蒙陕矿区内钢板-钢筋混凝土钻井井壁非均匀受力特性研究

以蒙陕矿区某煤矿风井为工程背景,利用双向不等压模型推导出水平地应力下井壁的受力形式,并得出了非均匀系数k的计算公式,确定了蒙陕矿区地层的不均匀系数范围为0.06~0.20,研判了钻井井壁全深受力关键横断面的受力破坏特征。根据有限元软件ANSYS模拟非均匀荷载条件下的井壁受力规律,井壁混凝土外缘环向应力为控制应力,井壁应力呈现非均匀分布,90°位置的不均匀程度大于0°位置,外荷载较小的90°位置受拉,而外荷载较大的0°位置受压。通过对井壁压力试验台对内钢板-钢筋混凝土进行非均匀加载试验分析,非均匀荷载对钻井井壁受力影响极为明显,在k=0.15时模型的峰值应力仅为均匀荷载条件下的23.1%~33.3%;在k=0.20时模型的峰值应力为均匀荷载条件下的20%左右,且破坏形式为混凝土先受拉破坏,随后钢筋和钢板屈服。研究结果表明,内钢板-钢筋混凝土钻井井壁对非均匀荷载较为敏感,在蒙陕矿区使用钻井法应该考虑非均匀系数的影响,且需要在井壁设计阶段重点关注井壁外荷载较小位置的受力。

蒙陕矿区中深部矿井地温参数测试研究

针对蒙陕矿区中深部矿井各可采煤层埋藏深度较大且周边无矿井地温参数借鉴的问题,为对地温情况作出合理的评价和分级,通过原岩温度测定、矿井气候参数观测和地面气候参数观测的方法,对矿井地温参数进行了观测与分析,绘制地温分布图,对不同情况下的温度、湿度进行预测,更加有效地指导井下热害的治理工作,以便提出经济实用的降温方案。

蒙陕矿区深埋工作面顶板水可疏降性及预疏放标准研究

在分析蒙陕矿区深埋煤田区地貌特征、水文地质条件、工作面钻孔涌水和采空区涌水特征等基础上,开展了顶板水可疏降性和预疏放标准研究,结果表明:研究区包括基岩台地、沙地、黄土沟壑3类地貌,其中沙地区第四系富水性强,煤层顶板含水层丰富的充水水源,导致直罗组一段渗透系数和单位涌水量均远大于基岩台地区和黄土沟壑区。不同矿井首采工作面探放水钻孔初始水量和累计放水量分为3类,水量较小矿井,初始水量q0≤10.0 m3/h,累计疏放水量<5.0×104m3;水量中等矿井,初始水量q0≤60.0 m3/h,累计疏放水量10.0~100.0×104m3;水量较大矿井,大部分钻孔的初始水量q0>100.0 m3/h,累计预疏放水量>100.0×104m3;所有矿井首采工作面经预疏放后,可以实现绝大部分钻孔水量<10.0 m3/h、水压<1.2 MPa,具有很好的疏降性。根据矿井水的顶板水疏放过程中水量和水压变化规律,建立了工作面预疏放标准,q0=0~10.0 m3/h的矿井,不需要开展预疏放;q0=0~60.0 m3/h的矿井,对钻孔初始水量>20.0 m3/h的富水条带开展预疏放;q0>60.0 m3/h的矿井,以600.0~1 000.0 m为工作面回采段,提前3个月进行顶板水预疏放,实现回采前90%钻孔水量≤10.0 m3/h、水压≤1.2 MPa。

蒙陕矿区大储量采空区水害综合防治技术创新与实践

纳林河二号矿井31121采空区积水具有储量大、动态补给量大等特点,为了防治31121采空区水害,保障相邻31120工作面回风巷安全掘进,将31121采空区积水分成整体疏放积水区与局部疏放积水区,利用泄水巷布置钻孔、辅回撤通道密闭墙导水管、工作面回风巷硐室密闭墙导水管、回风巷布置钻孔等方法,通过采取分区管理、预测预报、多点疏放、低位布孔、持续畅通、先整体后局部、先观测后分析、先疏放后掘进、效果评价等综合防治技术,成功消除了31121采空区积水的威胁,仅用41 d成功疏放31121采空区积水32.3万m 3,将整体水位降至局部水位以下且局部水位降至1 m以下,保障了31120工作面回风巷掘进安全。

基于模糊综合评价法的蒙陕矿区科学开采关键影响因子分析

为确定蒙陕矿区科学开采关键影响因子,通过建立蒙陕矿区科学开采评价指标体系,采用层次分析法对各指标赋权,基于模糊综合评价法构建蒙陕矿区科学开采量化评价模型,对蒙陕矿区典型矿井进行评价分析.结果表明关键影响因子为矿区复垦率、开采沉陷系数、塌陷区绿化率、矿井水利用率、矸石利用率、充填率、吨煤环境治理费用、综合管控平台智能水平、薄煤层回采率.

蒙陕矿区白垩系地层冻结壁厚度设计研究

针对目前蒙陕矿区白垩系地层冻结壁厚度设计中控制层深度随意确定、冻结壁力学模型任意选取等的混乱状况,通过对该矿区白垩系地层力学性质特点与20多个相关井筒案例的分析与研究,提出了该矿区白垩系地层冻结壁厚度设计原则:计算冻结壁厚度的控制层应为白垩系底部岩层,冻结壁力学模型应选用无限长弹塑性厚壁圆筒,冻结壁荷载应为静水压力。并根据此原则,对该矿区已施工的21个冻结井筒进行了验算。结果表明:作者提出的蒙陕矿区冻结壁厚度设计原则,适用于该矿区白垩系地层冻结壁厚度设计。该设计原则对西部地区类似地层冻结壁厚度设计具有指导意义。

陕蒙矿区深部开采导水裂隙带发育特征与高度预测方法

导水裂隙带发育高度是矿井防治水及安全开采的重要依据。由于陕蒙矿区地层沉积环境和沉积过程的特殊性,使得该区域导水裂隙发育高度与传统认识差别较大。考虑到目前围绕陕蒙矿区导水裂隙带发育高度计算方法缺失问题,以鄂尔多斯市营盘壕煤矿2217工作面为工程背景,采用UDEC模拟研究了不同开采进度下导水裂隙带发育规律及演化特征,分析了大能量事件与导水裂隙带发育的关联关系,进而基于GA-SVR算法,建立了区域导水裂隙带发育高度精准预测方法。结果表明:直罗组砂岩巨厚的特性使得其在覆岩运动中表现出坚硬岩层的特点,裂隙带在其下充分发育,稳定后也形成“马鞍形”;微震监测数据能精准反映区域导水裂隙带发育高度,预测相对误差仅为3.90%;建立的导水裂隙带高度预测模型的决定系数R^(2)为0.81,相对平均误差r为14.55%,预测精度显著优于经验公式(R^(2)<0,r=59.57%)。研究成果对于陕蒙矿区保水开采与安全生产设计及矿井水防治具有重要的实践意义。

陕蒙矿区深部开采沿空侧煤自燃特性与分区防控方法

陕蒙矿区深部开采矿井具有矿压大、煤体破碎程度较高的特点,留设窄煤柱沿空掘巷容易形成裂隙造成沿空侧漏风,导致沿空侧浮煤存在煤自燃隐患;为了掌握沿空侧煤自燃特性,以营盘壕煤矿为例,通过程序升温初次氧化和二次氧化实验得到煤氧化过程中的各气体变化规律和自燃特征参数。结果表明:营盘壕煤矿2201工作面原煤和沿空侧氧化煤的临界温度范围为70~80℃和65~75℃,干裂温度范围为105~115℃和120~130℃;氧化煤较原煤的临界温度提前、干裂温度滞后;通过对比2次氧化过程中的耗氧速率和CO产生率,在90~100℃之前,氧化煤较原煤的氧化反应更剧烈,在90~100℃之后相反,说明在低温阶段氧化煤更加容易发生煤自燃,自燃隐患突出。因此,通过加强对沿空侧煤自然发火情况监测,提出了陕蒙矿区沿空侧煤自燃的分区防控方法,构筑了喷浆堵漏、胶体压注和液态CO降温等相结合的综合防灭火技术,实现对沿空侧煤自燃灾害的超前防治,有效保障了沿空侧不着火和本面采空区安全推进。

陕蒙矿区无轨胶轮车安全高效运输系统的应用

从无轨胶轮车运输系统布置、车辆选型、安全管理、应用案例,全面介绍陕蒙矿区无轨胶轮车系统的应用情况,总结陕蒙矿区胶轮车运输系统全无轨化、采掘区队自主运输、特种车辆广泛应用的特点。重点介绍了升降车、混凝土罐车、抓管机、重型铲运车、动力平板车等特种车辆,采用UWB精确定位+5G无线通讯技术智能化系统、斜巷防跑车装置、智能人员识别预警系统。指出了下一步胶轮车发展方向,在未来胶轮车将朝着无人化、智能化、多功能特种车辆快速发展。

蒙陕地区深部煤层开采地质力学测试及应用研究

为保障蒙陕地区亿吨级煤炭基地和大型矿井的建设,在该地区开展了煤岩物理力学测试、地质力学测试、煤岩成分分析等工作。测试结果为3-1煤属于硬煤,顶底板为中硬-硬;采用水压致裂法对该地区进行了地应力测试,应力场在量级上属于中等偏高应力区域;使用高精度钻孔窥视仪拍摄了30个测孔的围岩结构照片,顶板完整性较好,裂隙不发育;对煤层顶底板岩石成分进行了化验分析,顶板和底板不含蒙脱石,膨胀性较差,但存在一定的软化特性。这些基础测试数据可以为巷道支护设计、顶板矿压规律分析、回采工作面设备选型奠定了基础,保障了该区深部开采的安全性与可靠性。

陕蒙地区大采深工作面自燃危险区域实测研究

以营盘壕煤矿2201综采工作面为工程实例,对陕蒙地区2-2煤层综采工作面采空区氧气浓度分布、浮煤厚度、漏风强度分布开展现场实测工作,对大采深、水文地质条件复杂、受地热影响情况下易自燃煤层采空区自燃“三带”划分及工作面自燃危险区域判定进行研究。结果表明:2201工作面进风侧47~136m及回风侧23~93m范围内为采空区内部氧化升温带,是工作面煤自燃防治的重点范围;当2201工作面推进速度大于2.97m/d,采空区遗煤虽然不会自燃,但仍是防火重点区域,建议采取胶带巷注氮、回风巷灌浆的措施杜绝自燃隐患。

砒砂岩区排土场新构土体保水效应研究

以晋陕蒙露天煤矿区排土场为研究对象,利用土壤水分定位试验观测数据,研究了不同复配方式人工新构土体水分时空变化规律。结果表明：（1）排土场土体年内变化周期可分为雨季丰水期（7月—10月）和旱季贫水期（11月—翌年6月）,土壤水分主要受自然降雨、蒸散、底层渗漏的影响;（2）与无防渗层土体相比,7月—10月雨量丰沛期防渗层的水分蓄积作用明显,较对照高9.65%～13%,防渗层处理的土体底层体积含水量增加了21.6%,砒砂岩防渗层、工程防渗布在蓄积水分上并没有显著差异;（3）风化煤增加了表层土体蒸发损失,不利于土体的持水性的提高;砒砂岩增加了土体剖面持水能力,相对于沙黄土,复配土体0～30 cm层次土壤体积含水量增加约3.36%～9.57%,30～40 cm底层约增加11.16%～13.65%。综合来看,砒砂岩掺混显著增强了土体的持水蓄水能力,防渗层有效截留渗漏水分并持续供给土体,对涵养土壤水库有积极作用。