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1、2023/6/1,1,掘进工作面推进冲击地压原因及条件：在有冲击地压危险的煤层条件下掘进巷道，冲击地压发生和实现的条件如图所示。,2023/6/1,2,a 留小煤柱（“内应力场”范围内）掘进 在“内应力场”形成和稳定之前开掘巷道（图中1位置），存在冲击地压危险（采深大于300m）；在“内应力场”形成稳定后（图中2位置），开掘巷道可以避免冲击地压发生；在未经采动释放的构造应力场中掘进巷道，将有瓦斯和煤层同时突出的危险。,b 大煤柱护巷方案 高应力区开掘巷道（采深大于300400m）时，存在冲击地压危险；在低应力区开掘巷道，在采深小于600800m时，将避免冲击地压的发生。,2023/6/1,3,
2、回采工作面推进过程中冲击地压发生原因及实现条件：a.回采工作面内冲击地压发生和实现的条件 单一重力场冲击地压将发生在坚硬岩层顶板第一次裂断开始到采场第一次来压阶段完成，推进距离接近工作面长度的时的范围内。“内应力场”形成之后的采场推进全过程中，出现冲击地压的可能性将很小。,2023/6/1,4,.临近构造应力场应力高峰区掘进开切眼至坚硬岩层裂断来压完成期间时，始终存在冲击地压的威胁，进入出现“内应力场”的正常推进阶段后，冲击地压事故灾害出现的可能性同样将很小。,2023/6/1,5,b.回采巷道冲击地压实现的条件在采场推进全过程中，伴随坚硬顶板裂断，始终存在诱发冲击地压的威胁；,2023/6/
3、1,6,随采场推进和坚硬顶板跨落，以及支承压力的增加，伴随坚硬顶板裂断，回采巷道破坏的范围将进一步加大，进入正常阶段将达到最大化,2023/6/1,7,受两侧坚硬顶板悬露，支承压力叠加的影响，回风巷道冲击地压破坏的范围远比运输巷道大得多。,2023/6/1,8,(2)煤柱充填护巷控制冲击地压的优势沿空掘巷“U”型通风方案 a.实现了在稳定内应力场掘进，从而避免了掘进中冲击地压和瓦斯煤层突出事故的可能性。b.排出了护巷煤柱聚集高强度压缩弹性能的条件，使回风巷道始终处于已破坏的煤壁缓冲保护之下。,2023/6/1,9,沿空留巷“Y”型通风方案 a.避免了在应力高峰区，高强度压缩弹性能的部位开掘回风
4、巷道引发冲击地压的可能性。b.避免了回采工作面推进回风巷道发生冲击地压灾害的可能性。,2023/6/1,10,无煤柱充填开采模式应用的水害控制研究基础,(1)顶板透水事故的预测和控制相关信息基础,2023/6/1,11,(2)底板突水事故的预测和控制相关信息基础,保护煤柱留设示意图,2023/6/1,12,留煤柱与不留煤柱与突水的关系图,(a),(b),2023/6/1,13,针对煤炭高效安全开采，特别是重大事故预测和控制需要在广大现场工程实践基础上，逐步发展和完善的“实用矿山压力控制”理论研究的相关成果，包括采场推进上覆岩层运动和应力场应力大小分布发展变化规律的研究，以及以此为基础的用于指导
5、事故灾害预测和控制决策的采场结构模型建设的研究，为无煤柱安全高效开采优化设计和实施奠定了理论基础。,2.2无煤柱充填开采模式方案设计的工程理论基础,2023/6/1,14,涉及无煤柱充填开采模式优化设计和有效实施的工程理论基础包括以下三个部分：(1)采场推进覆岩运动和支承压力分布发展规律及采场结构模型建设的研究 以重大事故和环境灾害控制为目标的采场覆岩运动及支承压力发展变化规律的研究，及以此为基础的采场结构模型建设的相关研究成果，充分论证了无煤柱充填开采模式推广应用的重要意义。采场推进实现垮落的岩层和保持向煤壁前方传递作用力联系的裂断岩梁（传递岩梁）运动和相关的支承压力分布发展规律（如图1所示
6、）：包括推进至工作面长度（L0）时，裂断岩梁发展到最上部（最大裂断拱高）时的第一次来压阶段和保持相对稳定的拱高，所有岩梁进入周期性裂断的正常推进阶段。,2023/6/1,15,达到工作面长度时，沿工作面长度方向切割揭示的裂断拱内岩层和两侧煤壁上的支承压力分布状况如图2所示。,图1 推进方向采场裂断拱发展变化示意图,2023/6/1,16,图2 采场推进距离（L0）时采场结构模型,2023/6/1,17,采场结构模型建设与相关事故发生原因条件及事故控制的关系采场及准备巷道推进产生的促使围岩向已采空间运动的矿山压力及其显现是煤矿顶板、瓦斯、冲击地压等重大事故的根源。研究不同采动条件下矿山压力大小、
7、分布及覆岩运动破坏的规律，包括受采动影响运动和破坏的岩层范围和受采动影响重新分布的应力场范围及其应力大小分布的特征，以及他们在形成和发展过程与相关事故和环境灾害间的关系，是煤矿重大事故和环境灾害控制的基础。,2023/6/1,18,我们把描述不同开采深度和覆岩情况等既定条件的煤层，在不同采动条件(包括采高、工作面长度及开采程序等)下覆岩运动破坏和矿山压力大小、分布及其随采场推进发展规律的模型定义为采场结构力学模型。针对具体煤层条件和采动条件（包括工作面长度、采高和开采程序等），科学正确的建立起该结构模型和确定相关结构参数，是实现该工作面推进过程中事故、环境灾害控制、相邻采场回采巷道掘进准备、回
8、采推进过程中的事 故和环境灾害控制的基础。,2023/6/1,19,图3为近水平煤层当工作面推进到工作面长度后采场进入正常推进阶段平行工作面切割的采场结构力学模型。显然，如果该工作面长度条件下形成的破坏拱沟通上部含水层，采场透水事故即不可避免。同样，如果上部存在有高含瓦斯的煤层或者着火的煤层与之沟通，采场推进过程中就有发生瓦斯和火灾等重大事故的可能性。,图3 采场结构模型图,2023/6/1,20,图中1、2、3为该工作面的相邻接续采场回风道可能的位置。显然，如果巷道选择在煤层已经破坏的“内应力场”中，即图中1的位置，且其是在涉及内应力场受力大小的破坏拱内岩层完全稳定之后开掘，则冲击地压、瓦斯
9、爆炸和瓦斯突出等重大事故就可以避免。该巷道支护需要考虑控制的岩层，仅仅是老塘已经垮落的部分(即直接顶)，因此支护受力很小，维护也比较容易。相反，如果该巷道开掘在采场应力高峰的部位，即图中2的位置，在煤层存在着瓦斯突出、冲击地压倾向的条件下，不采取特殊解危措施，则相关重大事故将不可避免，在该位置开掘巷道，其变形破坏如果将波及到下部承压水源的断层破坏区，底板突水事故即有可能发生。显然，在高应力区开掘和维护的巷道，即使开掘的时间在上部采场稳定之后都会是困难的。接续工作面推进时叠加的支承压力将达到难以承受的限度，巷道维护将极其困难。,2023/6/1,21,在采用煤柱护巷条件下，回采工作面推进产生冲击
10、地压、瓦斯突出事故时，煤柱保护的风巷破坏范围要比机巷大得多。此时在预留同样煤柱宽度的位置3掘进下区段回风巷引起相关的事故将不可避免。相反，如果采用在图4中4的位置实施在稳定的内应力场中送巷，则上述事故灾害即可完全避免。,图4 冲击地压与采场支承压力分布关系,2023/6/1,22,在有冲击地压和煤层突出危险的工作面发生的相关事故与覆岩运动和应力场分布发展间的关系如图5所示，即工作面推进至接近工作面长度“内应力场”产生事故发生的可能性很大，进入正常推进的平稳阶段，有足够宽度的内应力场缓冲，工作面很难出现灾害性的事故。,图5 正常推进阶段冲击地压发生的规律,2023/6/1,23,在生产现场针对具
11、体煤层条件，建立用以预测和控制相关事故发生的采场结构模型，包括模型组成和相关结构参数的确定，一般包括以下三个步骤：应用理论模型，针对具体煤层地质条件和采场条件推断模型结构组成和相关结构参数，即理论推断阶段；通过对“建模”的试采工作面的实测研究，校验理论模型和相关结构参数计算数学模型，以及所用岩石力学参数的正确性，即现场实测研究阶段；在实测研究的基础上调整相关计算数学模型和相应的力学参数，完成适用于本煤层不同采深和不同条件事故预测和控制决策的“采场结构模型”建设。,2023/6/1,24,(2)在“内应力场”掘进和维护巷道的矿压控制理论研究,图6 采场推进“内应力场”范围煤层压力和压缩过程,20
12、23/6/1,25,采场两侧煤壁上承受的压力随工作面推进发展变化的规律如图6所示。其中工作面从推进开始至“a+b”处范围表达了该区间破坏前后，在采场支承压力作用下受力变化的过程。由此继续推进至工作面长度L0范围的压力曲线，则表达了已破坏的煤壁（即已形成的“内应力场”中）在裂断拱内岩层沉降运动作用下受力大小变化的过程。图中相关曲线分别表达了裂断拱内垮落矸石在裂断岩梁下沉压力作用下压实过程中，“内应力场”煤壁上承受的压力进入稳定的发展过程。,2023/6/1,26,显然，等到工作面推进至Lmax，即岩梁沉降稳定后开始沿空送巷并保持一定的滞后距离，巷道承受的压力将很小，不超过垮落的直接顶作用力。同样
13、，如果采用沿空留巷方案，在工作面推进Lmax后再让巷旁充填材料承受压力，则要求充填材料阻抗力可以减少到足以抗衡垮落直接顶的作用即可。巷道表达上述结构模型侧帮煤柱上承受的垂直压力表达式为：,2023/6/1,27,(3)沉陷控制研究的相关理论成果 通过不同工作面长度和开采深度条件下地表沉陷实测分析研究抽象建立的采动沉陷预测控制结构力学模型如图7所示。,图7 采动沉陷预测控制结构力学模型,2023/6/1,28,其中 裂断拱两侧煤壁压缩量 裂断拱上部岩层最大挠曲沉陷值 表土含水层水位下降后压缩沉陷值,其中 沉陷岩层面积 开采深度 沉陷岩层边界移动角 采场支承压力分布范围 煤层抗压刚度,上述公式近似
14、计算可表示为：,在既定工作面长度（L0）条件下的地表最大沉陷值max为,2023/6/1,29,图8 采场支承压力三维结构力学模型,既定工作面长度下，支承压力范围S分布如图8所示模型由下列平衡方程表示：,2023/6/1,30,裂断拱上岩层挠曲沉陷值可用下式近似计算：其中 E-岩层弹性模量 p-岩层容重,既定采深H和工作面L0条件下的沉陷范围Sb可由下式表示：,2023/6/1,31,针对煤炭高效安全开采，特别是重大事故预测和控制需要在广大现场工程实践基础上，逐步发展和完善的“实用矿山压力控制”理论研究的相关成果，采场推进上覆岩层运动和应力场应力大小分布发展变化规律的研究，以及以此为基础的用于
15、指导事故灾害预测和控制决策的采场结构模型，为无煤柱安全高效开采优化设计和实施奠定了理论基础。,2.3 无煤柱充填高效安全开采模式的优越性,2.3 无煤柱充填高效安全开采模式的优越性,节能减排,伴生资源开发利用,煤矿安全生产及环境灾害的控制。包括井下重大事故灾害的控制和开采沉陷造成的地表环境灾害控制。,预留变形巷旁充填技术,预留变形量,巷旁充填,风带阻风（瓦斯）,单体液压支柱切顶,后方卧底扩巷,预留变形巷旁充填技术,预留变形量巷旁充填技术,A,A,预留变形量巷旁充填技术,风带,充填体,铰接顶梁,单体液压支柱,充填模板,h,hr,hc,h:巷道高度；hr:风筒高度；hc:充填高度,预留变形量巷旁充填技术,A,A,预留变形量巷旁充填技术,h,hr,hc,h:巷道高度；hr:风筒高度；hc:充填高度,预留变形量巷旁充填技术,A,A,预留变形量巷旁充填技术,hd:卧底高度；hc:充填高度,矸石,谢谢！,
