宽度是个变化值,开挖扰动权重参数在0～1之间变化,煤柱塑性区宽度范围为8.1～8.5 m,结合数值分析结果,最终确定煤柱合理宽度为5.0 m.提出煤柱帮中部近水平位移为零区域(承压区)短锚索支护、实体煤侧压剪破坏严重区域(深度达6～7 m)高强度锚索支护的高预应力让压控制技术。巷道掘进期间两帮移近量为160 mm,顶板下沉量为65 mm,只需起底一次,围岩控制效果良好。     

倾斜煤层采动影响下的挤压变形区移动变形特征分析

以重庆南桐矿区为工程背景,通过三维数值模拟方法,对倾斜煤层在三种不同开采宽度工况下上覆岩层移动挤压变形区特征进行了研究。结果表明:采宽由80 m增加到160 m时,煤层与岩层交接处应力变化较小,挤压变形区地表下沉速度较为缓慢;采宽由160 m增加到240 m时,煤层与岩层交接处应力变化非常显著,挤压变形区地表产生明显下沉;不同的开采工况下,挤压变形区沉陷位移都会出现一个峰值,且位于开采区下山方向,挤压变形区沉陷值受水平应力影响较小,走向和倾向方向的沉陷值以该峰值曲线呈中心对称。     

特厚煤层综放工作面区段煤柱合理宽度

为合理确定煤柱合理宽度实现煤矿安全高效生产,以酸刺沟煤矿6上煤层的6上107辅运顺槽与6上109胶运顺槽之间的区段煤柱宽度研究为工程背景,采用煤柱载荷估算法、煤柱宽度塑性理论计算法,得出煤柱合理宽度范围应该为20.8~29.5m;再根据数值模拟对比分析不同宽度煤柱的塑性破坏范围变化、围岩应力变化,确定合理煤柱宽度为25~30m.同时在分析煤柱宽度理论公式计算和数值模拟缺点和不足的基础上,制订了在6上111胶运顺槽进行工程试验的方案,采用支护受力监测仪、围岩监测仪现场监测锚杆锚索受力情况及巷道围岩的变形量,最终确定区段煤柱留设的合理宽度,该研究结果对类似开采条件下确定区段煤柱合理宽度具有重要意义.     

浅埋综采工作面区段煤柱宽度优化

以龙华煤矿3^-1煤30203工作面为工程背景,采用现场实测,理论分析和数值模拟的方法进行了区段煤柱宽度优化研究。建立了三维有限差分模型,分析了不同煤柱宽度时煤柱的弹性区宽度,煤柱支承应力分布规律以及顺槽围岩变形特征。完成了煤柱松动区数字钻孔成像和煤柱受力特性现场实测方案设计并开展了实测分析,得出了顺槽煤柱松动区范围和塑性区宽度。实测结果表明20 m的区段煤柱宽度有优化的空间。综合分析数值模拟和理论分析的结果,建议龙华煤矿3^-1煤综采工作面区段煤柱合理宽度为15 m。最后进行现场工业性试验验证了理论分析和数值模拟的合理性。该研究结果可以提高煤层回采率,增加经济效益,可为类似开采条件下区段煤柱的留设提供参考。     

深井采空区宽条带煤柱受力状态研究

为研究深井采空区宽条带煤柱受力状态,对唐口矿千米深矿井宽条带开采采空区煤柱受力状态进行了实际观测和分析.结果表明:距煤柱边缘6～8m区域为压力峰值区,距边缘10m区域承载附加应力较小;在锚网带支护系统作用下,煤壁边缘并不完全坍塌垮落;越靠近煤柱内部,其实际支撑能力越大,在距边缘1m区域的煤柱实际强度约为10.2MPa;深井覆岩外应力拱所需承载的覆岩重量要比浅井大得多,煤柱外应力场峰值和影响范围都明显大于浅井.     

浅埋煤层群工作面合理区段煤柱留设研究

为确定浅埋煤层群开采合理的上下煤层区段煤柱布置,减缓下煤层煤柱集中压力和地表裂缝发育,实现环境友好的安全开采,论文以陕北神南矿区柠条塔矿为背景,采用Flac3D分析1~(-2)煤层和2~(-2)煤层工作面同采区段煤柱宽度和不同留设方式的应力和塑性区分布规律,以及不同煤柱错距地表下沉规律。通过物理相似模拟,揭示1~(-2)煤层和2~(-2)煤层区段煤柱不同错距的岩层破断规律。研究得出:1~(-2)煤层合理的煤柱宽度为20 m;下煤层煤柱应力、地表下沉梯度和地表拉裂缝随着煤柱错距的增大而减小,沿倾向煤柱错距达到40 m时下煤层煤柱集中应力和地表拉裂隙明显减弱。同采工作面沿走向错距大于60 m时,地表下沉梯度和地表拉裂隙明显减小。     

基于突变理论的深部煤柱稳定性

本文针对神华新街矿区盾构工法建设煤矿长距离斜井,研究了深部条件下保护煤柱的自身稳定性。研究发现,根据煤柱不同区域受力特征的差异性,可将其分成弹性核区和边缘塑性区,在此基础上建立了煤柱尖点突变模型,并经推导得到了煤柱的失稳判别公式。通过数值计算(UDEC)分析了深部盾构斜井保护煤柱在开采过程中的稳定状态。试验结果表明,随着煤层的开采能量缓慢释放,120m煤柱自边缘向内部逐渐屈服,并在单侧出现4.5m的塑性区。经公式判别,该工程中保护煤柱可以在深部开采条件下保持稳定,研究结果对相似工程中合理煤柱的留设提供了借鉴。     

长壁开采煤柱支承压力及塑性区分布规律

为了研究长壁开采采面面间煤柱支承压力与塑性区分布规律,采用理论推导、数值模拟、现场监测的方法,通过考虑采空区上覆岩土体自重荷载作用下煤岩体的成拱效应,推导了临近采空区侧煤柱顶部支承压力计算式,基于所得支承压力对煤柱进行弹塑性分析,建立临界状态下煤柱弹塑性微分方程并求解,给出了煤柱塑性区计算式.根据玉华煤矿2410工作面工程地质条件,采用ANSYS对不同采深(500～600 m)与采空区宽度(160～280 m)的煤柱塑性区分布规律进行模拟研究,将数值模拟与理论所揭示的规律进行对比,研究理论适应范围;为验证理论的可靠性,进一步对玉华煤矿2410工作面回风巷道煤柱塑性区进行监测,并将监测结果与理论计算结果对比.结果表明:数值模拟揭示的煤柱塑性区分布规律与理论反映出的规律一致,同时发现在大采宽条件下计算出的煤柱最大塑性区宽度与模拟结果吻合度较高.现场监测结果进一步验证了计算理论的可靠性.研究结果给出了大采宽下长壁开采时综采工作面面间煤柱顶部支承压力分布以及最大塑性区宽度计算式,可为煤柱设计提供依据.