近距离煤层联采巷道交错布置及支护技术研究

为解决近距离煤层联合开采时采出率低、安全性差等问题,探究巷道交错布置方式及下煤层巷道支护技术在近距离煤层联合开采中的应用,以山西晋保煤矿12#、13#煤层地质条件为研究背景,采用理论分析与FLAC3D数值模拟的研究方法,研究了巷道采用交错布置时下煤层巷道的围岩变形与矿压变化,得到巷道交错式布置时上下煤层巷道的水平错距应大于7.98 m。通过数值模拟分析矿方原始支护方案与新支护方案下煤层巷道顶板的垂直位移变化规律,确定对下煤层巷道进行锚网索联合支护的分区支护方案。结合现场实测结果表明:下煤层巷道围岩变形处于可控范围内,交错式巷道布置方式以及巷道分区支护方案较为合理,能够保证工作面的安全生产,可以为类似地质条件下近距离煤层的开挖提供借鉴。

煤矿巷道空间毫米波雷达测量特性与重建方法

【目的】煤矿井下空间测量是煤矿透明地质建模的重要组成,然而煤矿巷道环境复杂、信息获取不全、感知数据精度不足等难题亟待解决。【方法】首先,深入研究粉尘、水雾、围岩结构等复杂环境因素下毫米波雷达信号特性,建立煤矿巷道围岩毫米波信号衰减模型,对比分析复杂环境因素毫米波雷达的影响机理。其次,针对煤矿复杂环境下毫米波雷达的巷道数字建模问题,提出巷道空间毫米波雷达点云泊松表面重建方法。通过实验测试与模拟巷道环境验证,在揭示煤矿复杂环境条件下的毫米波雷达感知机理基础上,实现了煤矿巷道空间测量与数字建模重构。【结果和结论】结果表明:(1)毫米波雷达能够适应煤矿井下多粉尘、多水雾、围岩粗糙的巷道环境,为煤矿巷道空间重建提供有效数据。(2)泊松表面重建方法能够充分展示真实巷道围岩信息,重建巷道整体宽度的平均绝对误差百分比为0.59%,巷道整体高度的平均绝对误差百分比为0.78%。煤矿复杂环境下毫米波雷达空间测量特性与重建方法的研究,为煤矿井下透明地质建模提供巷道空间测量数据,对推动煤矿智能开采具有重要意义。

低压超声速磨料空气射流喷嘴结构

硬岩隧道掘进刀具磨损严重、换刀频繁是限制高效掘进的主要因素,低压磨料空气射流辅助刀具破岩是突破硬岩隧道掘进技术瓶颈的可行性思路,为实现辅助高横移速度刀具破岩,提出了矩形喷嘴。矩形喷嘴能有效提高磨料在移动方向集束性,进而减小切缝宽度,提高切缝深度。为明确矩形喷嘴对磨料加速及破岩的影响规律,采用加长扩张段长度和截面近似等效设计了圆形喷嘴及矩形喷嘴;然后基于数值方法确定了喷嘴扩张段长度对气体及磨料加速的影响,并对比分析了喷嘴不同断面形状对磨料加速和分布特征的影响。最后通过开展低压磨料空气射流冲蚀破碎花岗岩实验,研究了喷嘴结构和横移速度对冲蚀效果的影响,分析了不同断面形状喷嘴的切割效率,确定了适用辅助刀具破岩的最佳喷嘴结构。数值结果表明压力2 MPa时,加长扩张段长度,气固两相能量转化更充分,磨料加速更充分,但随着喷嘴扩张段持续加长,磨料速度提升不明显;相比圆形断面喷嘴,矩形断面喷嘴对磨料加速稍差,但仍能将磨料加速至300 m/s,且经矩形喷嘴加速的磨料在自由流域呈扁平矩形分布,有效提高了磨料在刀具横移方向的集束性。实验表明圆形喷嘴扩张段加长,岩石冲蚀深度不断增加,当扩张段长度为145 mm时,花岗岩冲蚀深度分别为23.90、20.23 mm,扩张段长度持续加长,岩石的冲蚀深度提高并不显著。当横移速度为0.02 m/s时,喷嘴C_(4)、R_(1)、R_(2)切割玄武岩深度分别为3.35、12.15、8.25 mm,花岗岩深度分别为5.2、14.9、11.5 mm;横移速度为0.30 m/s时,喷嘴C_(4)、R_(1)切割玄武岩深度分别为0.8、3.0 mm,花岗岩深度分别为1.0、3.6 mm。对比喷嘴C_(4),和数值模拟结果相同,矩形喷嘴能使磨料聚能、磨料利用充分,切割效率较优。且喷嘴R_(1)的切割效率最好,喷嘴结构最优。研究结论将为磨料空气射流辅助刀具破岩提供理论和技术支撑。

相邻空区影响下三软巷道变形破坏规律与煤柱留设宽度研究

为了探究相邻空区影响下三软煤层巷道掘进时不同煤柱宽度下巷道围岩变形破坏规律,采用理论计算、数值模拟、物理相似模拟与现场实测相结合的研究方法,分析存在临空区后不同区段煤柱宽度下巷道围岩应力演化规律、塑性破坏范围以及位移分布特征。结果表明:临空区是造成巷道掘进后非对称破坏的主要原因,使煤柱主应力方向与垂向夹角增大,巷道两帮应力呈煤柱侧大于实体煤侧的非对称分布特征;三软巷道破坏形式以剪切破坏为主,破坏主体为两帮,随着煤柱宽度增大,主应力方向与垂向夹角减小,巷道围岩破坏程度降低,临空区对巷道不同位置的影响程度不同,巷道中部围岩破坏程度大于端头处且煤柱侧破坏程度大于实体煤侧;煤柱宽度增大对巷道围岩应力以及煤柱破坏的改善程度有限,现场结果显示当煤柱宽度为20 m时巷道正常维护满足需求。

超大规模硬岩矿山源头推动TBM应用的设计创新与思考

西鞍山铁矿是一座超大规模开采矿山,采用TBM施工胶带斜井、斜坡道是该技术在国内地下铁矿山首次应用。TBM施工与钻爆法施工在勘察、设计和施工等方面均有较大差异,本文基于应TBM施工铁矿井巷工程,结合设备性能与开拓系统工艺需求,在斜井线路规划、曲线半径选择、始发场地设计、始发段与接收段支护、正常段支护选型、巷道底板处理、硐门设计形式等开展了应用创新。同时结合项目设计、施工中遇到的问题,对适用于矿山工程的TBM施工勘察技术要求、施工方案的选择及提高TBM施工断面利用率进行了分析与探讨。

煤巷钻锚一体化快速掘进技术与装备及应用

分析煤巷掘进技术与装备现状及存在的问题,介绍研发的钻锚一体化快速掘进新模式、新技术、新装备及井下应用效果。研发出钻锚一体化锚杆支护技术与设备,包括钻锚一体化锚杆、泵注式锚固剂、钻锚一体化钻臂、钻箱、锚杆仓、锚固剂泵注系统及智能控制系统,将传统树脂锚固锚杆安装6道工序简化为1道连续工序,实现了锚杆自动化“一键”打设,单根锚杆作业时间由原来5~6 min减少为3 min。研发出自动化喷涂支护技术与装备,包括高强、速凝、抗变形喷涂护表材料,抗拉强度超过9 MPa,断裂伸长率超过100%,黏结强度高于3 MPa;研发出6自由度喷涂系统,可实现随掘自动化快速喷涂作业。研发出巷道随掘变形动态监测技术与系统,实现随掘大粉尘、多干扰、低照度环境下的巷道表面变形监测,监测精度能够满足围岩稳定性评价要求。提出煤巷掘支锚运分区并行协同快速掘进新模式,研制出钻锚一体化快速掘进成套装备。对试验矿井陕西陕煤曹家滩煤矿回采巷道掘进过程中围岩位移和稳定性进行了监测,在时间上,巷道掘出2~3 h后80%以上的围岩位移已经发生;在空间上,距离掘进工作面相当于2倍巷道宽度的位置,90%以上的围岩位移已经完成。快速掘进引起的巷道围岩位移在很短时间内就基本完成,要求支护必须及时且快速。在曹家滩煤矿10 m超大采高综采工作面特大断面回采巷道完成近6000 m的巷道掘进工程,打设钻锚一体化锚杆60000余根。锚杆施工时间、支护用工人数及作业人员劳动强度大幅降低,掘进速度、效率及自动化水平显著提高。试验巷道顶板位移量小、完整稳定,支护效果良好。煤巷钻锚一体化快速掘进技术与装备井下试验取得成功,具备了特大断面煤巷月掘进进尺1500~2000 m的能力。

HSP超前探测技术在煤矿TBM掘进巷道中的应用研究

随着全断面掘进机TBM(Tunnel Boring Machine)逐渐应用于煤矿岩巷掘进,对不良地质构造进行超前准确快速预测的需求日益迫切。通过对主动源地震波超前探测方法的特点和TBM破岩震源超前探测技术的适用性进行分析,结合煤矿巷道地质和生产条件,提出了适用于煤矿巷道TBM掘进的HSP超前探测方法。以河南平顶山首山一矿TBM掘进底板瓦斯治理巷道为工程背景,选用防爆硬件一体化设计的探测仪器在煤矿巷道中进行应用。构建了空间型观测方式对煤矿巷道近水平煤线进行探测,优化了双护盾TBM掘进巷道狭小空间检波器阵列式布置参数;基于时频分析、互相关干涉处理、反射与散射联合反演等方法处理原始信号并进行探测结果成像。研究表明:采用空间型观测方式可实现与巷道小角度斜交煤线的识别,设计震源与首检波器间距离为15 m时最优。通过时频分析提取有效信号,利用互相关干涉法获取虚拟震源道和反射特征曲线,并结合反射与散射联合反演成像得到探测区域地层反射能量分布图,能够较准确地推测得到围岩存在的不良地质构造。通过比较现场开挖揭露情况与探测结果发现两者吻合度较高,表明HSP超前探测方法可实现掘进工作面前方100 m范围内超前无损地质预测,有助于提高煤矿岩巷TBM掘进速度。

煤矿复杂地层TBM掘进巷道新型装配式支护结构工程实践

TBM(Tunnel Boring Machine)全断面掘进机已在煤矿深井巷道掘进工程中成功应用,取得了显著的社会经济效益。但仍存在影响其进一步推广应用的技术瓶颈。针对当前支护结构与支护技术难以同时满足支护效率、支护强度和施工成本方面的要求,TBM难以充分发挥其速度优势的技术瓶颈,研究团队研发了新型钢管片型装配式支护结构。开展了新型装配式支护结构大比尺模型试验,获得新型支护结构在受载条件下变形破坏规律,根据试验结果优化新型支护结构型式。基于新型钢管片支护下TBM掘进巷道数值模拟评估新型支护结构可靠性。最后开展工业性试验,现场验证新型钢管片式支护结构用于煤矿TBM掘进巷道的可行性。试验结果表明,巷道围岩最大拉应变为803×10-6,钢管片支护结构变形量小于1 mm。新型支护结构安装速度快,可在90 min内掘进1.5 m并完成一环管片的安装工作,显著提高了TBM掘进巷道的支护强度和TBM掘进作业线的地层适应性。为未来进一步提高煤矿巷道掘进速度、保障煤矿采掘接替提供技术参考。

锚固钻孔软弱夹层结构特征智能识别方法

【目的】锚固孔钻进作成孔质量深受岩体内存在的软弱夹层结构面的影响,这些软弱夹层往往是岩体中的隐患,影响钻进的稳定性和效率,关系到整个支护结构的稳定性和安全性。当钻头钻进软弱夹层时,其动态响应特征会变得明显起来,这种响应反映了钻进过程中岩体结构的变化情况。【方法】基于钻进比能的研究视角,利用自主研发的随钻测量系统,开展含有软弱夹层的类岩体试件数字钻探试验。这一系统能够实时、准确地监测并记录随钻过程中的各项参数,如钻压、扭矩、转速以及钻进速度等。通过对这些参数的敏感度分析、主成分分析和熵值分析,评估不同参数对软弱夹层响应特征的反馈程度,从而确定了影响最为显著的参数指标。其次,基于显著参数指标,建立钻进功率比识别法,实现类岩体软弱夹层智能化识别。【结果和结论】研究结果表明:(1)扭矩参数在随钻破岩和软弱夹层特性识别中起主要作用,其权重最大,反馈度效果最佳。(2)以扭矩参数变化为主要识别特征而建立的钻进功率比识别法,成功将软弱夹层厚度识别的平均准确率由原先的72.943%提高至88.268%,同时基于钻进功率比提出的倾角识别法,经计算倾角识别平均准确率高90.833%,软弱夹层特性识别精确度得到显著提高。这一显著的提升不仅证明了新方法的有效性,也为实际工程中的岩体软弱夹层识别与处理提供了准确和可靠的依据。

矿用硬岩巷道机械化掘进破岩形式研究现状及展望

硬岩巷道快速掘进是实现煤矿智能高效开采的重要环节,悬臂掘进机、TBM和底切割装备都在尝试解决这一难点,掘进技术和装备的发展直接影响采矿的安全生产和经济效益。首先,总结了悬臂掘进机在硬岩截割工况的适用范围和截齿消耗现状,分析截割破岩形式的现场试验,发现在较高的岩石强度条件下,截齿消耗量较正常磨损翻倍,掘进速度与开采速度的不匹配,严重制约了矿井生产。其次,分析了滚刀破岩形式和装备在矿山领域的应用和新产品现状,得出移动式矿用掘进设备采用滚刀挤压破岩,块状渣土少,粉末多,刀盘推力小,导致破岩能力不足。最后,分析了线性底切割破岩技术和非线性底切割技术的原理和装备研发现状。结果表明:随着振荡频率的提高,切削力显著降低,非线性底切割破岩单位体积消耗能量少,优势明显。但在硬岩条件下的掘进效率、设备稳定性等关键问题有待验证,非线性底切割技术有望突破未来矿山硬岩掘进的技术难题。

不同线装药密度对预裂爆破损伤的数值模拟研究

利用LS-DYNA数值模拟软件,对不同线装药密度单孔爆破的岩石损伤分布特性进行了对比分析。通过建立三组不同工况条件下(g=300 g/m、400 g/m、500 g/m)的“炸药-切缝管-空气”模型,采用径向不耦合和轴向空气间隔装药结构,分析了切缝药包的定向聚能作用,即岩石损伤范围与切缝管开口方向有着密切联系,非切缝方向比切缝方向的岩石损伤程度更小;线装药密度最优值为400 g/m,线装药密度过小(g=300 g/m),间隔段围岩损伤不贯通,严重影响预裂爆破孔间成缝,线装药密度过大(500 g/m),损伤效果增加不明显,增加施工成本。

基于BIM+GIS集成模型的高填方边坡大变形失稳过程分析

建筑信息模型(building information modeling,BIM)与地理信息系统(geographic information system,GIS)技术在数据来源和信息表达等方面存在显著的区别,因此难以实现有效的数据信息的融合与可计算模型的生成。以物质点模型作为集成媒介,基于BIM的参数化建模技术与GIS的地层建模技术,分别构建人工填方边坡与三维地质模型,并进行集成融合构建反映原始地形、地质结构,及构筑物信息的三维物质点模型。在此基础上,采用物质点方法(material point method,MPM),模拟并分析了高填方边坡大变形的失稳全过程。以湖北十堰市山区产业园高填方边坡为研究对象,利用上述模型集成方法,构建融合人工填方边坡与原始边坡的三维物质点模型,分析其潜在破坏机制与影响范围。结果表明:若缺少前缘挡土墙支撑,平台填土将发生大规模垮塌。厚度约为11 m的堆积体将覆盖下方的公路,并对桥墩和桥柱造成影响。F4和B1平台位于窄收口地形,仍可保障其后方平台整体保持稳定。该集成模型方法为构建融合天然地质体与人工构筑物可计算数值模型方面提供了新的思路。

极近距离煤层留设窄小煤柱数值分析

本文对极近距离煤层条件下工作面巷道煤柱留设距离进行研究,通过FLAC3D数值模拟软件对巷道煤柱留设宽度分别为3m、5m、7m、9m、11m、13m时巷道的垂直应力分布、围岩变形情况进行分析。模拟结果表明,当煤柱留设宽度为3m时,围岩所受垂直应力最小,处于应力降低区,且围岩位移较小,综合分析后,最终确定煤柱合理留设宽度为3m。合理确定煤柱留设宽度,可以提高经济效益、实现安全开采。

关于煤矿开采技术与掘进支护技术探讨

在我国的现代化建设和发展中,煤矿产业是重要的支柱型能源产业,作为必不可少的能源种类,煤炭资源的开发和生产中,应用到了煤矿开采技术掘进支护技术,决定了煤矿生产的综合效益。分析了煤矿开采技术要点和掘进支护技术的应用策略。

瞬变电磁法在矿山巷道超前预报系统构建中的应用研究

利用CUGTEM-GKⅡ瞬变电磁仪对矿山巷道的超前勘探工作进行实时物探,并形成三维模型成像结果,给出了矿山岩层地下水涌水量、巷道顶板及两帮位移量等预警数据。其中,机器学习算法整合深度卷积神经网络、多列神经网络、数据二值化输出、模糊决策矩阵预警等算法,给出了覆盖范围较大的粗略预警结果和覆盖范围较小的精细预警结果。经仿真分析,粗略预警结果和精细预警结果均表现出一定的数据敏感性,且精细预警可以在巷道掘进问题岩层前24 h给出较高敏感度的预警结果。

云南新平佐思孔铅锌矿矿床不整合面成矿作用

佐思孔铅锌矿是位于康滇地轴、扬子准地台西缘的多金属矿床,该区区域构造运动强烈、岩浆活动频繁、构造行迹复杂,与“大红山式”铁、铜矿形成具有一定成因联系,具有火山喷流-沉积相带边缘相特征。受区域多期次构造运动的影响,“大红山式”红山组、曼岗河组第三岩性段剥蚀殆尽,并形成三叠系不整合面。不整合面角砾岩主要为含绢云母、白云母石英砂质细砾岩及砾质粗粒岩屑砂岩,铁富集主要以褐铁矿形式出现。

断层影响下掘进巷道稳定性分析

为了提高断层影响下掘进巷道的稳定性,基于巷道左帮、右帮、顶板位置的钻孔窥视结果,确定了2 m松动圈范围。随后对断层破坏带区域进行注浆加固,配合永久支护方案,将锚杆锚固力从30 kN提升至90 kN,顶板下沉量得到有效控制,解决了掘进面过断层存在的问题。

云南某铅锌矿区复杂地层钻探施工技术应用研究

云南某铅锌矿区地质条件复杂,岩石松散破碎,泥岩、页岩及煤系层发育,钻探施工中存在孔壁垮塌、缩径、卡钻、埋钻和成孔难度大、岩心采取率低等难题,施工进度慢,效率低。结合矿区复杂地层特点,通过采用金刚石底喷钻头、跟管钻进技术、高密度低失水泥浆等一系列钻探技术措施,应用绳索取心液动锤钻进技术,有效减少了孔内事故的发生,平均四次进尺提高22.97%,为项目的安全、高效和优质完提供了坚实的技术保障,为类似复杂地层的施工积累了经验。

浅埋煤层留小煤柱沿空掘巷技术研究与应用

在凤红煤业151302工作面采用沿空掘巷工艺技术,通过理论计算并结合数值模拟,综合分析确定了小煤柱的合理尺寸为5.0 m,同时优化了小煤柱巷道支护参数方案。工程应用结果表明:采用留小煤柱沿空掘巷技术,锚杆索受力远低于破断载荷;巷道顶板下沉位移在200 mm之内,回采帮内位移位小于200 mm,煤柱帮内位移在150 mm之内,巷道围岩和小煤柱皆处于稳定结构状况,整体围岩控制效果良好。

煤巷快速掘进支护工艺优化探讨

对新疆准东煤田大井矿区的煤巷快速掘进支护技术及工艺进行了深入分析和优化,研究内容包括评估现有支护工艺、实施三维相似模拟试验及制定针对性的工艺优化策略。通过一系列的研究,旨在解决煤矿快速掘进过程中遇到的关键技术问题,以提高掘进效率,同时保证开采作业的安全性和稳定性。研究结果表明,通过优化支护材料、设计参数和调整掘进循环方式,可以显著提升煤巷的稳定性和开采效率。