特厚煤层大采高综放开采支架外载的理论研究

从理论上分析认为,特厚煤层综放开采直接顶、老顶范围明显加大;从能否对支架产生变形压力角度将顶板岩层分为"无变形压力岩层"和"有变形压力岩层",并给出了综放支架所受外载的解析计算式,依此分析了特厚煤层大采高综放开采因采厚加大,"有变形压力岩层"的范围将明显加大,从而导致矿压显现异常强烈的原因.

煤炭智能化开采关键技术创新进展与展望

全面总结了薄煤层和较薄煤层智能化开采、厚煤层大采高和超大采高智能化开采、特厚煤层综放开采智能化技术的创新与实践,分析了存在的不足;提出了综采装备适应围岩活动及环境动态变化所需攻克的采煤机智能调高控制、液压支架群组与围岩的智能耦合自适应控制、工作面直线度智能控制、基于系统多信息融合的协同控制、超前支护及辅助作业的智能化控制5项关键技术,为将智能开采由目前的初级阶段升级为自学习、自决策、自修正的高级阶段奠定技术基础;对煤炭行业近期、中期和远期提出了智能化、有限无人化和流态化的技术发展方向和目标,展望了可能的发展路径及需要突破的关键技术和发展方向。

黄陵矿业中厚煤层智能化回采工艺适应性研究

针对黄陵矿区智能化开采的现状,从智能化开采技术要求、传感器特性、可靠性要求出发,提出了区别人工开采的智能化开采回采工艺。并从破煤、装煤、运煤、支护、采空区处理等环节进行了智能化开采技术调整,使开采工艺更加适应智能化开采的要求。试验结果表明,自黄陵矿业一号井采用智能化开采以来,在1.4~2.2m煤层中,采用国产装备年产稳定在200万t,生产效率提高15%。

煤巷顶板沉积岩体钻进动力响应特性试验研究

为了探究煤巷顶板锚固孔钻进动力响应指标(钻速和转速)与顶板岩石物理特性(普氏系数)间的关系,采用实验室及数值试验研究方法对煤巷顶板沉积岩体进行模拟钻进。结果表明,锚固孔的钻进动力响应指标整体上均随顶板岩石普氏系数的增加而减小,大致呈负指数关系。实验室试验数据拟合曲线与数值模拟分析所得结果较为相似,但也存在一定的差别。据此可实现对顶板岩层的初步判别,对煤巷顶板锚杆支护参数的优化和冒顶事故的预防有重要的指导意义;为实验室研究岩石的钻进试验提供了一种可行的方法,也为岩石可钻性与顶板岩层探测仪器的深入研究提供了一定的参考价值。

同忻煤矿特厚煤层智能放煤关键技术研究与应用

通过分析矸石从采空区混入煤流、从掩护梁混入煤流和直接进入刮板输送机3种不同路径的特点,设计了高可靠性传感器;提出了区别于人工放煤的智能放煤工艺,在尾梁和插板千斤顶中安设行程传感器,实现了顶煤冒放的精准控制,提高了放煤控制系统的实用性和可靠性。

层状巷道底板变形破坏分析及控制技术研究

以沽源煤矿主运输大巷实际地质条件,煤岩体实验室力学试验为基础,利用有限差分数值模拟软件FLAC^(3D)分析主运输大巷在不同底鼓治理措施下底板围岩特征,重点比较各措施下底鼓量,并以此为依据优选出主运输大巷最佳的底鼓治理措施为原支护方案加底板锚(锚杆或锚索)注。

裂隙网络对岩体试件单轴压缩力学特性影响研究

针对裂隙分布对岩柱或煤柱强度和稳定性影响问题,采用合成岩体模型技术(SRM)重构岩柱模型,研究裂隙密度和裂隙倾角对岩柱稳定性影响。合成岩体模型中分别采用平直节理黏结模型(FJBM)、光滑节理模型(SJM)和裂隙网络模型(DFN)模拟岩块、裂隙和裂隙网络。通过单轴抗压试验和单轴抗拉试验标定岩块宏观力学参数(单轴抗压强度、抗拉强度、杨氏模量和泊松比),数值模拟标定结果与试验结果对比表明数值模拟模型细观力学参数能够很好地匹配实验室岩样宏观力学参数。研究结果表明:岩体内裂隙将显著降低岩体抗压强度,岩柱强度随裂隙密度P21增加而降低;裂隙密度P21由1 m/m^(2)增加至5 m/m^(2),岩柱平均强度由103.5 MPa降低至69.5 MPa,岩体抗压强度与裂隙密度负相关;裂隙倾角由0°增加至90°,岩柱抗压强度呈“U”形变化;裂隙密度较小时,岩柱易形成“X”形压剪破坏,裂隙密度较大时,岩柱“X”形压剪破坏逐渐消失;岩柱产生的微裂隙与岩体裂隙密度负相关;裂隙倾角小于临界角φ或大于45°+φ/2时,岩柱易形成“X”形压剪破坏,而当裂隙倾角介于φ与45°+φ/2时,岩柱易形成剪切滑移破坏。岩体合成技术可为确定岩柱强度确定提供一种思路。

大采高综放开采降低含矸率途径分析

柳塔矿12#煤层韧性高,厚度变化大,直接顶较破碎,在大采高综放条件下,面临顶煤回收率低和含矸率高的问题。通过数值模拟,研究了破碎顶板条件下坚硬顶煤的冒放特征,分析了矸石混入的两个路径,测试了不同放煤工艺下,工作面回收率和含矸率指标,认为顶煤、直接顶的冒放特征对含矸率有重要影响,提出了降低含矸率的技术途径。

坚硬主控覆岩预裂弱化控制导水裂缝带高度机制研究

煤矿顶板水害防控与水资源保护的核心是控制导水裂缝带发育高度,降低煤层开采对上覆含水层扰动。基于覆岩破坏控制技术和顶板预裂弱化控制矿山压力显现方面研究现状,提出通过主动预裂弱化坚硬主控岩层,在不影响开采效率和资源回收率的情况下控制采动导水裂缝带发育高度的低损害开采技术构想。采用相似模拟,理论分析和数值模拟分析相结合的研究方法探究预裂弱化坚硬主控岩层控制导水裂缝带发育高度作用机制,并根据数值模拟结果提出含水层下坚硬覆岩预裂层位确定方法。研究结果表明:坚硬岩层相较于软弱岩层采动破断块度较大,采动破坏后整齐堆积于采空区,采动破坏膨胀量较小;不同层位坚硬岩层预裂弱化条件下采动响应存在显著差异,因此预裂层位选择将直接决定预裂弱化控制导水裂缝带高度效果;数值模拟结果显示中位岩层预裂和中、低位岩层同时预裂时导水裂缝带发育高度控制效果较好。研究成果为含水层下煤炭资源安全、高效和绿色开采提供了新的技术途径。

浅埋深近距离煤层上行安全开采技术研究

丁家梁煤矿进行Ⅲ-2号煤长壁开采,其埋藏深度50m,下部35m位置处为Ⅳ-2号煤房柱式采空区,结合其具体开采技术条件,分析Ⅲ-2号煤为浅埋深、近距离煤层房柱式采空区复杂组合地质条件下上行开采。针对这一特殊地质条件下上行开采技术进行研究,理论计算静载条件下采空区煤柱载荷、煤柱强度,运用FLAC数值模拟软件研究煤柱在上行开采动力扰动作用下失稳破坏机理,运用UDEC数值模拟软件研究采动影响下煤柱稳定性及层间岩层承载变形特性。结果表明:高初始应力条件下,动力扰动易导致煤柱失稳;在采动影响下,煤柱变形可控,并未发生压裂式破坏,最终进入稳定流变变形阶段,房柱式采空区煤柱不会出现大面积失稳或压垮现象;层间岩层能够稳定承载,且层间岩层同步稳定下沉,不可能发生"整体切落"。针对上行开采风险因素,提出砌筑封堵矿井飓风灾害的密闭墙、加强地质保障工作、缩短Ⅳ-2号煤长壁工作面长度的针对性措施,确保了上行安全开采。

特厚坚硬煤层超大采高综放开采合理采高研究与实践

以榆神府矿区金鸡滩煤矿一盘区东翼8~14m特厚坚硬煤层综放开采为背景,采用理论分析、工程类比、工业性生产试验方法,研究采高(机采高度)对采场围岩稳定性和顶煤冒放性影响关系,确定榆神府矿区特厚坚硬煤层综放工作面合理采高。通过理论分析,探讨了增大采高对综放开采资源采出率、矿压显现程度、顶煤冒放性、煤壁稳定性、配套设备结构和性能、采放协调等因素影响。通过工程类比,对比分析相邻矿井综放开采和本矿井西翼超大采高一次采全厚工作面围岩稳定性和顶煤冒放性特征,给出了榆神府矿区综放开采合理采高的判断依据,得出超大采高综放开采技术上可行,安全上可靠。现场工业性生产试验表明:采高控制在6.3~6.5m时,围岩稳定性好,开采效率最高;工作面中部来压强度大,煤壁局部片帮深度一般为0.1~0.5 m,最大深度小于0.8m;100m试验段整体回收率约为87%,放煤段顶煤回收率约83%;工作面中部顶煤冒落块度小、冒放性好;端头顶煤冒落块度大、冒放性差;周期来压期间顶煤冒放性优于非来压期间。研究结果可为相似条件特厚坚硬煤层综放开采提供借鉴。

坚硬覆岩预裂弱化改性效应及导水裂缝带控制机理

针对深部煤层开采坚硬覆岩条件下导水裂缝带控制问题,充分借鉴坚硬顶板预裂弱化技术,提出预裂弱化坚硬主控覆岩控制导水裂缝带高度的新方法。综合采用实验室试验、理论分析、数值模拟等方法,研究了坚硬主控覆岩预裂弱化改性效应,详细阐述了不同弱化层位对导水裂缝带的控制机理,并进行了实测验证。研究结果表明:预制裂缝可以使坚硬岩石往强度低的方向进行转变,并将完整岩样的劈裂破坏特征转变为以预制裂缝为主控的张拉剪切破坏,坚硬岩石的破坏程度由剧烈趋于缓和;揭示了预制裂缝对坚硬岩体的弱化改性效应,计算得到应力与裂缝耦合的损伤变量,定性的分析了弱化程度与岩性转变的关系,改性后岩体能量存储能力降低,耗散能力增强;数值模拟了不同弱化层位对导水裂缝带的控制效果,综合对比覆岩破坏形态、裂隙数量及破坏高度动态演化规律,发现“马鞍形”破坏形态随着弱化层位的升高而逐渐减弱,覆岩裂隙数量演化基本呈现“缓增−突增”的演化趋势,未弱化以及中、高位弱化覆岩破坏高度动态演化近似呈现“S”形,而中位弱化呈“半抛形”,综合分析得出低位弱化对导水裂缝带的控制效果最好;在分析高、中、低位坚硬岩层破坏特征的基础上,揭示了不同预裂弱化层位控制导水裂缝带发育机理;钻孔实测孟村矿顶板压裂条件下的“两带”发育高度,对比发现预裂弱化条件下裂采比降低,初步验证了顶板预裂弱化对导水裂缝带发育的抑制性。研究成果将为深部矿区耦合灾害防控、水资源及生态保护等领域提供理论和科学依据。

基于冲击启动过程的近场围岩冲击危险性电磁波CT评估方法

近年来,随着开采深度和强度的逐渐增大,冲击地压灾害发生频率逐年升高,严重威胁矿井的安全生产。针对目前基于现场实测的冲击危险性评价方法仅从能量聚集角度进行危险性判别,导致评价结果不能反映现场全部冲击危险情况的问题,考虑了冲击启动过程经历的"能量释放→能量传递→冲击显现"3个阶段,分析了基于冲击启动过程的冲击危险性评估原理,通过理论研究,构建了包括能量集中指数、屈服接近指数、能量传递衰减指数和支护损伤指数等4个指标,设定了各指标的权重,包括根据各指标量值差异程度设定的属性权重,以及根据各指标危险等级设定的等级权重;由此,以电磁波CT探测系统为平台,建立了能够划分近场围岩冲击危险区域及危险等级的电磁波CT评估方法,并将该方法编程实现。应用此方法对亭南煤矿207工作面现场实测数据进行处理,发现区段煤柱内布置巷道大幅升高了相邻煤柱区的应力集中程度及支护损伤程度,进而增大了相邻煤柱区的冲击危险性。通过钻屑法验证了基于冲击启动过程的冲击危险性评估方法的有效性。该方法依据冲击启动过程将评估体系细化,能够有效提升对冲击危险区域及危险等级的辨识度,为巷道冲击地压治理提供了更为准确的依据,尤其能为煤柱区冲击地压防治提供借鉴。

叠加应力影响下大巷加固技术研究

针对寺河矿二号井15号煤层大巷受叠加应力影响导致巷道围岩变得极为破碎、变形量大的特点,在地质力学测试的基础上,结合巷道变形破坏情况对其破坏机理进行分析。通过UDEC数值模拟论证了注浆对破碎围岩的加固作用,最终确定对寺河二号矿15号煤层3条大巷两帮和底板采用先注浆后打锚索的注浆加固技术方案。矿压监测结果表明,该方案可有效地控制大巷变形,为类似条件下的破碎巷道加固技术提供了参考。

提高浅埋坚硬特厚煤层顶煤冒放性技术研究

为了深入分析浅埋坚硬顶煤破断、垮落的运动特征,以千树塔煤矿11301综放工作面作为研究背景,采用数值模拟和现场试验的方法对坚硬顶煤破断特征、垮落结构进行了研究。结果表明:正常推进阶段,靠近工作面两端头位置,坚硬顶煤容易形成"悬臂"结构,破断的坚硬顶煤块体垮落容易形成挤压平衡"拱"结构。本文提出以深孔爆破方式弱化坚硬顶煤,减小坚硬顶煤悬臂长度;以放煤工艺优化方式降低坚硬顶煤块体垮落成拱几率,并在现场得到了成功应用。

深部平行大断层巷道变形机理及支护技术研究

以某矿回采巷道为例,测试了断层附近地应力大小和方向,与不受断层影响处测试结果进行比较,得出断层对地应力大小和方向影响显著,分析了平行大断层时深部巷道顶板下沉量小、两帮移近量大进而引起严重底鼓的变形特征,得出巷道围岩应力值相对围岩强度大且初期支护强度较低的变形机理,提出"强帮快支"的巷道支护技术,把该技术成功应用于井下,取得显著支护效果,成功解决了该矿深部平行大断层巷道支护难题。

基于固流耦合理论的覆岩破坏特征及涌水量预计的数值模拟

通过FLAC3D的流固耦合功能建立了计算模型,模拟了在多含水层及海水等大型水体条件下,煤层开采过程中顶板破坏场、孔隙水压力分布以及在动态开采中水流矢量分布.并在此基础上,通过FLAC3D内置Fish函数,计算了开采过程中工作面最大涌水量.结果表明,随着开采形成的断裂带和含水层沟通,含水层水向采空区渗入,在前方煤壁处发生突水,并计算得到工作面最大涌水量为15.5 m3/h.

富水顶板大采高综采工作面涌水与矿压关系研究

针对纳林河二号煤矿31101富水顶板大采高综采工作面涌水情况,分析了工作面涌水与工作面矿压以及顶板岩层结构之间的关系。通过理论计算得出了关键层层位,认为基本顶及其控制的上覆岩层和关键层Ⅱ及其控制的上覆岩层共同组成了"复合悬臂梁—复合铰接岩梁"结构。计算得出关键层Ⅱ的初次断裂步距为210.3m,周期性断裂步距为101.1m,与现场实际矿压与涌水情况相符。认为"复合悬臂梁"的周期性破断失稳使得工作面产生"小"出水,而后发生小周期来压;"复合铰接岩梁"的周期性破断失稳使得工作面产生"大"出水,而后发生大周期来压。研究结果为31101工作面的出水预测提供了理论依据,并为相似工作面涌水与矿压关系研究提供参考。

模糊综合评判法在采煤沉陷区地基稳定性评价中的应用

针对采煤沉陷区地基稳定性评价中影响因子多、影响程度难量化的问题,以焦作某工业厂区为例探讨了地基稳定性模糊综合评判模型的建立和应用,构建了评价指标、分级标准和隶属函数。论述并验证了两级模糊综合评判法应用于地基稳定性评价的合理性,为量化评价采煤沉陷区地基稳定性和土地使用决策提供借鉴。

综放工作面支架工作阻力影响因素分析及预计

以21例综放工作面液压支架工作阻力实测数据为基础,采用单因素回归,分析了支架工作阻力与煤层埋深、煤体硬度和顶煤厚度的关系;利用多元线性和非线性回归分析,分析支架工作阻力与煤层埋深、煤体硬度和顶煤厚度之间的统计关系式,最后结合现场监测对统计公式进行了验证。结果表明线性和非线性统计公式均能预测支架最大工作阻力,但线性统计公式具有较高的预测能力。