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高能气体—应力波双重作用下预裂切顶沿空留巷关键技术研究

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高能气体—应力波双重作用下预裂切顶沿空留巷关键技术研究

作者：谢若珺太原理工大学

学位级别：硕士

随着煤炭资源的可持续开发,煤炭资源减少,采用传统煤柱开采方法导致煤炭采收率低,资源浪费问题日益突出。因此,无煤柱沿空留巷开采技术的采用和推广将是煤炭资源可持续发展的重要方向。但现有的沿空留巷预裂切顶方法都存在着一些局限性... 详细信息

随着煤炭资源的可持续开发,煤炭资源减少,采用传统煤柱开采方法导致煤炭采收率低,资源浪费问题日益突出。因此,无煤柱沿空留巷开采技术的采用和推广将是煤炭资源可持续发展的重要方向。但现有的沿空留巷预裂切顶方法都存在着一些局限性。水压致裂和超临界二氧化碳致裂成本高,定向预裂成型差;聚能切缝致裂虽然施工工艺简单,但由于其钻孔间距仅为500mm左右,钻孔间距小直接导致了现场施工工程量大。除此之外,以上几种方法能量释放特点产生的定向缝在水平应力作用下有时会重新闭合,现场表现为采空区垮落不及时,留巷受采动影响剧烈。基于上述研究背景,本文综合采用理论分析、数值模拟和现场试验相结合的方法,运用岩石力学、爆破动力学、结构力学、矿压和岩层控制等交叉理论。通过理论分析探究了高能气体-应力波双重作用下岩石预裂原理,并建立了高能气体-应力波双重作用下损伤岩石模型;理论推导出预裂垮落区载荷的计算方法;并给出预裂区顶板垮落控制方程;确定高能气体-应力波双重作用下预裂切顶关键参数的方法;结合永明煤矿3121工作面具体工况计算出了产气具预裂切顶方案参数,通过数值模拟及现场试验验证方案可行性。论文主要的研究内容及取得的创新成果如下:(1)分析了产气具(新型矿用产品)预裂与其他破岩方式相比的优势和技术特点。探究了高能气体-应力波双重作用下岩石预裂原理。将其在岩石中的反应过程分为三个阶段,分别为高能气体作用阶段、应力波作用阶段和爆生气体作用阶段,并详细分析了各个阶段孔内压力随着时间的分布关系。(2)在爆炸应力损伤范围计算模型的基础上,根据高能气体-应力波双重作用原理,引入参数a作为高能气体第一阶段对孔壁的损伤,建立高能气体-应力波双重作用下损伤岩石模型。探究岩石在高能气体-应力波双重作用下,高能气体阶段释放压力小于(大于等于)原岩应力两种状态时的钻孔损伤模型,该模型只需知道岩体抗拉强度、泊松比就可方便预测爆破岩体损伤范围,更加符合工程实际。(3)提出了预裂切顶“弱化带”概念,厘清了预裂切顶切断岩层应力传递及控制垮落的作用,并基于该概念确定了预裂垮落区的范围和计算模型,改进“关键层”载荷计算方法,推导出预裂垮落区载荷的计算方法。(4)厘清了“预裂层”和“未预裂层”在预裂切顶中的作用,为实现预裂垮落区顶板架后垮落的可调可控,提出了“垮落调控比”概念和计算方法,并将其作为主控因素,建立预裂区顶板及时垮落控制方程并对其进行了分类界定,具体可分为:(1)当垮落调控比k顶板滞后垮落造成架后悬顶。(2)当及时垮落界限值k≥超前冒顶界限值k时,极易发生架前冒顶。(3)当k≤k顶,是顶板预裂的理想情况。(5)提出了高能气体-应力波双重作用下预裂切顶关键参数的确定方法,分析了影响高能气体-应力波双重作用下预裂切顶效果的各种因素,给出了切顶高度、切顶角度、孔间距和装药比等切顶参数的理论公式。根据3121工作面的具体参数和产气具的参数,利用高能气体-应力波双重作用下预裂切顶关键参数计算方法,最终确定永明煤矿3121工作面的预裂切顶参数。(6)结合永明煤矿3121进风巷沿空留巷的现场工况,总结出“打孔、装药、封孔、绞线连接、启动”五步切顶卸压工艺预裂。并在沿空留巷的过程中,制定矿压监测方案,通过使用液压支柱测力计、顶板动态仪和锚杆锚索测力计矿压分别对单体液压支柱荷载、巷道顶底板移近量和锚杆、锚索受力情况进行监测。并对矿压监测结果进行规律分析,验证预裂切顶方案的可行性。

关键词：高能气体沿空留巷顶板垮落调控预裂切顶

预裂切顶卸压技术在王庄煤矿6212工作面的应用

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煤 2019年第9期28卷 54-55,83页

作者：董亮亮潞安环能股份公司王庄煤矿

王庄煤矿6212工作面与6208工作面相邻,两工作面之间留设5m保护小煤柱,6208工作面回风巷受6212工作面采动影响,顶、底板最大移近量约1502mm,两帮最大移近量约2087mm,巷道变形收缩严重。通过对6212工作面回风巷进行预裂切顶卸压,6208工作... 详细信息

王庄煤矿6212工作面与6208工作面相邻,两工作面之间留设5m保护小煤柱,6208工作面回风巷受6212工作面采动影响,顶、底板最大移近量约1502mm,两帮最大移近量约2087mm,巷道变形收缩严重。通过对6212工作面回风巷进行预裂切顶卸压,6208工作面回风巷顶、底板平均移近量减小了53.92%,两帮平均移近量减小了56.97%。实践证明:采用预裂切顶卸压技术可以有效控制6208工作面回风巷围岩的变形,保证巷道稳定,减小工程维修量。

关键词：预裂切顶卸压爆破大变形

基于FLAC3D数值模拟的预裂切顶成巷多参数合理性研究

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科技视界 2022年第33期 67-73页

作者：桑鹏程喻晓峰重庆工程职业技术学院重庆江津402260

切顶卸压无煤柱自成巷开采技术是以“切顶短臂梁[1]”理论为指导。顶板在自重和构造应力的作用下,沿定向预裂切缝卸压切落,自动形成巷道。确定合理的切顶基本参数[2]是顶板按照设计位置准确切落的关键。本文以四川某煤矿2315采煤工作面... 详细信息

切顶卸压无煤柱自成巷开采技术是以“切顶短臂梁[1]”理论为指导。顶板在自重和构造应力的作用下,沿定向预裂切缝卸压切落,自动形成巷道。确定合理的切顶基本参数[2]是顶板按照设计位置准确切落的关键。本文以四川某煤矿2315采煤工作面为研究对象,采用FLAC3D进行了不同的钻孔深度、钻孔角度、钻孔密度数值模拟研究,最终确定并验证切缝钻孔深度5.2m、切缝角度12°、切缝钻孔间距0.5m、钻孔直径为32mm等参数是合理有效的。研究成果对薄煤层的切顶参数设计有一定参考价值。

关键词： FLAC3D数值模拟预裂切顶钻孔参数围岩应力

爆破预裂切顶卸压在采煤工作面回撤通道支护中应用

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内蒙古煤炭经济 2022年第11期 136-138页

作者：朱克仁石忠浩贵州盘南煤炭开发有限责任公司贵州六盘水553505 贵州安和矿业科技工程股份有限公司贵州贵阳550081

贵州盘南煤炭开发有限责任公司响水矿井120315采煤工作面采用预裂切缝卸压方式回收工作面,利用采场周期来压沿空切顶,形成对上覆老顶岩梁的支撑结构,控制老顶的回转和下沉变形,实现卸压作用。预裂切缝卸压开采技术,能将顶板按设计位置切... 详细信息

贵州盘南煤炭开发有限责任公司响水矿井120315采煤工作面采用预裂切缝卸压方式回收工作面,利用采场周期来压沿空切顶,形成对上覆老顶岩梁的支撑结构,控制老顶的回转和下沉变形,实现卸压作用。预裂切缝卸压开采技术,能将顶板按设计位置切落,切断顶板的应力传递,使其处于卸压区,解除了高应力环境的威胁。

关键词：预裂切顶爆破工作面回收

金谷矿沿空留巷预裂切顶技术及补强支护研究与应用

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煤矿现代化 2022年第2期31卷 65-69页

作者：王峰冀中能源邢台矿业集团有限责任公司生产技术部河北邢台054000

为了提高煤矿井下回采工作面沿空留巷的成功率,以及对沿空留巷围岩稳定性的控制。本文以金谷矿10901工作面为工程背景,采用沿空留巷技术将10901运输巷保留下来,作为10903工作面的回风巷道,通过理论分析,将基本顶简化为板结构,对其回转... 详细信息

为了提高煤矿井下回采工作面沿空留巷的成功率,以及对沿空留巷围岩稳定性的控制。本文以金谷矿10901工作面为工程背景,采用沿空留巷技术将10901运输巷保留下来,作为10903工作面的回风巷道,通过理论分析,将基本顶简化为板结构,对其回转下沉力学进行分析,分析认为板在受纵向压应力时更容易破坏,对采空区顶板实施预裂切顶有利提高沿空留巷的成功率和完整性。在此基础上,结合工程地质资料,详细设计了沿空留巷预裂切顶方案和锚索补强支护方案,并运用于工程实践。通过对现场监测发现,采用预裂切顶和锚索补强支护后成巷比较完整,巷道顶底板位移和两帮位移较小,能够满足下区段工作面的生产要求。

关键词：沿空留巷理论分析预裂切顶补强支护围岩稳定性

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综采面预裂切顶方案应用研究

能源与节能 2022年第9期 195-197页

作者：杜炜霍州煤电集团回坡底煤矿山西洪洞041600

以东四采区左翼10#煤层综采面为研究背景,在工作面煤壁后方200~300m范围内实施了预裂切顶方案,利用双向聚能爆破,采用6眼连爆的方式引爆。矿压规律显示,液压支架压力范围为10.2~49.6 MPa,工作面推进至33m左右时顶板垮落,证明了预裂切顶... 详细信息

以东四采区左翼10#煤层综采面为研究背景,在工作面煤壁后方200~300m范围内实施了预裂切顶方案,利用双向聚能爆破,采用6眼连爆的方式引爆。矿压规律显示,液压支架压力范围为10.2~49.6 MPa,工作面推进至33m左右时顶板垮落,证明了预裂切顶方案的可行性。

关键词：综采面预裂切顶双向聚能爆破矿压规律

特厚煤层综放窄煤柱沿空煤巷切顶护巷效应与围岩控制研究

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采矿与安全工程学报 2024年

作者：翟文立何富连王振刘东明宋佳宇伍严灏许旭辉中国矿业大学(北京)共伴生能源精准开采北京市重点实验室晋能控股煤业集团马道头煤业公司中国矿业大学(北京)能源与矿业学院

针对大同矿区特厚煤层窄煤柱沿空煤巷受大采出空间、强采动等影响造成大变形难题，以马道头矿为工程背景，采用现场实测、数值模拟及现场试验等方法研究了基本顶断裂线、预裂切顶对沿空煤巷围岩偏应力全周期演化规律。揭示了基本顶断裂... 详细信息

针对大同矿区特厚煤层窄煤柱沿空煤巷受大采出空间、强采动等影响造成大变形难题，以马道头矿为工程背景，采用现场实测、数值模拟及现场试验等方法研究了基本顶断裂线、预裂切顶对沿空煤巷围岩偏应力全周期演化规律。揭示了基本顶断裂线位于实体煤上方、采空区上方时不利于沿空巷道围岩稳定原因；分析了掘、采期间预裂切顶效应，预裂切顶降低了沿空巷道围岩畸变能，峰值位置向远离巷道位置偏移，同时一定程度的改善了沿空巷道围岩应变环境；通过现场试验特厚煤层综放窄煤柱沿空煤巷采用“切-锚-支-注”综合策略后，沿空煤巷在掘进、回采期间的巷道稳定性良好，围岩变形与稳定性整体可控。研究成果可为特厚煤层窄煤柱沿空煤巷围岩稳定性控制提供一定的科学依据。

关键词：特厚煤层窄煤柱预裂切顶偏应力围岩控制

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巷旁充填留巷顶板结构分析与围岩控制技术

煤炭工程 2024年第1期56卷 41-48页

作者：贾靖卢志敏任伟杨洪增国家能源充填采煤技术重点实验室河北邢台054000 河北煤炭科学研究院有限公司河北邢台054000 河北充填采矿技术有限公司河北邢台054000 河北省充填采煤技术创新中心河北邢台054000

为研究沿空留巷顶板结构特征及其支护技术,基于弹性力学薄板理论,建立了沿空留巷顶板悬板结构模型,推演了两种边界条件下悬板主应力表达式,构建了应力比例系数作为薄板破坏判据,研发了沿空留巷巷内顶板斜拉锚索加强支护、巷旁超高水材... 详细信息

为研究沿空留巷顶板结构特征及其支护技术,基于弹性力学薄板理论,建立了沿空留巷顶板悬板结构模型,推演了两种边界条件下悬板主应力表达式,构建了应力比例系数作为薄板破坏判据,研发了沿空留巷巷内顶板斜拉锚索加强支护、巷旁超高水材料复合支护技术。研究结果表明:锚网索支护沿空留巷过程中实施超前预裂切顶,顶板可形成悬板结构,该结构随上覆顶板运动可形成一对边简支一对边自由和一对边固支简支一对边自由两种悬板形式;在矿山压力作用下两种悬板破坏部位不同,可以此作为布置顶板斜拉锚索的依据;顶板斜拉锚索对悬板起悬吊和水平挤压作用。现场试验结果证明了理论分析的可靠性。

关键词：巷旁充填沿空留巷超高水材料悬板结构预裂切顶

大采高松软煤层柔性充填沿空留巷技术应用研究

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科技通报 2024年第6期40卷 57-62,79页

作者：曹锋王峰马强张红卫侯荣彬张凯河南省许昌新龙矿业有限责任公司河南禹州461670 江苏泰禾建设工程有限公司江苏徐州221110 华北水利水电大学郑州450045 中国矿业大学江苏徐州221110

针对梁北矿厚煤层沿空留巷围岩稳定性问题,本文提出“预裂切顶-超前加固-高水充填”三位一体沿空留巷围岩协同控制技术。通过室内试验、理论分析、工程类比、数值模拟等方法,确定了梁北矿21051东工作面机巷沿空留巷预裂切顶、超前加固... 详细信息

针对梁北矿厚煤层沿空留巷围岩稳定性问题,本文提出“预裂切顶-超前加固-高水充填”三位一体沿空留巷围岩协同控制技术。通过室内试验、理论分析、工程类比、数值模拟等方法,确定了梁北矿21051东工作面机巷沿空留巷预裂切顶、超前加固和高水充填支护参数。现场监测结果表明:梁北矿21051东工作面沿空留巷在滞后工作面120 m范围内围岩变形呈增长趋势,120 m后趋于稳定,最终变形量在可控范围,留巷取得成功。相关技术方法可为类似矿井沿空留巷工程提供一定参考。

关键词：大采高沿空留巷高水材料预裂切顶巷旁支护