松软煤层大采高工作面煤壁片帮机理及深浅孔交替超前预注浆加固技术研究

目的为探究松软煤层大采高工作面煤壁片帮机理,并对片帮严重的松软煤层大采高工作面煤壁进行有效控制,方法利用材料力学理论得到煤壁片帮的频发位置,引入煤壁剪切破坏准则,得出松软煤体煤壁片帮的主控因素。并以李村煤矿1305工作面为例,通过FLAC3D建立数值模型,以煤壁最大位移、煤体破坏深度、支承压力大小和支承压力峰值位置4个因素作为参考比较对象,通过引入正交试验法,研究了煤层埋深、内摩擦角、黏聚力、抗拉强度以及支护强度对煤壁片帮的影响程度。结果结果表明:煤体自身的物理力学性质(内摩擦角和黏聚力)是影响煤壁片帮的主要因素,其次煤体的赋存条件(埋深)也是一个较为关键的影响因素。结论工业性试验基于正交试验结果提出了大采高综采工作面深浅孔交替超前预注浆加固技术,有效控制了李村煤矿1305工作面煤壁片帮严重情况,为其他类似地质条件大采高综采工作面煤壁片帮控制提供了借鉴。

松软煤层钻进钻杆减重降阻机制及应用研究

施工瓦斯抽采钻孔是治理瓦斯危害的必要手段,针对松软煤层钻进因钻杆自重大引起的钻进阻力大、钻进效率低及劳动强度高等问题,提出了优化钻杆结构以减少自重并降低钻进阻力的研究思路,通过设置四翼内凹结构达到减小钻杆自重及降低钻进阻力的目的,并依此设计了四翼内凹刻槽钻杆,兼顾钻杆推进阻力和旋转扭矩损失,建立了钻杆钻进阻力模型,结合ANSYS数值模拟方法对四翼内凹刻槽钻杆进行强度校核分析与参数优化,研制了四翼内凹刻槽钻杆,并进行了现场工业性试验。研究表明:(1)对于100m钻孔深度,四翼内凹刻槽钻杆相对于圆状刻槽钻杆质量减轻了21.88%,在正常钻进时,四翼内凹刻槽钻杆与圆钻杆相比旋转扭矩损失降低了25.10%;与圆状刻槽钻杆相比降低了20.90%。在塌孔10m的情况下,四翼内凹刻槽钻杆钻进阻力相对于圆钻杆降低了51.44%,相对于圆状刻槽钻杆降低了43.65%。(2)对四翼内凹刻槽钻杆进行强度分析与参数优化,结果显示,在常规坑道钻机作用下,钻杆最大应力与内凹深度呈正相关,与壁厚呈负相关,壁厚对于应力的影响大于内凹深度的影响,且在内凹宽度为33mm、深度为4mm、壁厚为11.5mm时,安全系数为1.59。(3)现场工业性试验表明,四翼内凹刻槽钻杆排渣顺畅,强度可靠,钻进深度提高了18.18%,钻进效率提高了17.80%。在保证钻杆强度的前提下、通过钻杆结构创新有效降低钻杆质量,对于降低工人劳动强度、提高钻进效率和成孔率具有显著的效果,为推动复杂地层钻探技术发展提供了新的方法。

松软煤层底板爆破致裂增透模拟试验研究及应用

针对松软煤层爆破增透钻孔施工困难,爆破增透产生的裂隙不发育且易于重新压实的问题,提出在底板岩层开展爆破作业,达到松软煤层增透进而增加瓦斯有效抽采时间的目的。为了监测跨界面应力波传播规律及煤层损伤状况,在实验室构建了物理模型并开展了煤层底板爆破相似模拟试验。同时使用数值模拟的研究方法对煤层底板爆破过程中煤、岩体内部的损伤及裂隙的演化过程进行补充。结果表明:松软煤层底板爆破裂纹沿爆破孔向四周岩体扩展,爆破孔位置和底板煤岩交界面以及煤层内部的破坏较为严重,产生跨界面损伤裂纹。爆炸应力波从松软煤层底板岩层传播到松软煤层时,岩体和松软煤体的交界面产生透射压缩应力波和反射拉伸应力波,透射波作用于松软煤体,使煤层裂隙增加;反射波反作用于岩体,在煤岩交界面形成交叉裂纹,使底板岩层裂隙和松软煤层裂隙贯通,有利于松软煤层的瓦斯垂向运移流动和卸压瓦斯抽采。潘一东煤矿现场应用表明,煤层底板爆破增透后瓦斯抽采纯量及其浓度快速上升,抽采纯量从0.06 m^(3)/min提高到1.46 m^(3)/min,增加了23.33倍;瓦斯浓度从爆破前的10.46%上升到45.50%左右,增加了3.34倍,并且长时间维持在较高水平。研究成果可为深部松软煤层瓦斯高效抽采提供理论基础和技术支持。

松软煤层定向长钻孔钻进技术及应用

针对象山矿井3号煤层受采动影响,卸压瓦斯通过顶底板裂隙释放至保护层工作面及采空区,造成上隅角瓦斯浓度高的难题,结合突出矿井高应力软煤层等复杂地质条件,采用复合钻进与滑动定向钻进工艺,利用ZYL-6000D全方位千米钻机配套螺旋钻杆、YSX18矿用随钻测量系统,采用高压氮气钻进技术,在21315综采工作面施工定向长钻孔进行瓦斯抽采,抽采钻孔使用“三堵两注”两相封孔技术,最终形成松软煤层定向长钻孔钻进控制及钻探工艺技术。试验结果表明,ZYL-6000D全方位千米定向钻机配合高强度刻槽钻杆可提高钻进深度和效率,“三堵两注”两相封孔方法对钻孔周围裂隙进行有效封堵,瓦斯抽采浓度大幅度提升,实现松软煤层定向长钻孔瓦斯治理模块化抽采,为矿井安全高效稳定发展提供有力保障。

卸压条件下松软煤层水力造穴瓦斯治理技术及效果分析

为探究松软煤层切眼掘进过程中存在的瓦斯抽采效率低,瓦斯异常突出、瓦斯浓度频繁超限等问题,提出了松软煤层中上覆关键层分段水力压裂与煤层水力造穴相结合的立体瓦斯治理方法,借助COMSOL软件,分析了不同覆岩条件和水力造穴间距对于瓦斯抽采的效果。同时,基于山西某矿8003切眼工作面进行现场试验,验证了瓦斯抽采效果,有效解决了松软煤层掘进过程中瓦斯抽采效率低、瓦斯异常突出等动力现象频发的问题,整体提升了松软煤层掘进工作面瓦斯治理水平。

松软煤层综采面复合顶板治理措施

张集矿1712A工作面为北一1煤采区首采面,该工作面煤层极软,在回采期间极易冒落,经常出现工作面片帮、漏顶等问题;此外,从两巷掘进现场资料分析,轨顺退尺520m,运顺退尺720m向外掘进期间破夹矸(局部煤线)施工,复合顶板发育。若回采期间破复合顶回采,顶板管理难度小,但对煤质影响大,回收率低。因此有效控制煤壁及托复合顶板回采是工作面安全高效回采的关键。因此,针对张集煤矿1712A工作面煤层松软和复合顶板等问题,提出了煤壁注水和复合顶板超前注浆加固的治理措施,以保证煤壁和顶板稳定性,为工作面安全高效生产提供了保障。

松软煤层用泡沫发生器结构优化及发泡效果模拟

【目的】空气螺杆钻进技术用于松软煤层瓦斯抽采孔钻进,存在粉尘污染严重、钻头寿命低、钻孔净化困难等问题。采用空气螺杆泡沫钻进技术是解决问题的有效途径,拥有良好发泡性能的泡沫发生器是实现泡沫钻进技术的关键之一,但目前大多泡沫发生器无法满足要求。【方法】针对此问题,基于螺旋式泡沫发生器,增设空气动能转化装置,设计了一款小尺寸泡沫发生器。采用数值仿真分析方法,对空气动能转化装置结构设计的合理性和涡轮搅拌段搅拌叶片的安装角度进行了评价和优化。【结果和结论】结果表明:(1)空气动能转化装置能有效驱动泡沫发生器的主轴转动,在0.8 MPa空气压力条件下,叶片平均转速可达621.61 r/min。(2)完成动能转化后,气体可以继续进入泡沫发生器内部,与泡沫基液进行气液混合,达到设计目的。(3)通过混合相的迹线分布、流体域湍流分布、气相分布以及气泡粒径分布等情况对比分析,安装角度为30°的搅拌叶片,其搅拌效率和气液混合效果好。研究成果为空气螺杆泡沫钻进工艺在松软煤层瓦斯抽采孔的成功应用奠定了基础。

松软煤层工作面片帮分析及防治技术研究

以5102采煤工作面为研究对象,对煤壁片帮的内在及外在因素展开了详细的分析,并制定了一系列防治措施,以增强松软煤壁自身的承载能力和降低顶板下沉对煤壁的影响。通过“超前大范围注水+局部注浆”的方式可以提高松软煤体的强度,采用ZF 2600/17/26型液压支架不仅能够增强顶板管理效果,还能够减少顶板下沉量,给煤壁提供一定的支护作用力。工程应用后,5102采煤工作面后续回采期间片帮发生率明显降低,实现了松软煤层片帮的有效防治。

松软煤层放顶煤开采瓦斯治理和防灭火技术研究

松软煤层放顶煤开采面临着瓦斯治理和防灭火技术难题。结合了9-806工作面的具体情况,对开采过程中面临的瓦斯治理和防灭火问题进行了系统的分析,并采取了针对性的防治措施。结果显示,瓦斯防治受到了通风设施损坏、瓦斯含量大和采动的影响,防灭火受到了易燃气体、浮煤以及防灭火技术的影响。为此,需要从产学研合作制定合理的防灭火措施、投用高负压瓦斯抽放泵、减少巷道漏风、做好有毒有害气体的监测工作等几个方面出发进行防治。

松软煤层水力割缝缝槽形态控制技术研究及应用

为解决松软煤层(f>0.2)超高压水力割缝期间缝槽发育难控制、易垮孔等问题,通过理论分析手段,分析了割缝缝槽周围煤体应力分布规律,获得了割缝缝槽周围煤体塑性区分布影响因素。研究了高压水射流破煤规律,得到了影响割缝缝槽形态的主要因素为割缝压力、喷嘴直径及煤体自身硬度。提出了基于松软煤层特点的超高压水力割缝缝槽形态控制技术,获得了控制松软煤层缝槽深度、宽度以及发育速度的关键参数为割缝压力、喷嘴直径及压力调节速度。通过现场应用表明,针对松软煤层其缝槽形态控制合理参数为:割缝喷嘴直径2.5~3.0 mm,割缝压力70 MPa,割缝调压间隔3~5 min。验证了松软煤层水力割缝缝槽形态控制技术适用性,可效提高松软煤层水力割缝施工成功率及安全性。

某综采工作面松软煤层开采矿压显现规律分析及控制措施

顶板松软的巷道极易出现岩层破碎下沉、煤壁片帮和支架压架等严重问题。为解决松软巷道围岩破碎和支护方案不合理等问题,对某煤矿4156综采工作面开采过程中的应力显现进行研究。采用现场实测的方法,对回采进程中支架实时观测到的载荷及围岩形变量进行分析。研究结果表明,在倾角影响下位于工作面上部支架的载荷明显小于工作面下部;受到超前采动应力影响的巷道出现严重收缩,结合围岩形变趋势得出超前采动应力影响范围,并提出具有针对性的加强支护措施。研究结果可为相似地质条件下煤层开采巷道支护及支架选型提供参考,同时可保障工作面安全高效开采。

宿东矿区松软煤层沿空掘巷联合支护技术研究与应用

朱仙庄煤矿8106风巷在沿空掘巷期间为了保证围岩的稳定性,采用FLAC3D数值模拟软件进行围岩应力及变形规律的分析,得出巷道仅采用被动支护(U型棚)时围岩变形量及塑性区发育范围均较大,巷道采用联合支护(U型棚+锚索梁+沿空侧注浆)支护方案后,围岩变形量大幅减小,塑性区无进一步发育趋势。对该巷道的支护方案进行了设计,即“U型棚+锁梁锚索、锁腿锚杆+沿空侧喷浆、注浆”,由观测数据可知,141 mm是巷道顶底板的变形上限,164 mm是两帮的变形上限,保障了巷道围岩的稳定性。

松软煤层放顶煤工作面超前维护控制架前局部漏煤冒顶技术研究和应用

通过在九里山矿综采工作面松软煤层超前维护防治架前局部冒顶技术的应用,不仅可以有效控制工作面回采期间的出现空顶和顶板冒落发生,而且更重要的是提高了施工安全系数,对今后矿井防片帮工作具有重要的指导意义和推动作用。该技术操作简单,实用性强,节约成本,效果明显。可应用在采煤工作面超前顶板维护、巷道掘进超前顶板维护、硐室开口超前顶板维护。

松软煤层全孔深异径管护孔和柔性封孔技术研究

为了解决松软煤层顺层长距离钻孔全孔深护孔率低和封孔漏气问题,利用RFPA2D数值模拟了钻孔周围煤体应力损伤变形特征,并利用测试q、S值的方法研究了沿孔方向煤壁附近煤体的应力及损伤变形特征。在此基础上,实践了全孔深异径管护孔和柔性封孔技术,研究结果表明:①松软煤层中沿孔方向煤体损伤变形分为3个区域,即煤壁及以里0~4 m范围为大变形区、4~8 m为严重变形区、8 m以里为损伤变形区,3个区域的变形对钻孔护孔、封孔产生较大影响;②全孔深异径管护孔和柔性封孔技术提高了钻孔护孔率和密封效果,钻孔瓦斯抽采浓度提高了121%,瓦斯抽采量提高了70%。

特厚松软煤层巷道围岩支护技术研究

为解决特厚松软煤层巷道围岩变形严重,且后期多次修复效果不佳的问题,基于拱-梁耦合支护作用机理,对原支护技术进行了优化设计,通过数值模拟验证了该支护技术参数的合理性。现场工业性试验表明:顶底板最大变形量为17 mm,两帮最大变形量为24 mm,浅部、深部离层量分别累计达7 mm、5 mm,围岩支护效果较好,有效控制了巷道的变形破坏,保证了巷道的长期稳定。

寺河二号井松软煤层巷道控制技术优化与应用

针对寺河二号井松软煤层巷道变形量大、维护困难、巷修任务重的问题,对巷道煤帮强度与泥岩成分进行分析,优化巷道支护参数,采用全长锚固与W钢带加强帮部支护强度,同时滞后掘进头进行浅孔注浆加固。优化巷道支护方案实施后,经现场矿压监测可知:巷道形得到有效控制,顶底板移近量最大值133.6 mm,两帮移近量最大值71.8 mm,满足现场回采要求。

急倾斜松软煤层开切上山防片帮施工技术研究与应用

太平煤矿11#煤层为急倾斜极松软煤层,从1965年建矿以来,11#煤层上山均采用人工放炮掘进,所有上山掘进期间均出现过不同程度的片帮情况,存在很大的安全风险,曾多次发生安全生产事故。通过在31111急倾斜薄煤层开切上山使用新型防片帮掘进技术,成功实现了该上山无一片帮成果,降低了各种安全风险,提高了掘进施工进度,确保了安全生产,对煤矿急倾斜松软煤层上山掘进具有很好推广应用。

松软煤层钻孔用防卡钻钻杆的设计

为了减小松软煤层钻孔施工的卡钻概率,从钻孔排渣规律和塌孔卡钻机理2方面进行分析,提出了解决卡钻的关键因素及所需的钻杆功能要求,并以此为基础对钻杆的结构进行了设计,分析了钻杆防卡解卡的原理,利用排渣性能实验和流固耦合数值模拟相结合的方法验证了该钻杆结构的合理性。防卡钻杆在工业性试验过程中相对常规凹槽螺旋钻杆表现出更好的排渣性能和防卡钻能力,为促进煤矿自动化钻进的发展提供有效支撑。

松软煤层近水平孔解卡机理研究

为了减少松软煤层卡钻事故的发生,分析了近水平孔卡钻的原因及卡钻的形成过程,并建立了各阶段的卡钻力学模型。通过对卡钻主要影响因素的分析,得出解卡的关键在于减小岩屑堆积的密实度和提升排渣效率,以此指导了L型螺旋槽钻杆的结构及功能设计。通过对U型槽螺旋钻杆、三棱钻杆和L型螺旋槽钻杆的排渣性能进行试验对比,验证了L型螺旋槽钻杆的排渣性能最优。通过现场试验验证了L型螺旋槽钻杆较市场上常用的U型槽螺旋槽钻杆更优。

松软煤层顺层定向钻进技术在杨柳矿的应用试验研究

针对松软煤层顺煤层定向瓦斯治理钻孔打不深、打不准、成孔率低的难题,详细分析了现有顺层定向钻进的技术瓶颈,创新尝试使用了底板定向梳状条带消突钻孔,突破了主孔快速开分支、分支孔水力下筛管护孔等技术难题,并选取杨柳煤矿1077中段机巷进行现场试验,在煤层坚固性系数为0.46的松软层中,共完成总进尺8 494 m,实验效果达到设计要求。现场试验表明,底板定向梳状条带消突钻孔有效缓解了采掘接替紧张局面,提高了矿井钻孔施工及瓦斯治理技术水平,为松软煤层定向瓦斯治理钻孔施工提供了新的技术思路。