大宗煤基固废膏体充填材料少水化配比优化研究

为解决西部采煤区固废多、处理难的问题,以宁东矿区的脱硫石膏、粉煤灰、水泥为主要原料,对原料的微观形态及少水配比的煤基固废膏体充填材料的成分进行分析,以初期流动性、脱模后7 d和28 d的抗压强度为指标进行充填材料配比优化。设计了3因素3水平17组配比方案,建立响应面回归模型,分析单因素及多因素交互作用对少水充填材料强度和流动性的影响。研究结果表明,粉煤灰与水泥质量比是影响少水充填材料强度的重要因素,料浆质量分数是影响少水充填材料流动性的重要因素。少水配比的煤基固废膏体充填材料的最优配合比:脱硫石膏质量分数53%,粉煤灰与水泥质量比2∶1,料浆质量分数74%。波速与强度的响应关系表明,可以利用充填体的波速来预测其强度。

微波辐射深井砂岩升温损伤特征与钻进效果对比研究

为了研究微波辐射深井砂岩升温损伤特征与钻进效果,采用恒源煤业标高-940 m回风辅助石门取芯的深井砂岩为研究对象,分析其深井砂岩在相同输入能量微波辐射后温度、质量、纵波波速及钻进实验后的机械钻平均转速、扭矩随不同路径处理下的变化规律。研究结果表明:在模拟试件单面辐射时,高功率短时间(1.4 kW,214 s)比低功率长时间(1.0 kW,300 s)微波辐射后质量变化、试件前侧后表面最高温度变化更大,且波速差值和损伤因子随试件表面温度升高而增大;微波辐射前后测量试件对应5个标记点位置处的纵波波速,发现波速差值和损伤因子较大的地方主要集中在试件表面升温最高的地方;在对比有无受限变形条件下钻进实验效果分析开展了A组微波未辐射、有受限变形(路径1),B组微波功率为1.0 kW、微波辐射时间为300 s、有受限变形(路径2),C组微波功率为1.0 kW、微波辐射时间为300 s、无受限变形(路径3),D组微波功率为1.4 kW、微波辐射时间为214 s、有受限变形(路径4)4种路径的处理方式,得到钻进效果从优到差的路径依次为:路径3>路径4>路径2>路径1;分析得到在相同输入能量有受限变形条件制约下,功率在1.4 kW微波辐射下钻进效率是功率在1.0 kW微波辐射下的1.3倍左右,而有受限变形条件制约下,微波辅助钻进法的效率是无微波辐射常规法的8.5倍左右,即有受限变形条件制约下机械钻进较为困难。研究成果为较弱吸波能力深井砂岩的损伤路径优化及低能耗高效率破岩提供了借鉴与参考。

铁元素含量及含水状态对砂岩微波辐射升温损伤的影响

为研究砂岩的铁元素含量与含水状态对微波辐射升温损伤的影响规律,开展了砂岩试件微波辐射对比试验,试验分为12组,包含3种铁元素含量和4种含水状态(干燥、自然、浸水24 h与饱和)。试验采用X射线荧光光谱测量(XRF)技术检测试件表面铁元素含量,通过实时红外热成像监测表面升温过程,运用对比方法分析辐射前后P波波速与抗拉强度的关联特征。试验结果表明:(1)干燥状态下,砂岩试件升温过程均呈前期缓慢、中期活跃、后期稳定的趋势;铁元素含量越高,升温速率峰值就越高(2.66,2.40,1.66℃/s)、也就越早达峰(70,100,110 s);(2)干燥、自然、浸水24 h状态下,升温速率峰值平均值分别为:2.26,3.34,3.24℃/s,达峰时间分别为:90,70,20 s;饱和状态下,升温速率峰值为1.3℃/s,达峰时间为80 s;(3)含水状态对砂岩结构损伤的影响最为显著,饱和状态砂岩辐射180 s的损伤大于其他含水状态辐射300 s的损伤;铁元素含量直接影响岩石表面温度分布的均匀程度,铁元素含量越高,岩石表面温差越大;(4)相较于干燥和自然含水状态,浸水24 h和饱和状态下砂岩辐射后巴西劈裂初始压密阶段占比增加,起裂模式由端部起裂向中心起裂转变。研究成果可为类似原生和再生状态下微波辅助破岩效果的研究提供借鉴与参考。

煤电化基地大宗固废“三化”协同利用基础与技术

我国14个大型煤炭基地及89个大宗固体废弃物综合利用示范基地建设,标志着矿区大宗固废利用已被纳入全国战略发展布局。长期以来煤炭资源高强度的开发与利用,造成矿区浅埋煤层资源临近枯竭,煤电化基地大规模固废堆积及地表沉陷,已成为制约矿区绿色低碳、高质量发展的难题。大宗煤基固废协同利用与绿色充填是解放“三下一上”压煤,延长矿井服务年限,实现固废无害化、资源化、规模化“三化”利用的有效途径。基于产煤大省山西省、“华东能源粮仓”安徽两淮基地及宁东能源化工基地的煤基固废种类和产量,详细阐述了以煤矸石、粉煤灰、炉底渣、气化渣和脱硫石膏等为主要材料的煤基固废通过重金属吸附解吸和络合钝化技术实现无害化处置,列举煤基固废分类应用于低热值煤基固废发电、制备建筑材料如水泥、砖瓦等资源化利用途径,对比分析煤基固废采煤沉陷区复垦回填及井下充填规模化利用途径,突出煤基固废井下充填的优越性。基于煤电化基地深部煤炭资源,提出绿色充填开采理论与关键技术,包括深部煤矸石源头减量与采选充协同技术、充填材料高效制备与深部井下输送技术及煤基固废充填材料深部多场耦合机理,探究多源煤基固废从源头、过程到终端的深部充填开采全过程的技术原理与方法,以解决矿区深部井下充填的技术难题。根据宁东基地任家庄煤矿、山西省霍尔辛赫煤矿及淮北矿区地质条件和充填目的,分别提出超前钻孔注充低位充填方案、关键层非典型特征条件下多离层梯级注浆方案和煤基固废协同利用关键技术,综合矿山固废处置与利用、深部煤炭资源开发利用、地表沉陷控制、生态环境保护等优势,形成煤电化基地大宗固废协同利用与绿色开采模式,为煤炭开采高质量化和环境低损伤化提供参考。

硬岩顶板切顶留巷围岩变形分区补强控制研究

【目的】森达源煤矿传统的宽煤柱开采方式导致采掘接续紧张,并引发严重的围岩变形问题。切顶留巷技术可优化巷道支护条件,提高采煤效率,促进煤矿高效安全生产。【方法】以1号煤层的10101工作面为研究对象,运用FLAC 3D数值模拟软件,深入探究了切顶高度、切顶角度、注浆加固深度对巷道掘进、预裂切顶和切顶留巷过程中煤帮内部、采空区及顶板应力变形特性的影响。确定出最佳切顶留巷方案。在此基础上,进一步模拟分析工作面前后不同区域的围岩受力变形情况。提出回采工作面前方0~30 m内为超前补强区,采取“高预应力锚索+单体配合铰接顶梁”的联合支护。后方0~100 m内为滞后补强区,采用“工字钢+单体支柱”联合支护,同时对矸石帮实施注浆加固。通过工程应用验证了区分补强控制变形措施的有效性。【结果】结果显示:最佳切顶留巷方案为切顶高度6 m,切顶角度15°,矸石帮注浆深度1 m。此方案下,10101工作面的巷道顶底板的最终变形量为155 mm,两帮的为84 mm,均符合矿井使用要求,验证了切顶留巷技术具有良好效果。【结论】结果表明:切顶留巷技术能有效解决传统宽煤柱开采方式中存在的围岩变形问题。然而,该技术的实施受切顶高度、切顶角度和矸石帮注浆深度等因素的影响较大,需结合数值模拟和现场状况进行具体确定。总体上,切顶留巷技术和分区补强控制措施对围岩变形的控制效果显著,为类似条件下的煤矿开采提供了宝贵的经验借鉴,因而具有广阔的应用前景。

炸药爆炸作用对煤基固废中煤矸石的破碎研究

为了满足快速破碎煤基固废中大量大颗粒煤矸石的要求,利用炸药爆炸破碎方式,设计了敞口与近似密闭条件下的破碎装置,从理论与实验方面分别进行了炸药爆炸作用对煤基固废中煤矸石的破碎研究。结果表明,采用炸药爆炸产生的冲击波对煤基固废中大颗粒煤矸石进行破碎时,由于冲击波反射破坏作用,煤矸石的破碎过程起始于外部层裂或崩落。此外,与敞口体系相比,近似密闭条件可有效提升煤矸石的破碎效果。若进一步扩大破碎装置中的煤矸石装填量,增加破碎所需的爆破药剂用量,有望大幅提升煤矸石的快速破碎能力。

回采巷道围岩分类治理模式及关键技术研究

以淮北矿区某矿回采巷道围岩治理中存在的问题为出发点,在摸清其围岩赋存特征、掌握支护失效原因的前提下,基于各主采煤层回采巷道围岩赋存差异等特征提出回采巷道围岩按煤层类别、沿空与否的分类治理模式,并进一步分析治理关键技术;通过数值模拟计算,对比分析两类回采巷道围岩分类治理前后巷道变形、应力变化情况,得到分类治理后巷道围岩变形大大减小,围岩应力亦明显改善;最后,将围岩分类治理的关键技术应用到工程实践。实践结果表明:回采巷道围岩分类治理后较分类治理前,围岩变形得到有效控制。研究成果能为类似条件下回采巷道围岩治理提供很好的借鉴和参考依据。

深部大变形回采巷道围岩拉压分区变形破坏的模拟研究

为研究深部回采巷道围岩大变形破坏规律,在地质力学评估及矿压显现特征实测的基础上,采用真三轴相似模拟方法,模拟了不同加载梯度下巷道围岩应变特征。结果显示,在浅埋静水压力条件下,巷道围岩呈现"浅部拉应变、深部零应变"的特征;深埋静水压力及初掘采动应力下巷道围岩出现"径向应变拉压交替分布"现象;当采动应力集中系数大于2时,深埋巷道围岩应变进入非线性大应变状态。采用FLAC3D的应变软化模型与摩尔-库仑模型,对比研究了深部回采巷道围岩位移、塑性区分布规律。结果表明,应变软化条件下,巷道围岩产生拉、压分区破坏且软化后的围岩位移与实测结果更吻合。综合研究结果,揭示了深部回采巷道围岩拉、压分区的产生机制,初步提出了注浆、喷层等措施,防止过度应变软化引起深部回采巷道围岩大变形,为类似巷道稳定性控制提供了一定的参考。

复杂条件下回采巷道围岩控制综合技术

为了实现复杂条件下回采巷道围岩稳定控制,提出了层位优化技术、钻孔卸压技术、锚网索支护技术。通过FLAC3D数值模拟研究了2种不同层位巷道开挖的支护效果,进行了巷帮卸压方案设计、锚网索支护方案设计。结果表明:层位优化后,锚网索支护巷道帮部变形显著减小,巷道围岩应力大幅降低;实施钻孔卸压技术降低了围岩侧向支承压力的应力集中;锚网索支护技术保证了巷道的稳定性。与采用传统支护相比,某矿713回风巷支护工程实践表明:在复杂条件下巷道围岩控制采用层位优化技术、钻孔卸压技术、锚网索支护技术等综合技术才能得到有效控制。

深部矩形回采巷道围岩变形破坏的尺寸效应研究

以三种相似配比材料分别制作淮南矿区丁集煤矿13-1煤及其直接顶(底)、老顶(底),在实验室深部巷道围岩破裂机理及支护技术模拟试验装置内进行大、小两种不同断面的矩形回采巷道真三轴加载试验。模型试验结果表明:应力梯度加载到一定程度时,大、小断面巷道围岩应变都经历了"浅部拉深部压应变,存在零应变点",大断面应变明显大于小断面应变值;大、小断面底鼓达到峰值时的压力不同,前者小于后者,但最终位移量相当,分别为800mm、725mm;深部开采条件下大断面变形量大,矿压实测结果与试验结果吻合。综合研究表明:特定开掘尺寸及支护强度下,大断面预留大变形是深部矩形回采巷道围岩稳定性控制的有效途径。

地应力对深部回采巷道布置方向的影响分析

为分析地应力对深部回采巷道布置方向的影响,在参考相关文献和实测淮南矿区7个深部矿井20组地应力的基础上,获得高水平构造应力赋存特征。针对某深部矿井首采面两回采巷道布置方位与最大水平应力一致时,断面收缩仍然严重,对比Tresca理论与Gale理论,确定前者更适合分析此类巷道变形破坏状态。按点的应力状态计算不同侧压下巷道最优布置方位与最大水平主应力夹角β,得到首采面两巷的β为45°。根据巷道帮、顶应力差值越大围岩稳定性越差,进一步探究了β从0°偏转为12°,其围岩变形的应力差影响程度降至91%。接替面工程实践表明:初期支护方案相同时巷道围岩变形略有改善,后期支护方案改为帮、顶角增加两根锚索外加信号柱及时补强后支护效果良好,研究结果为类似条件下巷道布置与围岩控制提供了一定参考。

深部厚煤层开采底板巷道受采动影响矿压显现规律研究

以丁集煤矿1282(3)工作面为工程背景,采用超前支承压力分段简化,构建了底板应力分布表达式,通过矿压实测数据代入后计算得到前方底板不同深度处应力增量集中系数,得出采动超前影响范围110m。考虑计算时忽略巷道自身开掘及长期蠕变的影响,最后通过底大巷实测、综合收作段地质条件进一步确定了合理的停采线为177m,研究成果为类似条件下的巷道维护及煤柱留设提供一定参考。

上隅角瓦斯积聚问题探究

深部矿井开采的一大难题是上隅角瓦斯积聚的治理,研究上隅角瓦斯积聚问题的治理方法对安全高效生产具有重要的意义,本文集中讨论了几种解决上隅角瓦斯积聚的方法。

宁东矿区气化渣基膏体充填材料性能优化研究

宁东矿区作为黄河流域的9个亿吨煤基地之一,年产出煤基固废近2×10^(8) t且气化渣堆存量大、规模化利用困难、简单填埋处理空间有限,充填开采能解决空间堆存难题,但成本高、性能亟待优化。根据响应面法设计气化渣在固体中的掺量(A)、气化渣与水泥质量比(B)、料浆含量(C)3因素3水平共17组中心组合实验,对气化渣基膏体充填材料的坍落度、扩展度、7和14 d单轴抗压强度等性能进行了对比优化研究。实验前使用X射线衍射仪(XRD)和扫描电镜(SEM)对原料的成分及微观形态进行观测分析,试块单轴压缩后通过SEM观测分析水化作用特点,揭示强度形成机制。综合强度和流动性得到最优配比及其性能特征为:A为48%,B为3,C为80%,脱硫石膏∶煤矸石∶炉底渣的质量按2∶1∶1配制,其7、14 d强度分别为1.15、2.41 MPa,坍落度为133 mm,扩展度为325.5 mm,坍落度与扩展度的比值为0.41。进一步基于响应面法分析得到7、14 d强度的单影响因素按显著性排序分别为:B>C=A、B>A>C;7、14 d强度的交互影响因素按显著性排序分别为:BC>AB>AC、AB>AC>BC;坍落度和扩展度的单影响因素按显著性排序分别为:C>B>A和C>A>B,进而为严控地表沉降、快充减少堵管、强度成本兼顾3种不同功能需求优选了对应配比方案及参数。研究成果为黄河流域的生态保护与煤炭低损伤开采提供了重要基础参数和优化方向。

蹬空条件下上提面回采巷道顶板运动特征研究

提高回采上限工作面(上提面)的回采巷道由于受到底部蹬空采动影响,矿压显现较浅部其他回采巷道更加剧烈,为安全生产需研究其老顶运动特征。通过悬臂梁理论计算拟合远距离上覆工作面及回采巷道基本顶受下部蹬空回采影响在初始影响段的下沉挠度曲线;并通过数值模拟计算对比分析了理论计算结果及进一步计算分析了上覆工作面及回风巷的基本顶运动变形特征。结果表明:数值模拟计算曲线与理论拟合曲线较好吻合,结合工程实践,其计算过程能够很好地反映顶板运动变形特征。研究结果能为类似条件下回采巷道布置提供一定参考依据。

工作面顶板压力分布与液压支架工作阻力匹配探究

液压支架的选型直接影响着工作面的生产,而按照传统的支架选型理念,工作面支架的型号是相同的,这样肯定是能够满足安全生产。但是工作面的顶板压力分布不是在每个位置都是一样的,这样实际是造成了一种浪费,大工作阻力的支架没有完全发挥作用,希望通过分析某煤矿1031工作面支架压力规律,提出支架选型的另一种猜想,以求达到最大的经济效益。

深埋回采巷道围岩塑性区演化规律研究

基于某矿地应力实测结果,在拟定回采巷道开掘方案及支护参数的前提下,采用Hoekbrown准则、＂当量半径＂简化、弹塑性平衡理论计算得到巷道掘进支护后围岩塑性区半径公式,假定其他因素不变代入支护强度、侧压系数后得到巷道初掘期间不同部位塑性区与p0、λ耦合关系曲线,为巷道布置及支护强度定量设计提供重要的参数;回采期间假定前两者已定,得到工作面前方14-44 m巷道内围岩塑性区随地质强度因素GSI、支承压力P＇变化的演化规律。通过UDEC大变形数值模拟计算获得工作面前方巷道围岩塑性区演化规律和同距离段理论计算结果基本吻合。对掘进、回采期间矿压观测结果表明,基于实测地应力的深埋回采巷道围岩塑性区演化规律研究具有针对性、定量性及实用性,能为巷道布置、支护参数设计及围岩稳定性判定提供可靠的依据。

工程教育专业认证下课程教学目标与毕业要求的关联性——以《煤矿开采学》为例

工程教育专业认证需要达到12个专业毕业要求,每一项毕业要求均需通过多个课程的多个教学目标予以支撑。本文以安徽理工大学采矿工程专业核心课《煤矿开采学》为例,分析了课程基本知识、采区或带区设计方法等6个教学目标与工程知识、问题分析、设计/开发解决方案、工程与社会、环境和可持续发展的5个毕业要求的6个指标点之间的关联性,说明了教学章节内容响应教学目标与毕业要求指标点的一般、中等与高度支撑关系,通过实例分析,以期为课程体系建设提供一定的借鉴与思考。

临涣矿Ⅱ826工作面旋转开采支护技术

在工作面进行旋转开采的过程中,工作面长度逐渐变长,工作面需要增加支护方案。为了保证工作面安全高效的进行旋采,针对该工作面的地质条件及开采条件,对工作面增加的支护方案进行了支护设计。经现场应用验证,所设计的支护参数是合理的,能够有效地控制顶板,支护效果良好。

微波技术辐射岩石实验探讨与成孔应用研究进展

微波辐射技术具有高效性、整体性以及无污染等优点,近年来已成为岩石破碎与成孔应用的热点方向。中外学者运用实验和数值模拟等手段对微波辅助破岩技术进行了广泛研究,并获得了一些有益规律。针对微波辐射岩石的现有研究成果,阐述了微波技术辐射岩石实验进展,明确了微波辐射设备的选型问题,探讨了1.4 kW微波功率条件下辐射玄武岩和石灰岩的实验现象,归纳了微波辐射岩石后裂纹的微观断裂形式及微波辐射裂纹扩展机理,总结了高能微波技术在岩石中成孔应用的进展,以期为高能微波成孔技术在设备及现场工业化应用配套设施研发、多场耦合作用机理、多因素条件评价机制和地下深部“三高一扰动”环境的适用性研究等方向推广应用提供借鉴与参考。