坚硬顶板定向水力压裂切顶机理及应用

为促进顶板及时垮落,保证安全生产,在恒晋煤业E9105工作面开展了坚硬顶板定向水力压裂切顶技术的研究。根据断裂力学理论,建立了地应力和水压力共同作用下的裂纹扩展力学模型,推导得出了Ⅰ型、Ⅱ型复合裂纹扩展的强度因子计算公式。基于最大周向拉应变准则,分析了裂纹的起裂条件和起裂规律。结果表明,当原始裂纹方向平行或垂直于σ_(1)的方向时,裂纹为自相似扩展。随着水压的增大,开裂角逐渐减小,裂纹主要为Ⅰ型扩展。结合E9105工作面的地质情况,计算了水压的大小,并与实际相差较小。该技术的应用明显减小了来压步距,降低了支架工作阻力,可为类似条件下的顶板控制提供参考。

矸石粉煤灰膏体材料特性试验研究

膏体材料常用的原材料包括煤矸石、粉煤灰和水泥胶结材料等,膏体的物理、力学特性与原材料的基本性质密切相关。本文以邢台煤矿矸石和马头电厂粉煤灰为样品,分析了其基本性质。煤矸石中矿物量相对较大的有高岭石、石英、云母、钠长石,粉煤灰为Ⅱ级粉煤灰。以坍落度为标准,确定了2个配比,测定了其凝结时间、强度、泌水率等参数。结果表明,配比A、B的坍落度值分别为215 mm和202 mm,泌水率分别为3.5%和3.2%。凝结时间分别在4~5 h和5~6 h,均满足膏体泵送和凝固的要求,可根据现场需要选择使用。

巷旁充填留巷顶板结构分析与围岩控制技术

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。

煤矿不等长工作面微震事件空间分布特征及其影响因素

【目的】煤矿工作面倾斜长度变化或者调采是增大工作面突水风险的重要因素之一,探究不等长布置方式给工作面回采带来的危险及影响因素,是深化煤矿水害防治研究、保障工作面安全回采的关键问题之一。【方法】以冀中能源峰峰集团九龙煤矿15240工作面为工程背景,依据大量微震监测数据,基于STA/LTA模型识别微震事件并进行可视化输出,依据频次变化、平面分布范围、垂向分布特征等多维信息,深入分析了不同阶段的微震活动性和空间分布特点。【结果和结论】结果表明:不等长工作面回采过程中,微震事件呈现显著的时空分布阶段性特征。窄面阶段,处于采动初期,微震主要集中于宽面端附近前阶段窄面区域边缘;宽面阶段,处于采动中期,微震活动向后方宽面区域内部蔓延;进入斜面阶段后,微震则集中分布于巷道转弯处及物探异常区附近。由窄变宽区域、调采区域,呈现底板事件活动性增强、扰动深度增大的特点,是加强水文地质观测的重点区域。回采扰动与上覆煤层抬升引起的应力重新分布、巷道围岩卸压失稳,以及两者的耦合作用是导致不同阶段微震事件产生和分布差异的根本原因。研究揭示了不等长工作面回采引发微震活动的基本规律,为类似工作面矿压监测、底板破坏深度、微震监测水害动态预警等提供了新的理论指导和数据支持,为增强煤矿安全生产能力提供重要的技术支撑。

高强度相似材料配比试验研究

为配制出高强度的相似模拟材料,拟采用水泥和石膏作为胶结料。以沙胶比和水膏比为控制因素,每个因素设置3个不同的水平,同时设置1个检验组,每组制作3个试块,对30个试块进行试验。通过称重、压缩得到了不同配比试块的密度、单轴抗压强度等物理力学性能指标。研究结果表明,不同配比试块的密度约为1.73 g/cm^3,各组差别较小。但不同胶结料含量试块的单轴抗压强度差别较大,最低强度为0.45 MPa,最高达到2.6 MPa,覆盖范围广,基本可以满足大部分岩体材料模型试验对相似材料的要求。利用MATLAB软件对试验数据进行回归分析,得到了回归方程。利用回归方程得出的配比与检验组试块的配比吻合较好,能够用于相似材料配比的确定。

超高水材料封堵瓦斯抽采钻孔技术研究

针对传统瓦斯抽采钻孔封堵中存在的问题,分析造成抽采钻孔漏气的主要原因,指出提高钻孔的封堵质量是提高抽采效果的关键。在广泛调研当前封孔材料及工艺优缺点的基础上,研究将超高水充填材料应用于煤矿井下封孔,并在土城煤矿13171底抽巷成功进行了超高水材料封堵瓦斯钻孔的实验,拓展了超高水材料的应用范围,可为井下其他钻孔的封堵提供借鉴。

巷旁充填留巷矸石胶结材料配比试验研究

为降低留巷充填材料成本,河北煤炭科学研究院开展了以矸石固体为骨料、高铝水泥熟料为胶结剂的矸石胶结材料研究。通过控制变量法,分别研究了矸石粒径级配、搅拌程度、材料配比、水泥含量、推实程度等变量对材料力学性能的影响。试验结果表明,矸石胶结体强度受矸石水泥用量影响较大,受粒径级配影响较小,同时对胶结材料进行充分搅拌、推压密实,可以显著提高强度。胶结体中矸石和砂浆的最佳配比为65∶35,同时辅以单体柱等临时支护措施,可取得较好的留巷效果。

超高水材料限高开采局部充填技术研究与应用

为保证地面高压线塔基的稳定并最大限度的回收煤炭资源,对山西潞安集团司马矿放顶煤工作面进行了超高水材料局部充填开采的试验。按照地面塔基的控制要求,并考虑塔基自身尺寸,确定充填范围为54m×89m(倾向长×走向长),在该区域内,采高降为2.9m,不放顶煤。在无专用充填液压支架的条件下,为保证充填区域的安全,设计了移架—割煤—充填一个完整循环的支护方案。现场应用表明,采用限高开采局部充填地面塔基稳定,经济效益显著,可为类似条件下的煤炭资源回收提供参考。

采动垮冒型顶板煤巷强力锚索桁架支护系统试验

阳泉煤业集团新元煤矿大跨度垮冒型顶板的运输巷受剧烈采动压力作用,其锚杆锚索支护效果差,基于现场调研和锚索测试资料分析,提出了强力锚索桁架与小孔径高预应力锚索联合支护的新型支护系统。通过研究得出该巷道顶板部分岩层在这种支护作用下形成双拱形强应力区,并分析双拱耦合支护机理。选取东四运输巷一段试验,采用KZL-300型顶板离层值自动记录仪,记录下该巷道顶板离层值。试验结果表明:采用强力锚索桁架与短锚索联合支护系统后,试验段巷道顶板离层量平均仅6.12 mm;巷道服务期间,顶板及两帮位移量分别较其他运输巷减少71.90%和57.45%,受二次或多次剧烈采动影响巷道得到稳定,保证了井下施工作业安全。

淋水碎裂顶板煤巷锚固试验研究与实践

煤巷顶板锚固区域富水岩层支护中出现的沿锚杆(索)钻孔持续渗、淋、涌水难题是工程中亟待解决的问题。采用一种新型锚杆(索)防水锚固剂进行了相关防水性配比试验研究;为了获得煤系碎裂顶板持续渗水作用下粉砂岩强度变化规律,在现场与实验室分别进行渗水试验。结果表明:NS-1不饱和聚酯树脂及添加2%的XS-1高分子速溶胶粉是防水型锚固剂关键点;在静水浸泡作用下,粉砂岩抗压强度呈现先缓慢增大而后快速衰减的变化规律;在动水渗流、循环风干作用下粉砂岩在36～42 h内裂隙开度增加,强度持续弱化。研究了粉砂岩顶板水与支护体耦合作用关系,在团柏煤矿101101巷道进行新型锚固剂锚杆(索)锚固试验,防水型锚固剂在钻孔渗流量为140 mL/s时,仍能达到208 kN的锚固效果;试验结果表明,对锚杆、锚索施加高预应力和采用防水锚固剂可保证顶板淋水碎裂煤巷的稳定。

坚硬顶板水力压裂切顶卸压技术实践

为促进邢东矿2号煤采空区顶板的及时垮落,在2129工作面开展了切顶卸压技术研究。在对比不同卸压方式的基础上,确定采用水力压裂切顶卸压。分析了水力压裂切顶的机理,通过理论计算,确定了注水压力、切顶高度、钻孔布置等水力压裂的主要参数。现场应用表明,2129工作面采用水力压裂切顶后,减少了周期来压步距和来压强度,巷道变形明显减小,煤壁片帮好转,取得了理想的卸压效果,可为类似条件下的坚硬顶板控制提供参考。

千米深井大跨度煤巷顶帮桁架联合控制技术

针对邢东矿千米深井大跨度采准煤巷围岩急剧变形失稳的矿压显现特征,本文提出了采用高预应力强力锚杆支护系统、顶板桁架锚索和煤帮锚索-槽钢桁架联合支护千米深井巷道的控制对策,阐述了其控制原理,并综合应用理论计算分析、数值模拟优化和工程类比等方法确定联合控制方案。现场实践表明,该方案能有效解决千米深井大变形煤巷围岩控制难题,且产生了显著的技术经济效益,为更深部采区更高应力条件下的锚杆索支护提供技术依据。

充填开采连续曲形梁时空特性研究

为掌握充填开采采动影响范围内连续曲形梁从形成、发展到稳定过程中的时空特性,对基于力学分析得出的理论解和工程解之中与时间相关的变量进行深入研究,得到了连续曲形梁变形与时间的对数函数关系。进而采用二维相似试验模拟了不同充填条件下覆岩移动的时空演化过程,描述连续曲形梁位移分布特征及随时间延续的变形规律,从而确定顶板下沉量和下沉速度、充填体压缩及工作面推进速度、连续曲形梁的曲率动态变化与开采速度等各类相关参数之间的时空关系,为深入地理解连续曲形梁在时空维度的力学行为,为充填开采覆岩移动控制工艺提供优化设计依据。

高瓦斯低透煤层综采面瓦斯治理技术

针对新元煤炭公司综采面生产过程中存在上隅角、回风巷和尾巷瓦斯浓度超限的问题,文章在对试验区域综采面瓦斯涌出特征进行分析的基础上,提出了采空区密闭横贯(超大径管路传输)抽放、尾巷倾斜大直径钻孔抽放和本煤层大直径顺层平行钻孔预抽的瓦斯综合治理技术。现场实践表明,该综合治理技术有效解决了瓦斯浓度超限难题,满足安全生产要求,并为其它矿井瓦斯治理提供新的技术手段。

深部承压水上含隐伏构造煤层底板渗流路径扩展规律

针对邯邢矿区矿井开采深度逐渐加深与采动影响下隐伏构造活化而导致底板奥灰层突水威胁日益加重的问题,研究大采深、高水压条件下含不同隐伏构造类型底板高承压水的始渗条件和渗流路径扩展规律,以确定矿井底板突水条件及重点治理区域。从开采扰动、隐伏构造、承压水共同作用角度分析,根据典型突水矿井地质条件及突水原因分析,建立了含隐伏导含水构造的概化力学模型,通过断裂力学理论得出了含水裂隙的起裂条件、抗渗透强度及由主应力表达的裂隙扩展判据,应用弹性力学边界荷载在半无限板内传播的经典求解方法推导得出了采动应力与承压水压力耦合作用下含隐伏构造煤层底板的垂直应力、水平应力和剪切应力表达式,在所得应力分量基础上通过应力张量的不变量求解应力状态方程得到含水裂隙扩展判据中的主应力表达式,以邯邢矿区典型突水矿区地质与开采参数为例进行算例分析,通过编制Matlab计算程序计算得出底板裂隙的扩展路径。进而采用可模拟岩石破裂声发射且裂隙扩展可视化效果较好的RFPA数值软件进行验证分析,再现了底板渗流路径演化过程。理论计算与数值分析结果表明:隐伏构造的局部应力扰动作用影响了渗流路径的扩展方向,使3种类型底板分别呈现出不同的渗流路径,对于完整型底板,渗流裂隙由奥灰承压水层顶界面至采空区两侧边界呈“正八字”形向采空区扩展;对于隐伏陷落柱型底板,渗流裂隙沿陷落柱顶界面呈“倒八字”形向上发散式扩,至底板28 m深度时与采动裂隙贯通而停止扩展,其延线分别指向采空区两侧边界展;而对于隐伏断层型底板,渗流裂隙则沿断层延线的反向扩展,至底板30 m深度时与采动裂隙贯通而停止扩展,其延线指向工作面后方,在底板含水裂隙自下而上与底板采动裂隙自上而下联合扩展作用下最终贯通形成底板奥灰水至采煤工作面的渗流通道。基于理论计算和数值模拟得出的底板承压水渗流路径扩展规律,在实际工程中可结合微震监测技术来实时动态捕捉煤层底板隐伏导含水构造活化的前兆信息,进而实现底板突水路径的预测预报和快速重点区域治理。

大垂深投料系统耐磨缓冲器的研制及应用

为实现大垂深矿井矸石固体从地面到井下的高效快速输送,需研发新型耐磨缓冲器。利用多种方式计算得到了投料孔底部矸石颗粒的速度以及对缓冲器的冲击力大小,详细分析了缓冲器的缓冲原理,确定缓冲器为伞状结构,分为伞帽、伞底、支撑板等几个部分。在分析缓冲器磨损因素的基础上,研发了一种新型多元低合金耐磨钢,用于缓冲器的制作,可大幅提高缓冲器的使用寿命。

Mechanism and experiment of substituting high drainage roadway with directional long drilling group to extract pressure-relief gas

By establishing the numerical model in the vertical plane and the similar model in the horizontal plane of gas flow in goaf, the influence of high drainage roadway or drilling on the gas seepage field was analyzed, and the extraction mechanism was clarified. On this basis, the academic thought of directional long drilling group instead of high drainage roadway was put forward. And then using complex function theory, the permeation mechanical model of drilling group with circle distribution in the mining-induced fracture zone was established to explore the coupling relationship between the drilling quantity, extraction volume and the equivalent extraction rate of single drilling. Finally, combined with the concrete geological production conditions, the main parameters of directional long drilling group were determined. The distance between the drilling group center and the air-return roadway is 24 m, the height is 18 m, and the three drillings are in an approximate equilateral triangle distribution with a space of 8 m. The equivalent extraction square is 4.15 m2. It is shown that the effect of directional long drilling group is evident. The gas content in the upper comer is controlled below 0.95%, the content in the tail roadway is kept below the alarm value, and the content is over 50% in the drill, realizing the secure and effective extraction of coal and gas.

综放面支架泄漏故障的超声微震识别原理及探测实践

高压乳化液泄漏是支架液压系统的主要故障,具有多发性、不确定性和隐蔽性的特点。乳化液泄漏时将产生连续的超声波信号,在此基础上研制成功了支架液压系统泄漏故障检测仪,并确定了相应的判据。现场应用实践表明,该仪器能迅速准确的判断支架液压系统的泄漏部位及程度,有效提高支护质量,保障工作面的安全生产。

综放工作面停采期间采空区遗煤自燃治理技术实践

陕西火石咀矿煤层采用综合机械化放顶煤开采,煤层具有自燃倾向,ZF8709工作面停采时间较长,为避免发生采空区遗煤自然发火,开展了防灭火技术研究。采用CFZ20型自动负压采样器对采空区中的气体浓度进行分析,以氧气浓度18%和8%作为分界线,确定了散热带、自燃带和窒熄带的分布范围。普瑞特材料具有膨胀倍数高,扩散性能好的优点,是一种理想的防灭火材料。为防止煤层自燃,采用工作面全长架后采空区封堵+两端头预防性注浆+持续注氮的防灭火技术。现场监测表明,停采期间CO浓度稳定在0.001 0%以下,未监测到发火征兆。