基于光纤感测的急倾斜煤层采动围岩变形特征研究

将分布式光纤传感技术应用于急倾斜煤层采场围岩变形及应力分布特征物理相似模型试验,通过在模型中沿煤层倾向布置传感光纤与沿煤层底板铺设压力传感器,实时监测模型内部变形场与应力场,并结合数值模拟分析了急倾斜煤层顶板应变分布及演化特征。结果表明:工作面上部区域应力值小于下部和中部区域,中部区域应力值最大;随工作面推进,采空区底板应力逐渐释放,应力值不断降低,采空区两侧边界煤柱下方煤层底板应力逐渐升高,且中、下部采空区底板应力恢复程度显著高于上部底板;沿煤层倾向布置的光纤应变曲线呈三段分布,具有前后2处应变波峰区及采空区对应的中部波谷区,前波峰远高于后波峰;工作面中上部顶板变形程度大于下部顶板;数值模拟与光纤检测结果一致,均表现出中上部顶板变形显著大于下部。研究弥补了物理相似模型试验监测手段短板。

管道作用下急倾斜煤层稳定性分析

近地表荷载与急倾斜煤层老采空区的“活化”有着紧密的关联,采空区覆岩中裂隙带底部的岩块在荷载作用下极易发生回转失稳和滑落失稳,这些岩块对采空区的稳定性起到至关重要的作用,被称为关键岩块,当荷载作用使得关键岩块失稳时,采空区将发生“活化”。基于采空区覆岩“砌体梁”结构力学模型对关键岩块进行力学分析,构建荷载作用下采空区上覆岩土体失稳判断依据,进而对荷载作用下急倾斜煤层上覆岩体稳定性进行定量分析,研究发现:当作用于土体截面处最大摩擦力大于该土体所受最大剪切力时,该块体不会发生滑落失稳;只有关键岩块与岩块之间的平均挤压应力小于岩块在边角处的挤压强度,关键岩块才不会发生回转失稳。将推导结果应用于广东省某急倾斜煤矿,计算结果表明:在茶山煤矿4煤和6煤采空区上方铺设输气管道并不会引起采空区的“活化”;荷载作用下的关键岩块力学分析在急倾斜煤层上覆岩体稳定性中应用效果较好,对实际工程有一定指导作用。

倾斜煤层群覆岩“三场”非对称特征及靶向抽采机制

倾斜煤层群“三场”(应力场、位移场和裂隙场)演化规律较为复杂,对卸压瓦斯运移和储集具有重要意义。为了探究倾斜煤层群“三场”演化规律,研究以新疆1930煤矿为对象,开展了倾斜煤层群多重采动相似模拟实验。分析了上覆岩层垮落形态,获得了覆岩应力演化特征,分析了覆岩位移分布和移动方向特征,阐明了采动裂隙分布特征。进而探究了三场演化规律对瓦斯运移的影响,并开展了定向钻孔瓦斯抽采现场试验进行验证。研究结果表明:倾斜煤层群多重采动下,采动裂隙矩形梯台呈现明显的非对称特征。低位侧覆岩应力变化较大,随开采次数增加,卸压效应更为明显,而高位侧覆岩应力变化较小;结合重力−倾角效应,高位侧覆岩更易破坏,垮落次序优先,呈非对称特征。覆岩位移分布呈非对称特征,高位侧位移显著且移动方向变化较大。高位侧裂隙区网格内采动裂隙频数明显高于低位侧;高位侧裂隙区破断裂隙分布更多,且开度较大;采动裂隙呈“高位扩展−低位压缩”的非对称特征。多重采动使得“三场”非对称特征更为显著。此外,覆岩贯通度存在“慢速减小−快速减小”的现象。基于“三场”演化特征和瓦斯运移的关系,揭示了瓦斯抽采靶向优选机制。结合试验结果,构建了基于“三场”演化规律的裂隙带瓦斯抽采靶点区判定流程。现场瓦斯抽采效果良好,保证了工作面安全高效回采。研究结果为倾斜煤层群卸压瓦斯精准抽采提供了理论参考,旨在提高倾斜煤层群瓦斯抽采量,防止上隅角瓦斯超限,实现倾斜煤层群安全高效开采。

倾斜煤层厚硬顶板切顶留巷关键参数优化研究

为解决回采巷道倾斜厚硬顶板应力集中问题,降低顶板覆岩突然垮落的冲击扰动风险及提高倾斜厚硬顶板切顶留巷围岩控制效果,以长城六矿1301N运输巷切顶留巷为工程背景,综合采用理论分析、数值模拟及现场监测的研究方法开展倾斜煤层厚硬顶板切顶留巷关键参数优化研究。首先,基于岩石碎胀系数、砌体梁理论及现场地质资料,推导计算了1301N运输巷切顶高度和切顶角度的理论最小值。其次,为进一步验证并优化理论推导结果,利用PFC^(2D)数值软件建立了1301N工作面切顶留巷模型,采用控制变量法分析了不同切顶高度和切顶角度下留巷顶板应力、位移及组构张量响应特征。分析结果表明:切顶高度与卸压效果之间存在底数大于1的对数增长关系,即随着切顶高度增加,卸压效果逐渐增强但其增长幅度逐渐减小;切顶角度与卸压效果之间存在“S”型增长关系,即随着切顶高度增加,卸压效果先增强后减弱。卸压参数与卸压效果之间的变化规律揭示了切顶高度选择存在最适值,切顶角度选择存在最优解。综合理论分析、经济收益及数值模拟结果,确定长城六矿1301N运输巷倾斜厚硬顶板切顶留巷过程中最适切顶高度为13 m,最优切顶角度为10°。现场监测获得该切顶参数下围岩控制效果较好,留巷围岩变形量较小,可有效满足下一工作面开采需求,验证了优化切顶参数的有效性,为类似地质条件切顶留巷参数的选取提供理论依据和实践参考。

倾斜煤层煤层气与煤炭地下气化协调开发技术构想

煤层气(CBM)开发与煤炭地下气化(UCG)是我国煤基天然气生产的重要来源,新疆前陆冲断带倾斜煤层发育区煤与煤层气资源丰富。为深入剖析倾斜煤层CBM与UCG协调开发可行性,系统剖析了现有CBM与UCG关键技术及其对CBM−UCG协调开发的借鉴意义,分析了倾斜煤层CBM与UCG协调开发优势、技术路径、面临的主要问题和未来研究方向,得到以下认识:①“CBM开发疏干效应”“UCG热作用解吸效应”“UCG采动卸压效应”下CBM−UCG协调开发可形成相互促进的良性循环;②提出了直井+顺煤层倾向井“先抽后烧”、顺煤层倾向井组合“边抽边烧”、定向L型CBM井+顺煤层倾向UCG井“边烧边抽”、下部煤层布置沿倾向UCG井+上部煤层布置定向L型CBM井“先抽后烧再抽”、复杂井型“井工厂式”布置等协调开发技术路径;③CBM与UCG协调开发面临地质选区评价理论基础研究薄弱、缝网条件下UCG热作用扩展范围不清、倾斜煤层UCG过程岩层移动卸压范围不明等理论问题;同时面临CBM−UCG协调开发“井工厂式”钻井技术、CBM井与UCG井协调开发生产制度、CBM与UCG协调开发地质动态测控、CBM井密封性与耐高温性保护等工程问题;④要强化倾斜煤层CBM与UCG协调开发地质选址评价研究、开发动态理论研究、工程协调技术先导性试验研究,确保协调开发安全、有序、可控、高效。

软硬交错倾斜煤层下煤矿钻孔机器人钻杆系统振动特性研究

煤矿钻孔机器人钻杆系统振动特性的研究是钻进轨迹预测及控制的重要前提。考虑水平钻进过程中钻杆系统与煤层交互约束的复杂机制,搭建煤矿钻孔机器人钻进实验平台及振动监测系统,开展不同软硬煤层及煤层倾斜角度下的水平钻进实验;采用经验模态分解方法对采集数据进行分解、滤波和重构处理,以消除噪声干扰,进而研究软硬交错倾斜煤层下钻孔机器人钻杆系统振动特性。研究结果表明:钻孔机器人无论是在硬→中硬→软煤层还是软→中硬→硬煤层中钻进,钻杆系统的纵向、横向、扭转振动幅度均随煤层倾斜角度的增大而增大;同一煤层倾斜角度下,钻孔机器人在软→中硬→硬煤层中钻进较在硬→中硬→软煤层中钻进时,钻杆系统的纵向、横向及扭转振动幅度更大;煤层倾斜角度较小时,软硬交错煤层对钻杆系统振动特性的影响较大,煤层倾斜角度较大时,煤层倾斜角度对振动特性的影响大于软硬交错煤层的影响;较大的砂石对钻杆系统振动产生一定影响。

急倾斜煤层采空区输气管道变形模拟

为了探究急倾斜煤层开采形成的采空区对其上覆输气管道安全运行的影响,基于快速拉格朗日法对某煤层采空区进行数值模拟,探究了实际煤矿采空区的地质沉降和管道位移特征,研究了不同倾角、不同开采深度的急倾斜煤层对上覆输气管道变形的影响。结果表明:煤矿区5个急倾斜煤层在开采100 m后,在煤层坡面上方形成最大深度1.54 m的塌陷,塌陷区内的土壤和岩石主要向煤层方向水平移动和垂直向下移动;靠近煤层采空区的管道,垂直方向位移大于水平方向位移,而远离煤层采空区管道,则水平位移较大;随着急倾斜煤层倾角减小和开采深度增大,管道向下的沉降量增大,并且发生最大沉降的位置逐渐向煤层方向靠近。

急倾斜煤层巷道冒落带注浆加固技术的研究与应用

急倾斜煤层巷道掘进过程中,经常受到高地应力和断层构造带的影响,易造成煤层顶板冒落,影响巷道的掘进和煤矿的安全生产。针对上述问题,以石洞沟煤矿31114运输巷为工程背景,采用KWJG-4无机双组分化学材料对冒落带破碎煤岩体进行注浆加固,将破碎围岩黏结为具有一定强度的密实体,从而有效加固冒顶区的破碎围岩,提高顶板的整体强度及完整性,改善工作面顶板的受力状况,实现掘进巷道安全、快速、高效过冒落带。对于煤矿生产过程中遇到类似巷道冒落破碎带问题,该方法具有一定的借鉴和指导意义。

缓倾斜煤层群开采辅助运输系统改造及开拓优化设计

针对缓倾斜煤层群开发过程中由于辅助提升及运输系统复杂引起的一系列问题,提出以无轨化辅助运输系统为改造目标,以新建缓坡斜井为改造方式,对沙吉海一号矿井进行辅助提升及运输系统改造。结合井筒布置情况,对矿井进行开拓优化设计,采用缓坡斜井兼做采区辅助运输上山的方式开发煤层群,减少采区个数,延长各采区服务年限,有利于缓解矿井采掘接续紧张的局面。对于新疆地区煤层群开发,沙吉海一号矿井开拓优化思路有一定的借鉴意义。

含正断层倾斜煤层底板变形特征及开采危险性研究

为研究含正断层倾斜煤层开采时受断层的影响,通过数值模拟对工作面推进过程中底板变形特征进行研究,同时监测断层面的应力和位移量变化对开采危险性进行分析。结果表明:工作面推进时,靠近断层面的底板破坏深度约为完整底板的2倍,上盘底板塑性破坏区比下盘范围更广,深度更大;对垂直应力变化分析,开采上盘煤层时对煤层和煤层底板影响较大,而开采下盘煤层时对煤层顶板和煤层影响较大;垂直位移量在煤层底板和煤层处具有明显变化,煤层底板变化较小;煤层开采易导致断层活化,尤其位于煤层顶板和煤层附近的断层带表现最活跃,冲击地压更容易发生在此区域内,而煤层底板处所受影响较小。

倾斜煤层回采巷道断面形状优选及支护研究

为解决香山矿倾斜煤层回采巷道变形复杂、稳定性差、支护难的问题,以香山矿二水平己一采区己_(16-17)倾斜煤层为工程研究背景,通过数值模拟比较分析巷道不同断面形状围岩变形情况,选择合适巷道断面并提出相应的支护方式,结合现场观测以验证选取巷道断面以及支护方式的有效性。结果表明:采用斜顶梯形巷道断面及锚网索支护后巷道顶板最大下沉量与支护前相比降低了19%,两帮最大位移量降低了12.7%,梯形巷道断面支护可以将巷道围岩的变形和破坏控制在较小的范围内,回采巷道变形得到有效控制。研究香山矿倾斜煤层回采巷道稳定性,可为矿井安全生产提供依据。

山体地貌下急倾斜煤层原岩应力分布规律研究

为掌握山体地貌下急倾斜煤层原岩应力分布规律,采用理论分析和数值模拟方法研究了山体对煤岩层的附加应力分布规律与山体下急倾斜煤层原岩应力的分布规律。研究表明:随着深度的增加,山体中部的煤岩层垂直应力按与埋深的平方成反比的规律而递减;在山体外的煤岩层垂直应力从零逐渐增大,至一定深度后又随着埋深的增加逐渐减小。山体下急倾斜煤岩层同一水平和同一煤岩层的原岩应力分布规律在深部与非山体下的一样,呈线性分布,而在浅部受山体集中应力的影响较大,呈与山体地貌相似的非线性分布。

煤矿急倾斜煤层柔性掩护支架采煤法开采参数分析

以神角煤矿为例,介绍了1种煤矿急倾斜煤层柔性掩护支架采煤法。通过对煤矿的生产技术条件进行分析,进而计算出作业面主要参数、巷道支护参数、回采工艺参数,确定了最佳的柔性掩护支架采煤技术方案,为煤矿急倾斜煤层的开采提供了支持,明确了根据柔性掩护支架采煤法的开采参数进行煤矿设计,可以提高煤矿的生产效率和经济效益。

厚倾斜煤层采煤机的研发

针对厚倾斜煤层的开采需要,对现有大采高采煤机牵引力、制动性能、摇臂润滑、液压系统和电气控制系统方面进行技术改进,开发了一款适用型采煤机。通过地面试验台架大倾角适应性试验和井下工业性试验,验证了该采煤机可满足厚倾斜煤层工作面的安全采煤,为煤矿提供了有力装备支撑。

缓倾斜煤层采动底板破坏空间特征研究及应用

以灵新煤矿061405工作面为工程背景,基于弹性力学理论和数值模拟软件研究采动缓倾斜底板应力分布及空间破坏特征,并提出考虑底板破坏空间特征的突水危险性评价方法。结果表明:采动缓倾斜底板最大破坏深度解析值为21.5 m;沿工作面倾向采动底板破坏形态呈现“非对称倒马鞍”形且具有“靠近采空区上侧破坏深度小、下侧破坏深度大”的特征;采动缓倾斜底板破坏空间特征整体呈现从采空区中心区域向四周断层式增长的不对称变化趋势。考虑底板破坏空间特征的突水危险性评价结果与开采实践情况一致。

缓倾斜煤层开采底板破坏深度数值分析研究

研究煤层开采过程中底板破坏深度对防治矿井底板水害具有重要意义,数值模拟避免了因现场条件复杂而无法进行实测的情况,可以在煤层开采前模拟和预测破坏深度,为开采工作提供参考。以梁北煤矿32021工作面为例,基于统计规律的经验公式进行了理论计算,得到的底板破坏深度分别为27.05 m、25.63 m、23.56 m,其中,考虑采深和煤层倾角的27.05 m更接近实际情况。使用FLAC^(3D)进行数值模拟,模拟并分析了工作面推进过程中的应力变化规律和底板破坏深度。在数值模拟的过程中,煤层底板的垂直应力变化结果表明,随着工作面不断推进,顶底板应力增大,采空区两端出现应力集中现象,影响范围不断增大,同时底板破坏深度也会随之增加;煤层底板的塑性破坏结果表明,底板破坏深度随工作面的推进而不断增大,当工作面推进至100 m时,底板破坏深度达到最大,之后破坏深度保持不变,破坏范围会一直随之增加;工作面推进100 m时,煤层底板下不同深度的塑性破坏结果表明,随着深度增加,破坏范围不断减小,可判断出煤层底板最大破坏深度约为25.9 m。

急倾斜煤层综放工作面顶煤超前预裂爆破工艺研究

为保证综放工作面安全回采,减轻急倾斜工作面劳动强度,并实现连续生产,避免发生瓦斯事故,对急倾斜煤层高阶段综放开采危险源、顶煤超前预裂爆破技术理论和爆破弱化数值等进行分析,并提出顶煤超前预裂爆破技术参数设计。实施效果证明,相关技术参数合理,技术作用显著,可实现预期目标。

倾斜煤层放煤工艺参数的选择分析

倾斜煤层在我国具有较大得到储量,如何对倾斜煤层进行有效的开采,提高开采效果对我国煤炭资源的使用具有重要的影响。针对倾斜煤层放煤工艺参数的选择设置,采用PFC仿真模拟的形式进行分析。结果表明,随着放煤步距的增加,顶煤的放出量呈逐渐增加的趋势,经过分析,选择合理的放煤参数为采高4m时进行两采一放的放煤方式。

倾斜煤层群巷道支护方案优化设计

倾斜煤层因围岩结构的非对称性,相较于近水平煤层巷道支护难度更高。以贵州土城矿121103运输巷为研究对象,采用FLAC3D对巷道支护方案进行优选,分析了巷道掘进和回采过程中的位移、应力变化特征。结果表明,121103运输巷每排施工11根锚杆,锚杆间排距850 mm×850 mm,每排施工5根锚索,锚索间排距1800 mm×1700 mm时,巷道顶底板、两帮的位移量和垂直应力最小,能确保巷道在掘进和回采过程中的围岩稳定。该技术为倾斜煤层群围岩控制及支护设计提供了参考。

倾斜煤层直角梯形巷道留巷柱式支护技术研究与应用

为保证沿空留巷工艺在松河煤矿倾斜煤层回采工作面的顺利应用,以120306回风巷留巷为技术背景,综合运用工程类比、数值模拟、现场工业性试验及矿压监测等手段,开展高强柱式巷旁支护沿空留巷技术可行性及合理参数研究。结果表明,混凝土支柱直径需大于1.2 m、布置间距小于3.0 m方可控制留巷围岩失稳破坏,高强混凝土支柱可使采空区侧顶板在其外边界处断裂,减小空巷围岩压力并提高其稳定性,将留巷表面变形量控制在较低水平,取得理想的留巷效果。