倾斜厚煤层沿空掘巷窄煤柱合理宽度数值模拟研究

为了确定倾斜厚煤层沿空掘巷窄煤柱合理宽度,以兖矿新疆矿业硫磺沟煤矿为研究对象,分析了倾斜煤层条件下沿空掘巷围岩应力分布及变形特征,不同煤柱宽度的垂直应力分布规律。结果表明:煤柱宽度大于4 m时,煤柱内稳定区域增势比较明显,随着煤柱宽度的不断增大,煤柱内稳定核心承载区域不断增大;根据巷道掘进期间垂直应力大小,应力分布规律及围岩巷道稳定性分析确定煤柱合理宽度为4 m;现场实测数据表明,窄煤柱宽度为4 m时可以有效满足巷道围岩稳定性要求。

倾斜特厚煤层综放开采采空区瓦斯分布规律研究

为研究综采放顶煤高位钻孔瓦斯抽采前后采空区瓦斯浓度分布及运移规律,采用FLUENT数值模拟软件,以兖矿新疆硫磺沟煤矿9-15(06)工作面为试验原型开展数值模拟研究。模拟结果表明:采空区在偏回风巷一侧瓦斯浓度较高,根据这一瓦斯浓度分布规律,在回风巷一侧布置高位钻孔;高位钻孔抽采后,靠近工作面回风巷一侧瓦斯浓度有明显下降;并对工作面及采空区30 m处的瓦斯浓度分布进行对比,发现高位钻孔抽采后,靠近进风巷一侧的瓦斯浓度变化较小,靠近回风巷一侧瓦斯浓度变化较大;通过数值模拟对高位钻孔抽采后瓦斯浓度分布进行模拟并对现场的瓦斯浓度进行实时监测,得到高位钻孔可将回风巷、工作面及上隅角瓦斯浓度降低至0.4%以下。研究结果为实现兖矿新疆硫磺沟煤矿9-15(06)煤层安全高效开采提供一定理论基础。

复合厚煤层巷道掘进冲击地压机制及监测预警技术

针对我国西部矿区复合厚煤层工作面掘进期间煤粒弹射现象频繁、震动持续时间长、冲击破坏范围集中在掘进工作面附近的特点,以新疆硫磺沟煤矿复合厚煤层巷道掘进为工程背景,采用现场调研、理论分析和现场监测等方法,对复合厚煤层掘进工作面煤粒弹射和冲击地压发生机制及监测预警技术进行了研究。复合厚煤层掘进工作面频繁发生煤粒弹射和冲击地压的主要原因是巷道开挖后围岩中软煤部分会快速卸荷破坏产生煤粒弹射现象,软煤破坏后导致硬煤局部产生剪应力集中,当应力集中程度超过硬煤极限强度时,硬煤发生剪切失稳破坏,进而诱发掘进工作面冲击地压。现场监测结果表明,复合厚煤层掘进工作面冲击前后煤体应力及锚杆索压力监测无明显征兆,地音监测能够捕捉到冲击地压信息,但复合厚煤层工作面掘进期间频繁煤粒弹射产生的众多小能量震动事件严重影响了地音监测预警结果的准确性。据此提出了基于“地音大事件”概念的监测预警方法,即只监测对掘进工作面冲击地压有明显影响的大能量地音事件,这些地音事件具有的明显特征为发生的总频次相对较低,但总能量较高,根据统计分析,将(4-5)04胶带巷掘进工作面能量大于1000 mV的地音称之为地音大事件。通过与原预警方法进行对比,基于“地音大事件”概念的预警方法预警准确率更高,也更符合现场实际情况。

倾斜厚煤层综放工作面煤柱-关键层结构失稳型矿震机理

采空区遗留煤柱支撑顶板导致厚硬关键层悬顶面积大幅增大,形成的“煤柱-关键层”结构失稳是诱发矿震和冲击地压灾害的主要原因。以新疆硫磺沟煤矿(4-5)06矿震频发工作面为工程背景,采用理论分析、数值模拟、微震监测和现场调研等方法,研究了“采空区遗留煤柱-关键层”组成的覆岩空间结构特征,分析了采空区遗留煤柱应力演化规律和关键层力学结构特性,建立了非对称覆岩空间结构下采空区遗留煤柱应力分布估算模型和倾斜关键层极限跨度计算力学模型,揭示了倾斜厚煤层综放工作面“煤柱-关键层”结构失稳型矿震发生机理:采空区遗留煤柱支撑顶板形成“煤柱-关键层”结构,随着工作面开采范围增大,煤柱应力集中程度不断增加,当煤柱集中应力超过其极限承载能力发生失稳时,悬露关键层长度超过其极限跨度,发生破断失稳并诱发矿震和冲击地压灾害。据此建立了包含遗留煤柱整体失稳冲击倾向性指数和关键层极限跨距的“煤柱-关键层”结构失稳型矿震发生判别准则,并采用数值模拟和微震监测进行了验证。按照“有震无灾”的防治原则,提出了“煤柱-关键层”结构下工作面“减震-防冲”的技术措施,分析了工作面推采速度与大能量微震事件的关系,确立了降低工作面矿震能量和频次的合理推采速度为不超过3 m/d,保障了工作面的安全回采。

高应力厚煤层大巷孤立煤体蠕变失稳冲击机理及防治研究

针对高应力大巷煤柱区孤立煤体在无明显采掘扰动情况下频繁发生冲击显现的现状,以山东赵楼煤矿七采区高应力厚煤层大巷煤柱为工程背景,采用理论分析、数值模拟和现场调研等方法,研究了不稳定蠕变作用下高应力厚煤层大巷围岩和孤立煤体的应力演化规律,揭示了高应力大巷孤立煤体蠕变失稳冲击机理:在高应力作用下煤层巷道围岩发生不稳定蠕变,不稳定蠕变弱化了巷道支护体系,增大了孤立煤体的应力集中程度,当大巷孤立煤体弹性承载区集中应力超过其极限承载能力时,高应力孤立煤体发生冲击失稳。建立了高应力厚煤层大巷孤立煤体蠕变失稳及冲击力学模型,推导出了大巷孤立煤体蠕变失稳冲击的力学判据,据此提出了高应力厚煤层大巷孤立煤体冲击地压防治对策,通过现场实践验证了理论分析的合理性。

特厚煤层掘进面围岩能量积聚特征及诱冲机制研究

以新疆硫磺沟煤矿特厚煤层掘进工作面为工程背景,采用现场调研、岩石力学试验和理论分析等方法,对特厚煤层掘进面围岩能量积聚特征及其诱冲机制进行了研究。研究认为:①根据硫磺沟煤矿9-15煤层与岩层的岩石力学试验结果,埋深在100~1000 m时,煤、岩层的能量密度与埋深成正比,煤层与岩层的能量密度比值为1.8~2.3,平均为2.1;②相同深度条件下特厚煤层掘进工作面围岩积聚弹性能远大于薄及中厚煤层,其积聚高弹性能的围岩结构是特厚煤层掘进面更容易发生冲击地压和冲击地压灾害更严重的原因之一;③掘进巷道影响范围内围岩积聚弹性能与煤层厚度和巷道半径成正比,且在同等巷道半径条件下,煤层厚度越大,巷道围岩积聚弹性能越大,当巷道半径为3.0 m时,围岩积聚的弹性能分别为巷道半径为2.5m和2.0m时围岩积聚弹性能的1.4倍和2.0倍;④提出的考虑煤层厚度和煤层冲击倾向性的冲击危险性评价方法比当前冲击危险性评价方法更加科学合理,评价结果也更符合现场实际情况。研究结果对特厚煤层掘进工作面冲击地压防治具有一定的借鉴意义。

预应力锚注支护对软弱破碎巷道支护机理研究

研究预应力锚杆、注浆锚杆支护技术机理,将两者有机运用到软弱破碎围岩巷道支护中,可以达到提高深部岩体强度的目的。施加预应力之后,再进行锚注加固软弱破碎围岩,两者结合能够形成多重围岩加固,达到有效控制松软破碎围岩的变形目的。

快掘高效钻车机械化作业线在大断面岩巷掘进中的应用

华丰煤矿有针对性地对全液压钻车配侧卸式装岩机岩石作业线关键技术、设备综合配套、支护方式、施工组织管理等问题进行了专项研究,大断面岩巷单头年掘进进尺创出1352m的好水平,实现了大断面岩巷钻车作业线的安全、优质、低耗、持续高速掘进。

倾斜厚煤层沿空掘巷窄煤柱留设尺寸及围岩控制技术研究

为解决倾斜厚煤层沿空掘巷窄煤柱留设合理宽度及围岩控制等难题,以新疆硫磺沟煤矿(4-5)06工作面沿空掘巷为原型,运用理论分析、数值模拟及现场监测相结合的研究方法,研究倾斜厚煤层相邻工作面回采期间围岩应力分布、变形特征及相应的控制技术。结果表明,窄煤柱应避开侧向支承压力集中区,合理的煤柱宽度应小于峰值应力所在位置,即距离采空区边缘10 m。回采期间,煤柱宽度小于4 m时,围岩整体变形相对较小,煤柱进入塑性破坏状态,但不存在稳定承载区域;煤柱大于5 m时,煤柱内存在“近零位移”区域,煤柱帮承载能力相对较强,综合考虑采空区积水、瓦斯、地质构造等影响,以及煤炭资源利用最大化,最终确定煤柱留设宽度为4~5 m。结合矿压监测结果,进一步优化试验工作面围岩支护方案,并提出在地质构造和淋水段加强支护,现场实测表明,该技术可有效控制倾斜厚煤层沿空掘巷非对称变形。

倾斜厚煤层采动覆岩裂隙演化规律数值模拟

为准确掌握倾斜厚煤层采动覆岩裂隙演化规律,对井下煤体回采中瓦斯抽采系统的布置提供依据,以新疆某高瓦斯矿井倾斜厚煤层工作面为试验原型,通过数值解算方法对回采过程进行模拟,掌握倾斜厚煤层采动覆岩裂隙高度发育范围,通过分析覆岩位移与顶板应力的变化规律,明确倾斜厚煤层采动裂隙演化规律。结果表明:倾斜厚煤层工作面采动覆岩总体垮落形态沿煤层走向呈轴对称梯台状分布,沿倾向呈非对称垮落椭抛带形态;应力集中系数在覆岩裂隙区与压实区的边界处发生突变,应力峰值与推进距成正比关系;第1层阶梯所处区域为冒落带,即0~20 m,第2层阶梯所处区域为裂隙带,即20~65 m,研究结果有效掌握了倾斜煤层采动覆岩裂隙演化规律,为倾斜厚煤层中瓦斯系统布置提供参考,对实现倾斜厚煤层工作面的安全高效开采具有一定的意义。

煤与瓦斯突出机理及预防手段

瓦斯是影响矿井安全生产的重要因素,瓦斯事故分为瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出,本文针对煤与瓦斯突出事故发生的特、机理进行分析,并提出相对应的瓦斯突出预防手段。

煤矿智能化开采模式与技术路径研究

近年来,随着我国经济飞速发展,智能化技术越来越多的应用于煤矿开采,本文主要对煤矿智能化开采模式进行分析,并对其技术路径进行研究,推进煤矿智能化开采模式的进步与发展。

深部矿井准备巷道联合布置设计优化

华丰煤矿深部准备巷道均为全岩掘进,开拓准备时间长,掘进成本较高。通过将大断面扩修过的水平大巷采用机轨合一联合布置,取消胶带运输巷及转载煤仓,实现运料、运煤集中化,达到了简化准备工程,缓解采掘接续,降低万吨掘进率的目的。

深部高应力岩巷超高强锚杆锚索联合支护研究

针对华丰煤矿特殊的地质采矿条件,找出了原有支护方式的弱点,提出了高强度、高韧性让压锚杆锚索组合支护系统设计,落实了锚杆快速安装工艺以及重点部位加强补强支护等技术措施,经在-1100m东岩石集中巷应用,取得了理想的支护效果。

煤柱下方强冲击特厚煤层防冲开采设计研究

采用数值模拟和理论分析方法对新疆硫磺沟煤矿煤柱下方工作面防冲开采设计进行了研究,得到以下结论:4-5煤层采空区煤层对下方9-15煤层的平均压力影响角分别为54°和80°,通过计算确定(9-15)08工作面上、下顺槽分别内错26m和6m能避开上方采空区遗留煤柱的影响。工程实践表明,(9-15)08工作面掘进期间未发生冲击显现,且巷道围岩最大变形量小于200mm,说明工作面基于防冲的开采设计较合理。

巨厚煤层综放开采上覆临近采空区裂隙二次演化特征分析

为了研究巨厚煤层综放开采条件下覆岩裂隙演化规律及上覆临近采空区二次演化特征,实验以新疆某高瓦斯矿井(9-15)06及(9-15)08工作面为原型,利用自主研发的二维物理相似模拟实验台,开展巨厚煤层综放开采上覆临近采空区裂隙场二次演化实验,结果表明:(9-15)06工作面采空区不规则冒落带距煤层底板58.8 m,规则冒落带距煤层底板84.12 m,上覆岩层裂隙网络分形维数随工作面持续推进表现为快速增长、稳定增长两个阶段;分层开采过程中,距(9-15)06采空区40 m范围内,(9-15)08工作面底板应力集中系数急剧升高。上覆临近采空区裂隙场受(9-15)08工作面采动影响呈现明显的区域性,结合水平裂隙密度、离层量、下沉量等关键参数的二次演化规律将其划分为强滑移区、弱滑移区、未滑移区。强滑移区纵向空间内上覆岩层变形破坏剧烈,而弱滑移区在纵向空间内上覆岩层变形破坏呈现“上弱下强”的特征,上述研究结果为初步探索巨厚煤层综放开采理论与技术体系提供一定的基础。

特厚煤层分层开采底煤整体滑移失稳型冲击地压发生机理研究

以峻德煤矿三水平北17层三四采区一段工作面冲击地压事故为工程背景,采用理论分析、微震监测和现场调研等方法,对特厚煤层分层开采底煤整体滑移失稳型冲击地压发生机理进行研究。得到主要结论为:17层上分层事故工作面采动支承压力与上覆9层煤采空区遗留煤柱形成的集中应力叠加,叠加应力远大于底煤发生冲击和滑移的应力条件,进而导致17层上分层事故工作面底煤发生整体滑移失稳型冲击地压。建立了特厚煤层分层工作面开采底煤滑移极限承载力估算模型和事故工作面超前支承压力估算模型,底煤整体滑移失稳型冲击危险破坏范围为工作面超前110.5 m,与事故工作面两侧巷道超前破坏范围103 m和115 m接近。根据特厚煤层分层开采底煤整体滑移失稳型冲击地压发生机理,制定了针对性的安全复产措施,保障了事故工作面的安全回采。研究结果对特厚煤层分层开采工作面冲击地压防治具有一定的借鉴意义。

硫磺沟煤矿巨厚强冲击煤层掘进工作面超前钻孔卸压失效机理研究

针对巨厚煤层掘进工作面冲击地压防治中出现的大直径钻孔卸压失效现象,以新疆硫磺沟煤矿巨厚煤层掘进工作面频繁发生冲击地压事故为工程背景,采用理论分析、数值模拟等方法,研究了不同厚度煤层工作面掘进、卸压区域的应力分布状态,分别建立了工作面掘进、卸压区域煤岩体“挠曲-冲击”力学模型,揭示了巨厚煤层掘进工作面大直径钻孔卸压失效机理,得到以下结论:薄~特厚煤层和巨厚煤层中实施卸压钻孔形成的水平应力集中区分别位于稳定的顶底板岩层中和煤层中,卸压区域上方形成的煤、岩层梁结构均能保持稳定;巷道掘进导致顶板煤、岩层梁结构跨度急剧增大且产生掘进扰动和应力二次集中,理论计算结果表明,薄~特厚煤层顶板岩层梁结构在卸压和掘进期间均能保持稳定,而巨厚煤层顶板煤层梁结构会发生“挠曲-冲击”失稳,进而诱发掘进迎头频繁冲击。据此提出了优化卸压钻孔布置方式的防治措施。