小常煤业静态破碎剂致裂顶板技术研究

针对矿井坚硬顶板垮落难度大的问题,以晋能控股集团小常煤业30217运输巷为工程背景,运用静态破碎剂(简称SCA)致裂顶板。通过实验分析、数值模拟和工程实践相结合研究SCA的致裂效果。结果表明:SCA的径向膨胀压随着钢管内径的增大而增大,一般钢管底部的径向膨胀压大于中部,钢管内径越大,钢管底部与中部的径向膨胀压差值越大,当钢管的内径相同时,钢管的径向膨胀压随着约束程度的增大也增大;SCA作用后,30217运输巷顶板下沉量较之前增加约148 mm;30217运输巷预裂孔装填SCA之后,辅助30217工作面顶板垮落步距减小10 m左右。工程的成功应用对具有相同开采难题的矿井具有参考意义。

表面活性剂对无烟煤润湿影响实验研究

为了提高无烟煤的润湿性,降低粉尘带来的危害,通过实验分析探究表面活性剂对无烟煤的润湿作用。拟选用10种表面活性剂,为了系统科学地获取无烟煤润湿液的最佳组分,先采用动态接触角实验对试剂进行单体优选。随后采用改良沉降实验对优选出的表面活性剂进行复配实验,得出无烟煤最佳复配润湿液。结果表明:通过改良的沉降实验得出,各试剂单体之间拮抗或协同效果,对无烟煤润湿效果最好的复配润湿液为AEO-9+NP-10(AEO-9的质量分数为0.4%,NP-10的质量分数为0.8%,体积比1∶1)。

极近距离薄煤层群联合开采常规错距理论与物理模拟

伴随着中、厚煤层资源的枯竭,潞安集团下属十几个矿井都将进入下组煤开采。下组煤15–1#和15–3#煤层是以薄煤层群赋存在一起,平均间距为4.4 m,因此提出极近距离薄煤层群联合开采常规错距开采模型,并进行理论和物理模拟试验研究。从理论上给出近距离薄煤层群联合开采下的工作面常规错距计算公式,并进行理论求解。为避免15–1#煤层顶板的周期垮落与15–3#煤层工作面回采时的超前效应相互影响,从安全角度考虑,将错距定为1.3～1.5倍的周期垮落步距,结合试验结果将常规错距定为17.5 m。物理模拟试验结果表明,常规错距下联合开采技术上是可行的。另外分析了工作面上方附近几个测点总是被抬高的原因,并总结了在工作面推进过程中,顶板下沉主要经过两次大的变化,即上、下两煤层工作面回采过程中发生垮落时,尤其是下层煤顶板垮落造成影响较大。

PU改性硫铝酸盐水泥注浆材料试验与应用

通过添加水溶性聚氨酯(PU)和外加剂以提高硫铝酸盐水泥(SAC)基材料的力学性能。采用流动度测试、力学性能测试、XRD矿物组分衍射、接触角分析和SEM显微观察等方法对其可注性、力学性能、化学结构、亲水性和表面形貌进行了研究;并且通过现场工程应用,研究了该材料对破碎煤岩体注浆加固的效果。研究结果表明:(1)PU的加入提高了该材料流动度,增加了硫铝酸盐水泥材料韧性,特别在早期较为明显。当PU的质量分数为10%时,PU-SAC的综合性能最好,硬化结石体拉强度在1,3,7 d分别增加了29.4%,50.7%,39.5%,对抗压强度无明显改善。(2)XRD定性物相分析表明随着PU的加入水化速率加快,水化产物种类与改性前一致;改性后浆液结石体表面静水接触角由11°增加到95°,润湿性由亲水性变为疏水性,可以更好地阻止水侵入注浆材料;(3)该材料具有微膨胀特性,体积膨胀率为1.17%;SEM微观结构形貌分析可知改性后的结石体内部结构裂隙较少,且有聚氨酯构成的网状结构镶嵌贯穿于水泥石内部,抑制微裂纹的发展;(4)现场试验表明,该材料性能稳定、泵送距离长、胶凝时间可控、力学性能好、体积微膨胀、强度不倒缩,提升了破碎煤岩体完整性和稳定性,降低了巷道变形量,为类似注浆加固成功提供了借鉴。注浆材料能够有效加固煤岩体,一方面是充填了裂隙,另一方面是黏结2个结构面增加了岩体黏聚力,但物理试验难以揭示加固机理,需要进一步研究。

注空气促抽低渗煤层瓦斯的模拟研究

针对低渗透性煤层抽采瓦斯难度较大、瓦斯抽采率偏低等问题,基于煤层渗流、扩散、多元气体的竞争性吸附作用,建立了煤层注空气提高瓦斯抽采效果的气固耦合模型;利用Comsol Multiphysics软件模拟了在不同的注气时间下,煤层注空气后煤层瓦斯压力和瓦斯含量参数的变化规律。对比分析了注空气瓦斯抽采和单一抽采条件下的瓦斯抽采效果,论证了煤层注空气促抽煤层瓦斯工艺的可行性。模拟结果表明,注气压力为1 MPa,在单一抽采条件下,通过向煤层注空气能够促使其瓦斯含量以及瓦斯压力大幅度地降低。在相同的时间下,相比于单一抽采,注空气促抽使煤层瓦斯压力降低了5.88~32.35个百分点,瓦斯含量降低了5.72~19.47个百分点。

普通硅酸盐-硫铝酸盐水泥复合薄喷材料的研发与应用

井下巷道喷涂材料存在喷涂厚度大、黏接性差、回弹率大、施工操作复杂等问题。针对上述问题,以硅酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、粉煤灰、黏土为基料,配以黄原胶、纤维素醚等外加剂,研发出一种新型复合环保型薄喷材料。利用X射线衍射、扫描电镜、力学性能测试、接触角分析等手段与现有同类材料进行对比,并研究该材料各项性质及观察材料表面微观形态。通过现场应用,验证材料对巷道煤岩体裂隙的喷涂效果,研究结果表明:(1)新材料具有无毒、不可燃等性质,抗拉抗折强度高,可用于巷道的柔性支护;(2)材料晶相结构好、内部裂隙小、结构密实且煤岩体黏结力强;(3)材料疏水性较强,与水接触角可达154.74°,能够吸附微量的煤尘与瓦斯;(4)材料喷涂效果好,同一巷道中喷涂后10 h瓦斯含量为未喷涂的21%,可封堵瓦斯逸出,增大巷道支护强度。

采场冲击气浪的灾害模拟

为了进一步研究采场顶板垮落冲击引起的暴风灾害,采用采场顶板动力冲击机理理论和数值模拟的方法,研究了暴风形成的机理。结果表明:顶板大面积垮落时动力冲击和采场压缩空气冲击气浪灾害并存的数学模型是合理的;给出了运输平巷与回风平巷中形成暴风的流速的理论公式,以及处于暴风中的物体所受作用力的理论公式。该研究对井下预防顶板垮落冲击引起的暴风灾害具有一定的参考价值和指导意义。

水溶后钙芒硝空隙度的实验研究

水溶过程中矿石的空隙度是确定该矿床能否采用原地水溶开采方法开采的决定性因素。通过实验得出了钙芒硝在静态溶解情况下的空隙度,并认为对钙芒硝矿床的开采完全可以像其它易溶盐矿一样采用原地水溶开采方法。这对改进钙芒硝矿床开采方法、提高其开采效益、减少环境污染有很重要的意义。

声发射技术在蹬空开采采场关键层中的应用

为了解决蹬空开采中如何有效的对下组煤采空区上覆岩层进行矿压监测。在采矿工程中,运用声发射技术来监测、预报煤矿的冲击地压。声发射技术是一种实时、连续的岩(煤)体声发射监测技术,最初主要应用在地震监测方面,经过几十年的研究和应用,中国声发射监测技术取得了很大发展,在矿压中的应用已达到了实用阶段。通过对声发射技术的理解,结合采矿工程中关键层理论,将其应用到蹬空开采中。首次提出了监测层和蹬空开采声发射模型,并以工程实例进行了分析研究。该成果对采矿工程具有一定的参考价值和指导意义。

大采高采场顶板断裂关键块稳定性分析

以大采高采场基本顶初次断裂对称的关键块为研究对象,将其视为可变形体,按照严格的变形对应关系,分析回转下沉不同位置的块体变形量与水平力的关系.探索块体结构的平衡-失稳状态转化的临界点,详细分析了关键块在回转下沉过程中,作用在其上的水平力变化规律,给出了水平力与回转下沉角度、块体的块度系数以及上覆载荷和块体自身质量的量化关系式,并且给出了关键块发生滑落失稳和回转失稳时块度系数与回转角度的关系,以及关键块平衡时具有承载能力的范围.与传统近似计算方法所得结论比较,结果表明:按照严格的几何对应关系推导的结果比原来方法计算的水平力大了近1倍;关键块自身平衡作用范围增大.给出了关键块承载能力的回归计算公式,依照此公式可以预测断裂的顶板关键块是否会失稳.

承压水上采煤突水监测预报理论的物理与数值模拟研究

采用三维相似模拟与数值模拟方法,研究承压水上采煤底板各含水层水压分布随采动的变化规律,即在多数情况下,距煤层底板20 m以上的小含水层在无构造带存在情况下,开采对其影响不大,但在构造带存在的情况下,可能引起构造带活化,与底部高承压含水层沟通,发生突水事故,其安全的开采区视具体情况而定。同时采用2种方法验证基于多含水层水力联系的奥灰突水监测预报理论的正确性,说明在多数情况下奥灰突水总是通过渗透通道流入与之最近的含水层,其次向高处发展,即一般经本溪组含水层到达太原组含水层,最后产生突水。研究结果表明,突水监测预报系统可以在现场推广使用。

油页岩原位注蒸汽开发的固-流-热-化学耦合数学模型研究

针对目前传统地面干馏油页岩技术中存在的高成本、高污染问题,提出了对油页岩进行原位注蒸汽开发的新方法.并利用太原理工大学研制的高温高压干馏釜对油页岩进行了高温高压蒸汽作用下油页岩干馏渗透实验.结果表明:高温高压蒸汽作用下油页岩会产生大量的孔隙、裂隙,从根本上提高了油页岩的渗透性;主要利用对流传热的方式,高效率地加热了油页岩并带走页岩油.同时,在复杂理论分析的基础上建立了油页岩原位注蒸汽开发过程中的固、流、热、化学耦合数学模型,包含了众多的耦合项作用,为分析解决油页岩原位注蒸汽开发过程中的复杂物理化学过程提供了理论依据.

高水平应力条件下大断面巷道支护技术研究

针对长平煤矿高水平应力条件下大断面沿底留顶巷道难以支护的现状,通过地应力测试、钻孔窥视、数值模拟等方法进行了巷道顶板围岩破坏分析。根据分析的结论,提出43042巷道沿顶布置支护方案,并通过设置测站实测表面位移、顶板离层、测力锚杆等方法对其稳定性进行了分析,验证了43042巷道支护方案的合理性。

伊田煤业沿空留巷底鼓特征及控制方案研究

根据伊田煤业1101工作面沿空留巷工程实践情况,利用FLAC^(3D)三维数值模拟软件分析了沿空留巷一次采动阶段底鼓特征,以此提出对底板施加高预紧力锚杆来控制底鼓的控制措施。研究结果表明:底板未施加锚杆时,沿空留巷巷道一次采动期间底板底鼓量达到200 mm左右,施加锚杆后,底鼓量只有80 mm左右,由此可见对巷道底板施加高预紧力锚杆是控制底鼓量的一个重要措施。

王庄煤矿含水层突水危险性的识别研究

矿井突水危险源主要存在于含水层和采空区,本文主要针对含水层,结合水位和水化学特征综合分析,得出了王庄煤矿井田内各含水层中二叠系下统下石盒子组、山西组砂岩裂隙含水层,石炭系上统太原组砂岩裂隙及石灰岩岩溶裂隙含水层和奥陶系中统石灰岩岩溶裂隙含水层具有突水危险性,对煤矿下一步开采过程中针对性防治水害有一定指导意义。

晋城无烟煤的分子结构特征分析

利用工业分析、元素分析、核磁共振碳谱(^(13)C-NMR)、高分辨率的透射电镜(HRTEM)、红外光谱(FTIR)和X射线光电子能谱(XPS)对晋城无烟煤进行了分析,对其化学结构获得了较为全面的认识。采用变接触时间和偶极去相方法相结合的^(13)C-NMR技术以及HRTEM检测对其微晶条纹芳核结构进行了统计分类。结果表明:此类煤结构中桥碳比为0.46,平均结构单元分子质量为398,煤中的芳核结构缩合程度较高,芳香层片以苯并蒽,苯并芘以及尺寸更大的芳香环为主。对FTIR与XPS检测结果进行分峰拟合结果表明:芳香环取代度较高。煤中氮含量较少,以有机氮和无机氮的形式存在。煤样中硫主要以有机硫的形式存在,无机硫含量较少。煤中氧含量很少,且主要分布于脂肪烃结构中。煤样脂肪结构中侧链短,且分支度小。利用上述信息,初步构建了晋城无烟煤平均结构单元分子模型,其平均结构单元分子式为C_(30)H_(22)O_(0.5)N_(0.5),为煤的大尺度分子聚集体结构模型构建提供基础。

氟石膏改性高水粉煤灰复合充填材料性能研究

为了制备低成本充填材料,满足山西省推行绿色采矿试点工作中提出的因地制宜推广充填材料、矸石不升井等绿色采煤技术的要求,利用氟石膏、粉煤灰、煤矸石等废弃矿物资源,制备高水粉煤灰复合充填材料,并对其坍落度、泌水率、力学性能进行了研究;通过XRD和SEM手段对复合材料水化矿物组分及微观结构进行了研究;利用分子动力学软件模拟复合材料力学性能。研究结果表明:该复合材料流动性良好,强度增长速率快,28 d抗压强度可达4.96 MPa;显微观察复合材料结构致密,孔隙较少;复合材料成本低至78元/m^3;复合材料分子模型在NVT系综下模拟,水化硅酸钙的弹性模量比钙矾石高,随着水化硅酸钙的增加,复合材料的力学性能更优。

大采高工作面煤柱支承压力实测分析

选用铜弦钻孔应力计对煤柱受采动过程中的应力变化进行观测。分析表明，在工作面推进过程中，靠近工作面侧46m范围内煤柱受到支承压力影响，并且呈凸台形式；52-60m范围内基本不受采动影响，并且靠近工作面46m范围内煤柱中存在一小一大两个支承压力峰值，分别位于工作面侧18m和38m处。由煤柱的边缘到深部，煤柱塑性区为0-10m，弹性区为10-50m，原岩应力区为50-60m。

巷道复合结构破坏机理及锚注支护控制技术研究

以宏岩煤矿轨道下山顶板离层破坏控制为工程背景,采用材料力学理论计算和数值分析的方法,对巷道复合顶板破坏机理进行分析研究。分析结果表明,由于巷道顶板岩层的复合结构,在覆岩载荷和相邻工作面的采动影响下,致使巷道出现顶板下沉严重及支护体失效等矿压现象。提出利用注浆加固在顶板形成的多介质结构与注浆锚杆锚索联合控制顶板结构稳定性技术,根据轨道下山围岩结构确定深浅孔锚注加固方案并实施现场工程对比试验,加固区域顶板最大下沉量控制在59 mm左右,对顶板的复合结构取得了良好的控制效果。

新型丙烯酸树脂超疏水材料研究

采用自由基聚合法合成丙烯酸树脂,之后与改性二氧化硅纳米粒子复合,制备出了新型超疏水材料,并获得了最佳涂层工艺条件。利用扫描电子显微镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱仪、静态接触角测定仪对材料结构和性能进行了表征。结果表明,纳米二氧化硅的加入,能够极大地增加涂层表面的粗糙度,从而使材料的比表面积显著增加,根据Wenzel-Cassie模型原理,材料最终达到了超疏水结构。