一种煤矿顶板灾害防治知识图谱构建方法

目前煤矿顶板灾害防治措施决策及事故原因分析等过程主要依赖人工经验,智能化水平较低。顶板灾害防治知识图谱可整合顶板灾害防治知识和经验,辅助顶板灾害事故原因分析和顶板灾害防治措施决策。提出了一种煤矿顶板灾害防治知识图谱构建方法。采用本体方法完成煤矿顶板灾害防治知识建模,将顶板灾害防治领域的概念分为矿井地质类、开采技术类、防治措施类和事故表征类,将概念之间的关系定义为使用、引发、易发、治理、预防和适用,为煤矿顶板灾害防治知识抽取(实体抽取和关系抽取)奠定基础;结合煤矿顶板灾害防治领域文本存在大量嵌套实体和关系之间存在实体重叠的特点,确定了基于跨度的实体抽取方法和基于依存句法树引导实体表示的关系抽取方法;构建了顶板灾害防治领域语料库,采用Neo4j图数据库存储数据,为顶板灾害防治知识图谱的应用提供数据来源支撑;展示了煤矿顶板灾害防治知识图谱局部构建结果,说明该知识图谱可辅助顶板灾害事故原因分析和防治措施决策,从而提高顶板管理的智能化水平;指出基于该知识图谱,结合自然语言处理和知识推理等技术,可实现顶板管理知识问答。

复合再生顶板条件下煤体固化与顶板强化技术研究及应用

为提升复合再生顶板工作面的安全性和回采效率,在平煤十二矿己16-17-31020复合再生顶板工作面开展了煤体注水固化、顶板注浆强化和管缝锚杆顶板强化试验,探索了复合再生顶板工作面矿压显现规律,评价了加固措施的支护效果。研究结果表明:加固措施实施后,工作面完整度大幅提升,降低了顶板冒落和压架等事故风险;平均来压步距由22.15 m增加至29.92 m,顶板压力由25~31 MPa降到19~26 MPa。顶板下沉量降低了50.4%,保证了工作面的正常安全回采,同时进尺速率提升了16.7%。煤体固化-顶板强化措施取得了良好的效益,可为同类型复合再生顶板工作面提供借鉴。

工作面单双巷顶板爆破应力演化规律研究

坚硬顶板是影响工作面冲击危险的重要因素,实践中常采用爆破技术对工作面顶板进行预裂和卸压。以田陈煤矿3煤层上方存在坚硬顶板的7202工作面为对象,采用理论分析、数值模拟、工业试验等方法,研究了不同爆破高度、工作面单巷和双巷顶板爆破下围岩应力演化及微震规律。结果表明:针对低位亚关键层采用单巷和双巷爆破时,爆破高度越大,巷道围岩峰值应力越低,卸压效果与爆破高度呈正相关关系;但采用双巷爆破时,当爆破高度增加至6倍采高(亚关键层中部位置)以上时,工作面中部区域会出现应力升高现象,且工作面越短应力升高越明显;在7202工作面初采阶段进行高度为3倍采高的单巷顶板爆破时,微震多集中在巷道区域,卸压效果一般,改为双巷顶板爆破并提高爆破高度至6倍采高后,微震多集中到工作面中部区域,无大能量微震事件发生,应力监测预警次数也大幅降低,巷道区域卸压效果较好。

大倾角煤层开采顶板主应力方向分布特征及力学分析

为了分析大倾角煤层开采顶板最大主应力方向旋转对顶板变形破坏的影响,以新疆焦煤集团2130矿25221工作面为背景,采用物理相似模拟实验、FLAC^(3D)数值模拟方法对大倾角煤层开采过程中顶板破坏及岩层结构演化特征、最大主应力方向等值线分布及其对顶板破坏影响进行分析,在此基础上建立顶板力学模型,讨论了顶板挠度分布特征。结果表明:随工作面推进,顶板破坏包络线上方承载拱拱体范围逐渐增大,拱顶逐渐向岩层中上部延伸;顶板的最大主应力方向等值线分布形态由“m”逐渐向“n”型演化(采空区中、上部区域顶板最大主应力方向偏转程度较大),在主应力方向偏转和最优扩展裂隙角协同作用下,促使顶板中上部发生破坏并逐步向高位岩层迁移;建立顶板力学模型,通过Python编程将顶板数据代入计算可得,在顶板岩层倾向4/5处出现挠度峰值。

矿山回采过程中顶板管理的策略探究

在矿山回采期间,控制顶板稳定性是保障矿山安全和经济效益的核心环节。本文对矿山回采过程中如何进行顶板管理进行了深度剖析。主要策略覆盖采场区、巷道区以及采空区等领域。针对矿山采场的顶板管理,提出了支护设计优化、开采顺序与工艺调整、实时监测与预警及综合支护的措施;而对于巷道顶板的管理,巷道布置与掘进方案优化、支护管理以及巷道维护等内容被重点强调;采空区顶板管理策略则囊括了充填、崩落法与塌陷区治理等方面。实施这些系统的顶板管理策略,顶板失稳风险将得到有效降低,从而推动矿山资源的可持续利用。

顶板上盖住宅园林效果营造技术分析

聚焦于顶板之上住宅园林的效果营造,基于特殊的顶板结构条件,结合过往项目中设计与施工的经验,梳理出核心技术要点,旨在通过对这些技术要点的分析,提升塑造园林效果的技术水平,实现技术与艺术的和谐统一,为未来类似项目提供一些启示。

强动压巷道顶板离层全程演化机制分析研究

针对强动压巷道顶板离层问题,基于弹塑性及断裂力学原理,从理论角度分析了强动压巷道顶板离层全程演化机制,建立了两端固支岩梁力学模型,系统分析了反映离层机制的5大类表征量,对比论述了高静载及强动压2种应力条件下的离层演化机制,探讨了层间离层与岩梁不同破裂形态的共生关系。研究表明:强动压巷道在高地应力和强动压作用下,顶板岩梁由弹性状态向塑性或破裂性态进行不可逆的渐进演变或突变失稳,层间离层持续萌生扩展并与岩层自身累积的损伤裂缝交合贯通,顶板被迫进入“离层-破裂”“破裂-离层”及“离层-震荡-震裂”的恶性循环,产生极大的安全隐患;强动压巷道顶板岩梁结构必须保持较好的完整性、较大的厚跨比及较大的强度,形成“厚-硬-小”的强力承载结构,使顶板岩梁尽量保持弹性、控制塑性、防止破裂,确保顶板结构稳定及离层可控。

基于组合赋权三维云评估技术的深部煤矿顶板事故风险分析

为了更好地对深部煤矿顶板事故展开风险评价,提出了组合赋权三维云评估技术。基于事故统计及事故致因理论,对深部煤矿顶板事故风险指标体系展开研究,采用博弈论对改进层次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)和熵权法进行博弈分析,以实现风险指标的组合赋权,通过构建三维云模型,对深部煤矿顶板事故危险性进行可视化分析。结果表明:包括行为、技术、设备、环境、管理5大风险因素在内的一级指标并其下20个二级风险指标是深部煤矿顶板事故风险评价指标体系的主体内容,且以环境风险权重最大;由三维云评估技术分析可知,平煤九矿的顶板事故风险级别为Ⅲ级,即修复后可接受,与该矿生产实际情况相符。组合赋权三维云评估技术的提出有助于完善深部煤矿顶板事故风险评价方法,可应用于工程实践。

多层坚硬顶板特厚煤层综放工作面小煤柱护巷技术

为研究小煤柱护巷巷道的稳定性及其阻隔同层位邻近采空区灾害的特征,以大同矿区石炭系坚硬顶板特厚煤层开采为工程背景,采用理论分析、实验研究、数值模拟等研究方法,从小煤柱护巷巷道的稳定性和其是否具有阻隔同层位邻近采空区有害气体能力2个角度,综合分析小煤柱的合理尺寸及其在不同采动阶段渗透率的演化特征。针对同忻煤矿石炭系煤层8210工作面沿空掘巷小煤柱开采具体的开采条件,建立了双关键层采场内外应力场叠加的力学模型,推导出双关键层条件下沿空掘巷小煤柱合理尺寸的计算关系式,理论确定8210工作面小煤柱合理尺寸为6.0 m;应用DJG–Ⅱ型煤岩渗流测试装备,研究不同采动阶段小煤柱渗透率演化特征,试验确定在第3采动阶段小煤柱渗透率较初始渗透率增大了23倍,该阶段小煤柱基本失去了阻隔邻近采空区有害气体的能力。根据理论研究结果,现场选取6 m小煤柱进行工业性试验;根据试验研究结果,开采试验过程中对小煤柱进行了改性降透措施,在小煤柱表面及顶板距煤柱帮1500 mm范围内喷射厚层混凝土(100 mm)。实践表明:工作面回采过程中小煤柱护巷的回采巷道发生了一定的变形量,但是巷道变形在安全可控范围之内,巷道稳定,可实现安全回采;开采过程中8210工作面上隅角CH4气体浓度远低于邻近8305工作面采空区CH4气体浓度,表明小煤柱经过改性降透后具备了阻隔同层位邻近采空区有害气体的能力;开采实践也进一步验证了理论和试验研究成果的合理性和科学性。研究成果可以为类似条件下小煤柱护巷技术的推广应用提供参考。

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。

倾斜矿体采空区非对称顶板-矿柱结构体协同承载机理

为解决倾斜矿体回采后大倾角顶板和非对称空区可能引发的采空区支撑结构体变形及破坏失稳问题,以某石灰石矿非对称顶板-矿柱支撑结构体为研究对象,构建结构体承载力学模型,求解顶板挠曲变形值及矿柱安全系数,分析不同倾角、跨度比下顶板变形特征及矿柱失稳破坏模式,研究其协同承载机理。结果表明:顶板变形、矿柱失稳破坏模式受采空区倾角θ和跨度比λ的双重影响,顶板变形大小随着θ的增加表现为双增长率,与λ的关系伴随着θ的变化而变化。矿柱失稳破坏模式受θ的影响程度随着λ的增加而减小,当0°<θ≤30°时,矿柱主要为小偏心受压破坏;当θ=0°和30°<θ≤60°时,随着λ值的增加,矿柱破坏模式从大偏心受压破坏向小偏心受压破坏转变。顶板维系采空区稳定的能力随着θ的增加逐渐降低,矿柱维系采空区稳定的最优λ值随着θ的增加逐渐减小,矿柱约束顶板变形作用大小随着λ的增加而降低。数值模拟和工程实例验证了理论计算结果的可靠性,为地下空场法矿山安全开采提供一定的理论支撑。

煤矿充填开采下顶板沉降研究

充填采矿可以有效控制岩层移动、抑制地表沉陷、减轻地质灾害,并且能够处理或利用一定的固体废弃物,有效改善矿山上覆岩层的力学环境,减轻顶板压力。以平凉某煤矿为工程背景,研究煤矿充填开采条件下坚硬顶板沉降变形情况,构建了顶板力学模型,对于初期来压采用四边固支的边界条件,利用变分法中伽辽金变形方程求选用不同挠度表达式的解;另对周期来压选用三边固支一边自由的边界条件,采用变分法中里兹变形方程进行求解,得出充填后顶板挠度显著减小,初期来压时减小38.74%,周期来压时减小66.84%。并得到充填开采顶板沉降变形规律,随着充填体弹性模量k值增大,顶板下沉位移显著减小。

急倾斜煤层水平分段开采顶板应力演化规律数值模拟研究

针对急倾斜煤层开采难题,以甘肃某矿1#煤层为研究对象,采用FLAC^(3D)数值模拟软件模拟3个分段开挖25、50、75、100 m过程的应力分布情况,分析了3个分段走向、倾向方向的应力分布特征,研究顶板应力演化规律,为有顶板灾害危险的急倾斜煤层进行顶板防治提供依据,为能安全高效开采急倾斜煤层提供新思路。研究表明:急倾斜煤层水平分段开采顶板应力呈非对称性分布;沿走向方向一定范围内,顶板应力随距工作面煤壁距离的增大而增大;倾向方向围岩应力随距采空区距离的增大而增大,到一定范围后基本稳定;随着工作面推进,采场围岩破坏卸压,应力被释放,且应力释放区域逐渐扩大;随着煤层开挖,第1分段底板上部与第3分段顶板下部有应力集中现象,煤层顶板下滑垮落。

我国煤矿开采工作面顶板灾害及防治技术研究现状

从岩层控制理论、监测预警技术及装备、矿压规律及数据分析、防控手段等方面系统地阐述了当前我国煤矿开采工作面顶板灾害方面的研究现状。当前工作面顶板灾害依然是制约我国煤矿安全生产的重要因素,近两年来无论是顶板灾害起数还是伤亡人数,均呈明显上升的趋势,顶板灾害防控依然严峻。在矿压基础理论研究方面,国内科研人员相继提出了“砌体梁”、“传递岩梁”、“组合悬臂梁–铰接岩梁”、“切落体”和“分区支撑理论”等力学结构模型,明确了不同岩层赋存条件下顶板灾害致灾机理;在顶板灾害监测预警方面,我国煤矿已经开始摆脱传统单一的近场矿压监测,逐步向工作面近、远场顶板状态联合实时监测、动态感知、协同预警发展,实现矿压监测系统监测近场支架工作阻力、顶板下沉量、煤体应力等,微震监测系统监测工作面远场上覆岩层顶板断裂位置和能量大小;在矿压规律及数据分析方面,总结了浅埋深、坚硬顶板、非坚硬顶板不同围岩赋存状态下工作面矿压规律,明确了各条件下支架工作阻力的增阻特性;在顶板灾害防治方面,针对不同围岩赋存条件下易发生的顶板灾害类型,形成了相对应的顶板灾害防治技术,针对矿压显现较强烈,容易发生顶板灾害的坚硬顶板矿井,通过顶板深孔爆破、浅孔水力压裂、井下定向区域水力压裂、地面水力压裂等技术,有效地预防了顶板灾害的发生。总体而言,我国工作面顶板灾害防控理论及技术体系仍在不断完善,随着新技术的不断发展和智能化矿井的建设,顶板灾害的智能预警及联动防控将获得更大的发展。

三轴分级循环加卸载下爆破损伤顶板砂岩能量耗散试验研究

为探究不同围压环境爆破荷载损伤砂岩在循环加卸载作用下能量耗散演化规律,利用三轴试验加载装置系统对三种不同损伤度的砂岩试件开展不同围压下的分级循环加卸载试验,并结合电子数码显微镜获取不同损伤度试件细观结构,分析爆破荷载损伤、围压及加载级数对试件能量耗散及破裂破碎形态的影响规律。结果表明:(1)爆破荷载作用会对岩体造成损伤,单轴压缩荷载下振动损伤、爆破损伤试件峰值强度降幅分别为5.53%、18.87%,单轴分级循环加卸载作用对未损伤、振动损伤试件产生劣化,对爆破损伤试件产生强化作用;(2)爆源近端岩体损伤程度较高,在外荷载作用下率先发生破坏,围压的存在显著降低试件的破裂破碎程度,试件呈剪切、拉伸及压碎破坏多种模式共存;(3)循环加卸载过程中第1次循环加载试件所获取总能量及塑性变形能最大,循环次数的增加使试件塑性变形能及耗散能整体均呈现减小趋势,围压及循环加载级数的增大使试件在循环加载过程中各能量均随之增加;(4)分级循环加卸载过程中Ⅱ级循环加卸载试件耗能比要低于Ⅰ级与Ⅲ级,爆破损伤、振动损伤及未损伤试件在Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级循环加卸载过程中耗能比均值分别为15.73%、12.47%、13.95%,13.49%、12.44%、13.46%,12.07%、8.69%、11.56%,爆破荷载损伤改变岩体内部结构使得试件在循环加卸载作用下耗能占比更加显著。

综采面坚硬顶板超深孔预裂爆破远场解危控制技术

工程实践表明,顶板事故在煤矿各类事故中占首要位置,已严重制约了我国现代化矿井安全高效开采。为了实现煤矿综采面坚硬顶板的安全治理,亟需形成综采面坚硬顶板超深孔预裂爆破远场解危控制技术以有效解决因工作面大空间坚硬顶板垮落而影响安全生产的重大难题。基于此,通过自主创新和联合攻关,面向深部矿井坚硬顶板,开展了综采面坚硬顶板超深孔预裂爆破远场解危技术研究;研发了高威力三级煤矿许用水胶炸药、填塞材料等技术与装备,形成了成熟的深孔爆破工艺,突破了厚硬顶板爆破中煤矿许用炸药威力与安全度的矛盾,解决了超深孔爆破中炸药可靠起爆等技术瓶颈问题;通过构建大空间采场覆岩-支架-围岩系统力学模型,揭示了采场大小周期来压及强矿压作用机理,提出了大空间采场厚硬覆岩多层位精准定位爆破弱化控制原理和基于爆破损伤的综采工作面厚硬顶板深孔爆破参数设计方法,形成了综采工作面厚硬顶板超前深孔卸压控制技术。研究成果在全国近百个综采面进行工程应用,未发生一起顶板事故,避免了综采面厚硬顶板发生压架、形成飓风、矿震等重大安全事故的风险,保障了综采面的安全高效生产,为综采面坚硬顶板远场解危的设计提供了理论依据并为现场施工提供了指导作用。

深埋复合顶板煤巷离层失稳机理及控制研究

为探究深埋复合顶板煤巷离层失稳及控制机理,以淮南某矿1692(1)运输顺槽为工程背景,原位观测并分析巷道顶板变形破坏特征及原支护效果,基于材料力学原理建立复合顶板岩层力学模型,解析复合顶板各分层挠度表达式,揭示复合顶板离层失稳机理,并探究全长锚固和锚索对复合顶板离层控制机理,提出全锚改性-长锚索组合联合支护技术。研究结果表明:联合支护利用全长锚固增加复合顶板底层的弹性模量,使复合顶板底层挠度下降,通过锚索将复合顶板各分层组合成整体,形成组合梁结构,使复合顶板整体挠度降低,现场监测表明顶底板移近量下降64%,顶板未发现离层现象,最大裂隙深度由8.1 m降低至3.8 m,降低53.80%,煤巷的稳定性得到显著提升。研究结果可为深埋复合顶板离层垮落失稳控制提供借鉴。

深部沿空掘巷含软弱夹层顶板离层破坏特征及控制研究

含软弱夹层顶板对深部沿空掘巷稳定性具有重要影响,为有效控制深部高偏应力沿空掘巷含软弱夹层顶板离层破坏,基于含软弱夹层组合体试件力学试验及受采动影响下沿空掘巷数值模拟试验,获得了软弱夹层层厚、层数和层位对顶板的影响以及偏应力条件下含软弱夹层顶板离层演化规律,阐释了含软弱夹层顶板沿空掘巷失稳主要原因,结合顶板支护载荷和煤柱支撑载荷下的悬臂梁力学模型,对含软弱夹层顶板控制要点进行分析,进而提出离层控制方法。结果表明:随着软弱夹层厚度和层数增加,对组合体力学特性劣化影响逐渐变大,软弱夹层位于低位时对组合体试件的劣化影响强于高位,组合体试件破裂均由软弱夹层产生,并随着层厚、层数和层位的不同呈现差异化破裂发育特征。沿空掘巷后主剪切破裂带由顶板左肩角产生并与软弱夹层邻近岩层破裂区相互连接,导致软弱夹层离层严重,主剪切破裂带发育形态和顶板非协调变形程度随主应力偏转角度以及软弱夹层层厚、层数和层位变化,揭示了含软弱夹层顶板沿空掘巷失稳机理。推导了顶板支护载荷和煤柱支撑载荷下的巷道顶板离层解析式,发现软弱夹层在锚固区内的离层量比在锚固区外减少79%,离层大小各主控因素影响程度及其控制优化顺序依次为煤柱支撑载荷—顶板支护载荷—顶板弹性模量。针对深部沿空掘巷含软弱夹层顶板的离层规律和控制要点,提出了“提高煤柱承载能力、减少顶板裂隙发育、增加软弱夹层顶板变形协调性”的离层联合控制方法。现场离层监测显示顶板最大离层量为10 mm,表明该方法能有效控制含软弱夹层顶板离层。

坚硬顶板高压水力切顶技术的切顶角度力学机制分析

为探究顶板的垮落倾角与水力钻孔角度对切顶卸压作用的力学机制,根据“砌体梁”关键块理论对切顶破断结构进行了力学分析,提出了基于关键块结构的“砌体梁”径向力模型与轴向力模型并进行了理论解析。运用COMSOL数值模拟软件,分析了不同角度下水力切顶钻孔的最大主应力分布特征。结果表明:切落顶板所受径向力会随垮落倾角的增加而上升,导致切顶后难以充分卸压。切落顶板所受轴向力随倾角的增加而逐渐降低,致使顶板更容易发生垮落。当水力切顶的角度小于45°时,垂直地应力对钻孔中部的压缩作用明显,对水力压裂起抑制作用。当切顶钻孔角度大于60°时,钻孔整体承受拉应力,有利于水力裂缝的扩展。

厚煤层大采高综采面顶板破断规律及机理研究

以杭来湾煤矿首个大采高30201工作面为例,通过数值模拟、理论分析和现场实测的方法,分别对工作面开采过程中顶板破断规律进行研究。基本顶以“悬臂梁”、“砌体梁”的结构形式周期发生破断,造成工作面大、小周期来压显现。建立了工作面顶板力学模型,给出来压步距的计算方法。现场实测表明最大步距67.6 m是平均步距34.4 m的1.97倍,说明约2次小周期来压才有1次大周期来压。