千秋矿综放面巨厚悬空砾岩层采动应力分布特征数值模拟研究

利用离散元软件UDEC4.0对千秋矿21141综放工作面在巨厚悬空砾岩层下的采动应力分布进行模拟研究。结果表明,随推采面积的加大,砾岩在不断弯曲变形,挠度增大,砾岩体对工作面前方煤体及切眼后方煤体的作用力逐渐增大,并随煤体的开采而重新分布,因此工作面煤体内部支承应力将随着煤体塑性范围的扩大向深部转移,并重新积聚产生新的冲击危险。

水泥-粉煤灰基矸石胶结充填体破坏特征及强度形成机制

在煤矿结构充填开采中,不同充填率条件下对矸石胶结充填体强度的需求不同,拟通过改变粉煤灰在水泥–粉煤灰二元胶凝材料用量中的占比(下称“粉煤灰占比”)调控矸石胶结充填体强度,对不同粉煤灰占比(0~90%)矸石胶结充填体进行单轴压缩试验,探明矸石胶结充填体的强度调控范围,结合数字图像相关技术对试样破坏形态进行分析,结合声发射事件对试样脆延性破坏模式进行分析。采用承压筒法和单轴压缩试验分别测定了煤矸石的强度和不同粉煤灰占比水泥–粉煤灰二元胶凝材料的强度,并根据煤矸石的强度与水泥–粉煤灰二元胶凝材料的强度关系揭示矸石胶结充填体的强度形成机制。研究结果表明:矸石胶结充填体强度随着粉煤灰占比的增加而减少,实现了较大的矸石胶结充填体强度调控范围:1.77~30.04 MPa。不同强度范围的矸石胶结充填体试样对应的破坏形态和脆延性破坏模式也不同,材料性质发生了质的变化。随着粉煤灰占比的增加,在破坏形态方面,矸石胶结充填体试样由剪切破坏(0~50%粉煤灰占比)向拉剪复合破坏(60%~80%粉煤灰占比)再向拉伸破坏(90%粉煤灰占比)转变,对应的强度范围分别为20.8~30.04 MPa,5.63~12.35 MPa和1.77 MPa;在脆延性破坏模式方面,试样由脆–延性破坏(0~40%粉煤灰占比)转变为延性破坏(50%~90%粉煤灰占比),对应的强度范围分别为24.64~30.04 MPa和1.77~20.8 MPa。矸石胶结充填体的强度由水泥–粉煤灰二元胶凝材料的强度(1.43~55.5 MPa)和煤矸石的强度(平均强度为4.43 MPa)共同决定。水泥–粉煤灰二元胶凝材料对矸石胶结充填体的强度贡献较大,煤矸石使矸石胶结充填体的强度受限。所得试验结果为结构充填中充填材料的强度选择提供参考。

基于声发射特征的不同高径比矸石胶结充填柱单轴压缩损伤演化

为研究高径比对矸石胶结充填柱单轴压缩性能的影响,本实验制备了高径比为0.5~4.0的5组圆柱体试件进行单轴压缩试验,同时利用数字图像相关技术(DIC)和声发射进行监测,探讨了不同高径比充填柱的破坏特征.研究表明:矸石胶结充填柱的峰值应力和峰值应变都会随着高径比的增大而减小,并与高径比呈指数关系;充填柱的破坏形式在高径比大于2.0后从整体破坏转为局部破坏,局部应变大于16%可以导致充填柱整体失稳;充填柱的高径比从1.0升高到4.0,损伤程度下降到11%;充填柱在累计振铃计数快速上升区中的破坏占总破坏的比例随高径比的增大从22.6%增加到72.3%,高径比大于2.0时该比例达到40.9%且上升速度加快,破坏的集中程度较高;声发射最终累积振铃计数先随着高径比增大而增大,在高径比为2.0以后开始减小,且高径比对振铃集中出现的位置有较大影响;用声发射能量与振铃计数的比值(E/C)反应能量释放剧烈程度,平均E/C随高径比增大从1.26增大到2.76,高径比大于2.0时峰后能量释放较为剧烈.试验结果可以为结构充填开采中充填柱高径比的选取提供参考.

煤矿固体充填物料垂直投放系统研究与应用

矸石、粉煤灰等固体充填物料从地面运输至井下是综合机械化固体充填采煤技术实施的基础,为实现固体充填物料高效连续化运输,采用从地面至井下垂直开掘投料井输送固体充填物料的技术,并设计出包括投料管、维护硐室和储料仓3部分的垂直投料井结构,同时研究得出投料管合理的直径。基于固体充填物料投放中产生冲击问题,设计了锥形缓冲器。同时,为了保证工作面正常生产,研究了垂直投料降尘、高压气流导排、垂直投料防堵仓、储料仓清理等安全保障技术,该技术已在五沟煤矿井进行了成功应用。

复杂地质条件矿井矸石零排放处理技术与应用

为了将复杂地质条件煤矿矸石在井下处理,分析了煤矿矸石来源有掘进矸石、煤流矸石、煤层夹矸、切眼矸石和断层矸石等,提出了掘巷充填、硐室储矸和采空区充填的矸石处理方法,并在翟镇煤矿进行应用,实践表明:利用ZZ2600/13/20.5BC型充填综采液压支架实现采空区充填;含夹矸的工作面经采区煤矸初次重力分选和井底煤矸二次γ射线分选后,煤流矸石返运至工作面,利用抛矸带式输送机将煤流矸石充填于采空区内;在断层等地质构造带,采用预掘巷处理技术可将矸石运输至采空区进行充填。

基于减排矸非常规巷道断面的优化设计与应用

根据新汶矿业集团翟镇煤矿的采矿地质特征,为了减少半煤岩巷道矸石产出量,提出了改变常规巷道断面形状以解决上述问题的理念,优化设计了基于减排矸高应力非常规巷道断面形状。结合现有常规巷道断面形状的优缺点,根据高应力非常规巷道断面形状的选择要求,确定了非常规巷道断面形状为一偏中心圆弧顶状,并采用计算机数值模拟的方法对比分析了矩形断面巷道和非常规断面巷道的围岩应力变化情况。结果表明:与矩形截面巷道相比,非常规断面巷道围岩应力分布得到极大改善,最大应力减少约30%。设计合理的半煤岩巷道断面形状可以改善巷道围岩应力分布状况,提高巷道断面的利用率,大大减少矸石产出量。

深部煤炭资源采选充绿色化开采理论与技术

深部煤炭资源开采已势在必行,但面临更加复杂的开采环境、更加危险的开采扰动诱导潜在灾变过程。结合深部煤炭开采"四高一扰动"的挑战与充填开采在岩层控制等方面的技术优势,总结分析了深部充填开采面临的五大技术难题,提出深部煤炭资源采选充绿色化开采构想,即直接在井下构建煤炭开采、煤矸分选与矸石就地充填一体化生产系统,形成深部煤炭采选抽充防协同生产模式,实现深部煤炭及伴生资源的安全高效及绿色开采。该构想的初步技术体系已基本形成,并在平煤集团十二矿、开滦集团唐山矿等深部矿井建立了示范工程或基地。后续将继续深入开展深部充填开采岩层控制等6个基础理论方面的研究工作,创新采选充绿色化系统布置、自动化充填、物料大流量输送、煤矸智能分选等7项关键技术,形成深部煤炭资源采选充绿色化开采的系列理论与技术体系,为实现深部资源绿色化开采提供可靠基础。

煤矿“采选充+X”绿色化开采技术体系与工程实践

煤炭接续资源多在深部和优质资源多在西部并存的现状使得深部与西部开采成为煤炭资源开发的新常态,绿色矿山建设、绿色矿业发展与绿色化开采推进已势在必行。本文提出了煤炭资源"采选充+X"绿色化开采技术构想,即直接在井下构建煤炭开采、煤矸分选、矸石充填与"岩层移动主动控制、沿空留巷、瓦斯抽采、灾害防治、保水开采"一体化生产系统,形成了煤炭"采选充+X"(控、留、抽、防、保)协同生产模式;明确了"采选充+X"绿色化开采技术的内涵与技术框架,阐述了"采选充+X"的四代演化历程,分析了其践行绿色化的技术优势,给出了科学化的工程设计方法;阐述了5类典型"采选充+X"技术对应的技术原理、工程需求、设计流程与方法、关键技术及工艺装备等。工程实践分别证明了采选充+控、采选充+留、采选充+抽等"采选充+X"技术具有的显著技术优势与工程示范效应。未来"采选充+X"绿色化开采将延伸采选充+处、采选充+智、采选充+调、采选充+协等技术模式。整体形成的"采选充+X"技术体系,可为实现煤炭及伴生资源绿色化开采提供有力的技术支持。

煤矿矸石井下分选协同原位充填开采方法

煤矿开采伴随着矸石等固废排放和采场矿压与地表沉陷控制问题,推进煤矿绿色开发将是从源头上保护矿区生态环境的重要手段,统筹考虑煤炭采掘、原煤加工和固废排放的关系对于建设绿色矿山尤为重要,而煤矿井下采-选-充协同将是从根本上解决上述问题的技术途径。基于此,在充分考虑采煤、分选和充填基础上,以井下分选为核心,围绕充填开采方法构建了煤矿矸石井下分选协同原位充填开采模式,阐述了煤矿井下采、选、充系统的时空协同关系,揭示了“就近分选+原位充填”的科学内涵,实现了充填能力与分选能力匹配、采充系统与分选系统布置、采充工艺与分选工艺组织和矸石物流运输与调控4个方面的协同;提出了实现不同目标层次的煤矿矸石井下分选协同原位充填开采技术体系,主要包括全粒级分选、煤矸分离和毛煤排矸3个不同等级的井下煤矸分选技术和实现采场矿压与地表沉陷控制、矸石处理和资源回收不同目标的井下原位充填技术2个方面;分析评价了新型跳汰分选、旋流器分选、重介浅槽分选、动筛跳汰分选和γ射线分选5种井下煤矸分选方法的适用性,给出了煤矿矸石井下分选方法选择流程,确定了煤矿矸石井下分选系统及巷硐布置要求,探讨了煤矿井下全粒级分选的发展方向;提出了全采全充、全采局充、局采局充和局采全充4种典型充填开采方法,明确了4种典型充填开采方法的定义、系统布置及技术优势,形成了充填开采方法选择流程,进一步对比分析了4种典型充填开采方法的地表沉陷与采场矿压控制效果。研究成果为实现煤矿煤炭开采、井下分选和矸石处理集约化提供技术借鉴,进一步丰富我国煤矿绿色开采的技术体系。

固体充填采煤充实率设计与控制理论研究

根据固体充填采煤密实充填体的不同充实率决定不同岩层移动控制效果及"等价采高"预计地表沉陷的原理,提出固体充填充实率设计的理论依据,定性分析影响充实率的主控因素,并分别基于等价采高、关键充填设备、工作面推进方向、固体充填材料力学特性、地质条件以及充填工艺实施等7个主控因素对充实率的不同影响机理进行理论分析,明确充实率设计的基本原理,建立不同覆岩条件及压煤类型条件下固体充填采煤充实率设计流程与方法,并提出充实率控制的基本原理及6项控制措施;结合济三矿固体充填采煤工程案例,对充实率的设计及控制理论进行了应用,充实率控制指标理论设计为88%,现场实测为90.3%。理论分析与实践表明,充填设备与地质条件对充实率的影响程度最显著,充实率的精确设计与良好控制是保证充填采煤技术成功实现岩层移动及地表沉陷控制的关键。

煤矿固体智能充填开采方法研究

固体充填采煤方法在固废处理与岩层控制方面具有显著技术优势,但其效率与传统综采相比有所降低,基于充填技术升级、行业发展需要与矿山智能化建设三重需求,针对机构干涉状态判别、充填参数智能感知、采充工序自动组织等关键科学问题,研究了煤矿固体智能充填开采方法。给出了固体智能充填开采方法的概念、特征与难点,结合采矿地质条件、充填装备机构静态尺寸参数及运行过程中的动态轨迹参数特征,构建了充填工序过程中机构典型干涉状态判断和解调方程,形成了充填装备机构干涉状态调控机制,明确了采充工艺参数自我感知原理,形成了以数据智能感知模块、干涉状态分析识别模块和位态调整工序执行三大模块为架构的采充工艺参数自我感知方法,提出了采充工序流程自动组织策略,设计了以感知工序、识别工序、位态调整工序及采充响应执行工序为主的固体智能充填采充工序。阐述了多孔底卸式刮板输送机和充填液压支架智能化改造方法,设计了固体智能充填控制程序与系统,应用Keil5软件进行了程序的编程。研究可实现机构间干涉状态智能识别与自主调整、采煤与充填的协同作业、减少工序所需人工劳力、促进充填效率提高、充填工作面产能增加与回采工效提升,可为固体智能充填技术研发与应用提供理论指导。

矿山生态环境低损害开采体系与方法

大规模高强度的采矿活动导致了严重的生态环境破坏,为了实现矿山生态环境低损害开采,必须遵循生态环境低损害采前规划的理念,从源头走生态环境低损害开采的自主创新之路。总结了采矿活动造成的生态环境破坏表现形式,阐述了生态环境损害开采模式与分类,分析了生态环境低损害开采的评价依据、评价指标及评价标准,明确了生态环境低损害开采的内涵,给定了生态环境低损害的"生态阈限",提出了将采矿活动"开采阈限"导致的生态环境损害约束到"生态阈限"之内的矿山生态环境低损害开采理念。进一步给出了生态环境低损害开采的设计方法,阐述了集绿色开采、深地开发、智能采矿、未来矿业等主要研究方向的典型代表技术为一体的生态环境低损害开采技术体系。开滦集团唐山矿的工程实践证明了充填开采等典型生态环境低损害开采技术工程示范效应。未来将从指标体系构建、开采损害评测、开采方法创新、开采系统融合等方面继续创新完善生态环境低损害开采的技术体系与基础理论,以期为实现煤炭及伴生资源的绿色化开采提供有力的技术支持。

混合综采工作面覆岩运移规律及空间结构特征分析

基于平煤十二矿深部开采面临的排矸量大、辅助运输困难、矿区环境污染以及常规充填面产能不足工程背景,创新了矸石充填与垮落法混合综采技术并阐述了其技术内涵。采用理论分析、物理相似模拟和现场实测方法系统地研究了混合综采工作面覆岩运移规律和空间结构特征。通过理论分析得到了不同充实率状态下混合综采工作面覆岩空间结构特征;物理相似模拟结果表明,混合综采工作面充填段基本顶仅发生弯曲下沉,而垮落段直接顶垮落、基本顶断裂,垮落段基本顶平均下沉量是充填段的4.2倍,覆岩空间结构表现出明显的非对称特征。矿压实测数据显示,充填段采场无明显的来压现象,垮落段来压现象显著,初次来压步距约30 m,周期来压步距约22 m,动载系数达1.7左右;岩层钻孔窥视结果观察到充填段顶板完整,覆岩空间结构呈现"两带"发育特征;垮落段覆岩结构呈"三带"发育特征,混合综采工作面覆岩非对称性空间结构特征显著。

考虑循环载荷初始损伤效应的煤样动态力学特性试验研究

近水平露天煤矿开采时在端帮边坡上通常布置运输平盘,大型重载卡车的往复运输作业会对边坡覆岩产生显著的循环加卸载效应,导致煤岩体产生一定的初始损伤。同时,露天开采时大规模爆破产生的强冲击动载荷使煤岩体的力学性能进一步劣化,极易诱发边坡大面积失稳。因此,开展循环加卸载损伤条件的煤岩动态力学特性试验研究,对露天煤矿边坡稳定及安全开采具有重要意义。利用分离式霍普金森压杆试验系统及扫描电镜测试系统,对循环加卸载初始损伤状态下煤样的动态力学特性及其损伤断裂机理进行了系统分析。研究结果表明:①随着加载应变率的增大,煤样动态抗压强度与弹性模量快速增加,应变率对试样动力学特性的强化效应显著;固定应变率条件下,随着初始损伤的增大,动态抗压强度与弹性模量则呈线性快速降低,表明初始损伤对煤样动力学性能具有弱化效应;②煤样自然状态下存在尺度较小的原生裂纹及孔洞缺陷,损伤的产生导致其内部萌生出新的裂隙及孔洞,并且随着损伤程度的提高,缺陷尺度及数量逐渐增大并快速扩展,这是导致其力学性能弱化的根本原因;③随着初始损伤及应变率的增大,煤样破坏方式从张拉破坏向剪切破坏转变,同时其破坏程度、破坏过程中的耗散能及耗能能力呈快速增加的趋势;④损伤煤样动态破坏主要以脆性破坏为主,但在初始损伤较高的条件下,其局部能够观测到显著地滑移分离及韧性断口形貌,这也是初始损伤较大状态下煤样耗能较高的主要原因。

顶底板双软型薄煤层工作面矿压显现规律分析

针对顶底板双软型薄煤层综采过程中围岩控制难度大的问题,建立了顶底板双软型薄煤层围岩变形力学模型,并结合现场实际条件,采用FLAC3D数值模拟分析顶底板双软型薄煤层开采过程中围岩塑性区、围岩垂直应力、煤壁前方支承压力的变化规律,得出薄煤层综采时的围岩破坏机理。赵官煤矿1705E工作面实测矿压结果表明:直接顶初次垮落步距为18.2 m;基本顶初次垮落步距为37.8 m,周期来压步距平均为16.0 m;煤壁支承压力在煤壁前方13 m左右明显增大,影响范围为0~25 m;巷道两帮最大移近量为300 mm;巷道顶、底板最大变形量分别为900、500 mm,围岩变形实测数据与数值模拟结果相吻合。

巷旁充填沿空留巷技术及矿压显现规律

本文从充填材料、充填体支护参数、系统布置及充填工艺等几个方面对巷旁充填沿空留巷技术进行了研究与实践,通过控制充填材料承载特性和变形性能,改进了充填工艺,并对巷旁充填沿空留巷段进行了矿压观测,分析了巷旁充填沿空留巷及充填体的变形及受力情况。结果表明:巷旁充填沿空留巷技术能够有效地保证顶板的稳定性及完整性,充填体能够达到控制顶板下沉、适应顶板活动规律的要求。

六柱支撑式固体充填采煤液压支架结构及工作原理研究

本文介绍了六柱支撑式固体充填采煤液压支架的基本结构及特点，支架高支护阻力，有利于控制顶板的初始下沉，保证充填空间；增设的压实机构对充填物料施加的压实力，提高了其密实度和接顶率，增强了充填体抗压力学性能。提出充填支架与围岩相互作用体系是由“顶板-支架-底板，煤壁-支架-充填”共同组成，并以此建立支架与围岩的作用力学模型，分析了到达理想充填效果时，支架最大集度载荷和各立柱受力情况。论述了六柱式充填支架基本移架方式及移架过程中其结构受力特征，建议对于不同条件，应选择合理的移架方式。

充填黄土压缩蠕变特性与湿陷性试验研究

利用美国MTS815岩石力学伺服试验系统，测得充填黄土在0～7．5MPa范围内的σ-ε曲线、压实度-应力曲线以及4种不同应力条件下的蠕变曲线；并根据不同应力条件下黄土的蠕变特征，回归了ησ-σ曲线及其方程。用双线法湿陷试验得到了黄土5种不同埋深条件下的湿陷系数筑与δs荷P的关系曲线，并对压实过程中黄土的湿陷机理进行了分析，总结了黄土的疋峰值δs埋深的关系曲线，得到了其回归方程。结合曹村煤矿的采矿地质条件，计算出了充填黄土的最大下沉量和最终压缩系数，为工程应用提供了依据。

浅埋煤层悬移顶梁支架机采面矿压规律研究

为了分析总结浅埋煤层矿区工作面矿压显现规律,结合内蒙古乌兰集团满来壕矿11621工作面情况,设计合理的浅埋煤层工作面矿压监测方案,并通过11621工作面实测数据整理及分析,表明:11621工作面老顶初次来压步距平均为60m,周期来压平均为20m,来压期间矿山压力显现剧烈,工作面压力呈现明显的两头小、中间大的规律,工作面前方6～15m范围为应力峰值区。浅埋煤层开采期间,顶板来压步距相对较大,相比深埋煤层,来压期间矿山压力增大幅度较大,矿压显现较剧烈。

预掘复合顶超高巷道支护技术研究

针对复合顶板工作面回采巷道较难维护等问题,提出预掘复合顶超高巷道支护技术,对其掘进支护方案进行了优化设计,采用UDEC3.0数值模拟软件对超高巷道围岩应力分布特征及支护效果进行了模拟分析,同时研发了一种超高巷道超前液压支架,有效解决了大垂高巷道断面支护难题。现场实践证明,此法较以往复合顶板条件下巷道支护具有明显优势,可在类似条件的矿井推广应用。