生态保护型煤炭开采技术与实践

针对生态脆弱区煤炭规模化高效开采造成生态影响范围大、周期长和强度高,缺乏统筹开采全周期源头减损与生态全要素系统技术,导致矿区生态修复成本高、效率低和效果差的问题,提出了生态保护型煤炭开采理念,露天开采损伤传导途径和井工开采损伤传导模型、生态损伤定量分析方法和矿区生态修复决策方法,研发了露天矿节地减损开采、生态型地层重构、分布式水资源集−储−用、基于“生态修复窗口期”协同修复技术;研发了井工开采损伤传导控制、含水层生态功能恢复、装配式楔形地下水库坝体构筑、沉陷区分时分区生态修复技术。建成蒙东矿区生态保护型露天开采示范工程,宝日希勒露天矿示范区植被盖度由开发前30%提高到59%,胜利露天矿示范区植被盖度由开发前5%提高到39%;建成神东井工生态保护型煤炭开采示范工程,植被盖度由开发前不足10%提高到70%。研究成果为生态保护型煤炭开采提供了科技支撑,具有广泛的应用和推广价值。

特厚煤层大断面煤巷围岩稳定及其控制研究

为解决特厚煤层大断面煤巷变形剧烈、难支护等问题,通过运用FLAC3D数值模拟软件研究了顶煤厚度、巷道宽度对围岩稳定的影响,并根据围岩变形破坏特征提出了"两级支护结构体"控制系统——"大、小锚杆"协同控制体系;通过建立巷道顶板力学模型对围岩稳定进行了分析。现场试验结果表明:采用"两级支护结构体"控制技术,巷道顶底板相对移近量最大112mm,两帮相对移近量最大87mm,巷道围岩控制效果好。

特厚煤层采动影响巷道控制技术研究

基于现场调研,总结并分析了特厚煤层采动影响巷道围岩变形破坏特征及其原因,采用数值模拟方法研究了不同支护方案下围岩应力及位移的变化规律。结果表明巷道断面大、顶煤较厚、煤体裂隙比较发育、受相邻工作面的采动影响是导致回风平巷围岩发生变形破坏的原因;针对巷道围岩控制难点,提出采用加长锚杆与桁架锚索联合支护控制体系;现场采用优化后的支护方案,观测得到最大顶底板移近量193 mm,最大两帮移近量182 mm,巷道围岩控制效果良好。研究成果有助于实现煤炭的安全高效开采,同时也为相似地质条件巷道围岩控制提供了参考。

巷道围岩稳定性评价及应用

为预测巷道围岩稳定性,进一步优化5201运输平巷支护方案,通过建立模糊综合评判的数学模型,选择巷道顶板强度,煤层强度,底板强度,岩体完整性指数,巷道埋藏深度,本区段采动影响和相邻区段采动影响7个因素作为围岩分类指标,求解模糊综合判别矩阵,确定围岩指标权重和围岩的隶属程度。结果表明:5201运输平巷对5种类别围岩的隶属程度分别为0.1846,0.2117,0.1866,0.1776,0.2394,其中Ⅴ类围岩的隶属程度最大,得出5201运输平巷为Ⅴ类极不稳定围岩;采用优化后的支护方案,经过矿压观测得到两帮最大移近量为220 mm,顶、底板最大移近量203 mm,围岩控制效果显著。

浅埋高强度开采覆岩结构演化及地表损伤研究

为掌握浅埋高强度开采覆岩结构演化规律及不同开采条件下地表损伤规律与损伤机理,采用数值模拟、现场实测、理论分析等手段以神东矿区典型工作面为工程背景开展研究。首先以采空区峰值应力为指标分析了覆岩结构演化规律;其次探究了地表下沉系数和宽深比之间的关系;最后在实测地表裂缝发育特点的基础上开展了工作面中部地表裂缝发育机理研究。结果表明:①工作面从开切眼至超充分开采状态时上覆岩层大体经历了3个阶段,第Ⅰ阶段:无压力拱阶段;第Ⅱ阶段:单压力拱阶段;第Ⅲ阶段:双压力拱阶段,其又分为Ⅲ1(采空区单拱脚阶段)和Ⅲ2(采空区双拱脚阶段)2个阶段。②宽深比在0.4~2.0的14个方案研究得出的地表下沉系数和宽深比近似成抛物线关系,选取神东矿区7个工作面的下沉系数实测值和预测值进行对比验证,误差分别为7.6%,14.5%,4.4%,7.5%,9.7%,9.7%,15.3%,其中5个工作面的误差在10%以内,且误差整体较小。③工作面中部地表裂缝动态发育具有“双周期+稳定期”的特点,包括5个发育阶段,即裂缝宽度增大阶段、裂缝宽度减小阶段、裂缝宽度稳定阶段、裂缝宽度再增大阶段、裂缝宽度再减小阶段,通过演化模型阐释了工作面中部裂缝的动态发育机理,并建立了裂缝动态发育和地质采矿条件的关系模型。

神东矿区多煤层开采覆岩破坏及导水裂隙带高度特征研究

掌握煤层开采覆岩破坏规律及导水裂隙带演化特征,是对其进行源头减损设计及采后分区差异化地表生态修复的前提。以神东石圪台矿典型工作面为工程背景,采用自主研发的模拟试验平台开展多煤层开采覆岩破坏及其自修复特征研究,并揭示了导水裂隙带高度与工作面宽深比、深厚比的关系,得到了导水裂隙带高度的预测公式。研究结果表明:上层2-2煤开采时,覆岩破坏特征与单一煤层开采时相似;下层3-1煤开采时,由于煤层相对较厚,两煤层间的岩层破坏严重,裂隙发育,且引起2-2煤覆岩发生二次扰动破坏,裂隙进一步发育;两煤层间以及采区边界的岩层裂隙自修复程度较低,自修复难度较大。导水裂隙带高度随宽深比的增大总体呈降低趋势,随深厚比的增大总体呈上升趋势,并与实测数据进行对比验证。

特厚煤层综放工作面液压支架回撤工艺研究

为了解决8107综放工作面液压支架回撤难题,塔山矿国内首台引进大型液压支架回撤吊车,完成支架的安全快速综合机械化回撤工序,简化了设备回撤系统,消除了传统回撤工艺中的因钢丝绳断绳和跳绳引发的事故和事故隐患等不安全因素,与无轨胶轮辅助运输车配合使用,实现了工作面全部支架的机械化回撤。同时采用双掩护支架与支架吊车配合有效控制采空区侧顶板,方木使用量减少60%,撤架人工减少2/3;8107综放工作面共撤支架121架,总工时8 d,较以前缩短了50%,提高了支架回撤的效率。

顶板淋水对巷道围岩变形破坏的影响及防治

基于某矿8203工作面5203回风平巷受顶板淋水的影响,致使顶板发生垮落,围岩变形破坏严重,难以实现该巷道的维护。运用理论分析、数值模拟和现场监测等方法,研究分析了巷道顶板在淋水条件下的围岩力学性质、塑性区扩展、巷道围岩应力和位移的变化规律。结果表明,顶板淋水会使围岩强度降低,变形量增加,顶板支护越困难。针对以上支护难题,提出了锚网索联合支护-新型防水锚固剂-注浆法等支护手段,并成功应用于5203回风平巷的维护。

浅埋深薄基岩大采高综采工作面开切眼支护技术

为了解决浅埋深薄基岩大采高综采面开切眼支护参数不合理,支护系统效能不足的问题,以红柳林矿25206工作面开切眼为工程背景,采用现场监测、数值模拟、理论分析、现场实践等手段对开切眼支护系统进行研究。研究表明:开切眼原支护参数能够较好控制围岩变形,但存在支护强度过高,锚杆(索)未能达到其额定支护阻力的问题;基于锚杆(索)协同支护方法,建立锚杆基础支护,锚索补强支护协同支护系统,计算合理支护参数,并利用数值分析进行锚杆和锚索方案的合理性和可靠性验证,确定在预紧力取50 kN时,顶板锚杆长度2.6 m,间排距1200 mm×1200 mm,帮锚杆长度2.2 m,间排距1200 mm×1200 mm,锚索直径17.8 mm,长度6.0 m,能够较好控制巷道围岩变形;优化支护方案后,顶部锚杆最大支护阻力稳定值78 kN,帮部锚杆为65 k N,顶部锚索为118 k N,锚杆(索)支护阻力显著提升,支护效能明显提高。通过矿井支护优化研究,形成了一套较完善的支护体系。

基于“空天地”一体化技术的岩层采动损伤监测与应用

矿区采动损伤监测是研究地表移动变形规律、开采损害预警、减损设计的重要依据。由于西部特殊开采地质条件、生态损伤累积效应和传统开采沉陷监测技术在观测精度、数据处理、成本投入和监测效率等方面的缺陷,从煤炭开采全生命周期角度出发,提出采动损伤科学内涵并构建矿区“空天地”一体化监测技术体系。以神东矿区上湾煤矿12401工作面为研究背景,利用BDS+GPS进行控制测量,为地表形变监测提供高精度空间三维坐标;基于InSAR技术探究地表沉降量和形变速率的时空演化规律;采用无人机与现场实测方法厘清地裂缝发育规律与工作面推进速度、来压步距的对应关系;运用固定站式三维激光扫描精确获得地表下沉量;通过高密度电法和探地雷达揭示地下深层隐伏裂缝的发育趋势与部分岩层的离层现象。研究成果发现开采后地表存在抬升现象,在抬升与下沉交界处容易形成地裂缝。中部动态裂缝宽度变化存在“单峰裂隙”与“双峰裂隙”演化规律,前峰裂缝宽度约为后峰的1.5倍,前后峰值间隔10 d左右。通过InSAR精细观测区、GNSS控制点与三维激光扫描结果进行多源数据融合,得到工作面地表沉降云图和采动损伤数据信息,厘清基本顶周期来压、主关键层破断与地表主裂缝的周期性传导关系。

大断面煤巷快速掘进工艺及参数优化研究

以神东煤炭集团石圪台煤矿31203主辅运输平巷的具体生产地质条件为研究背景,采用理论分析与数值模拟等研究手段,对大断面煤巷一次成巷快速掘进的巷道锚杆、锚索支护参数进行了优化设计,并给出最终支护方案。对双巷快速掘进工艺,如优化主辅回撤通道、斜联络巷、多工序平行交叉作业等工艺进行了阐述。生产实践表明,双巷快速掘进工艺可达到大断面煤巷月进尺1800m、单日进尺80.3m的先进水平。

厚煤层综放开采富水覆岩采动裂隙动态模拟研究

以陕西省旬耀矿区水文地质资料为基础,通过相似模拟试验研究了综放开采上覆岩层的运移、周期破断及裂隙扩展规律。结果表明关键层的破断对覆岩裂隙向上发育起决定作用,在其破断前一定时期内裂隙发育保持相对稳定;随着工作面的推进,裂隙发育是动态发展的,采动导水裂隙的演化可分为发展期、贯通期和压实闭合期3个阶段;导水裂隙带高度扩展到了直罗组上部岩层,并未发育到洛河组砂岩含水层,覆岩破坏高度最大为78.7 m,约为采高的9倍。

洛河组砂岩含水层下大采高工作面导水断裂带演化规律

针对旬耀矿区厚煤层大采高工作面上覆洛河组砂岩含水层下的安全采煤问题,采用理论分析、相似材料试验和数值模拟研究了某矿1109大采高工作面覆岩破断及裂隙演化规律。研究表明:上覆岩层经历了直接顶破断、基本顶初次破断与周期破断、亚关键层初次破断与周期破断5个阶段,破断发生引起工作面煤壁上方裂隙密度和开度发生跃变,采空区覆岩裂隙经历孕育、产生、张开、闭合、压实5个动态阶段;从开切眼到充分采动过程中,在裂隙带的上部、工作面煤壁上方及开切眼上方裂隙较为发育,裂隙区近似"抛物线"状,采空区中部覆岩裂隙闭合而边界处裂隙不易闭合;工作面充分采动后,导水断裂带发育高度82~85 m,未导通上覆洛河组砂岩。

基于Hoek-Brown准则的薄基岩厚松散层覆岩变形破坏特征研究

基于Hoek-Brown准则,以实验数据为基础确定了乌兰木伦矿的岩体力学参数,并运用FLAC3D研究了煤层开采引起的覆岩破坏特征。结果表明:①在浅埋深条件下覆岩破坏直至地表,地表形成偏态下沉盆地,最大下沉值2.1 m,下沉系数0.6。②在开采区域四周边界一定范围内分别形成应力降低区和应力增高区,呈现“外紧内松”状态,在工作面煤壁前方垂直应力集中程度最高,应力集中系数为2.2,在工作面煤壁上方和开切眼上方均存在“压力拱”,但两者的跨度、拱脚区域大小及应力集中程度不同。③乌兰木伦矿12403工作面垮落带高度为18.9 m,导水裂隙带高度为62.5 m。

煤层开采上覆岩层损伤破断特征研究

科学认知煤层采后上覆岩层损伤破断特征是厘清覆岩井上下一体化联动规律及地表非连续变形的前提和基础。采用理论分析、相似模拟等手段并考虑分步开采引起的岩层损伤积累效应,开展上覆岩层损伤破断特征研究。结果表明,煤层上覆低位岩层因分步开采损伤积累效应,岩层悬空部分端部和中部的最大损伤点在推进方向上滞后最大拉应力点的距离分别约为0.3NL0和0.1NL0,低位岩层的初次破断将整体表现为偏“O-X”破断,通过自主研发的三维相似模拟试验平台进行了试验验证。煤层上覆岩层的首次分步暴露均会产生损伤积累效应,从而导致其发生非对称破坏,地表出现偏态下沉是上覆各岩层非对称破断共同叠加的结果。

工程教育专业认证背景下应用型为主的采矿工程毕业设计创新

基于工程教育专业认证标准,结合工程类应用型高校办学特色,针对传统采矿工程专业毕业设计的不足,从认证的内容和要求出发,对毕业设计进行创新性研究与规划,突出其工程性。提出设计环节及时间前移、创立多元化指导团队、设置多维度过程监管模式、创新答辩环节等新途径。实现毕业设计质量工程化,优化应用型人才培养的顶层设计。

特厚煤层大采高综放工作面重型设备综迁工艺

塔山矿为了实现工作面设备的安全、快速、高效搬迁,优化搬迁工艺,将国内首台大型液压支架回撤吊车与无轨胶轮搬运车配套使用,代替回柱绞车等传统设备,实现工作面的综合机械化搬迁。该工艺简化了搬迁设备运行系统,消除了传统搬迁工艺中钢丝绳断绳、跳绳引发的事故及隐患。搬迁历时20 d,较以前时间缩短50%,极大地提高了设备搬迁效率。

基于未来采矿行业能力导向的创新应用型人才培养路径研究——以山西大同大学为例

围绕培养创新应用型人才目标,科学构建以未来采矿行业能力为导向的人才培养新模式。通过论证未来采矿发展方向,细化未来采矿人才必备素养和行业技能。通过人才培养方案改革、实践教学体系建设、校企深度合作以及多元毕业设计创新等有效手段改造升级传统专业。培养既具有超前意识、专业知识,又具备丰富实践经验的行业亟须的复合型人才。

采矿工程专业国际化人才培养模式探索

随着全球化经济的快速发展,国际化复合型采矿工程专业人才需求剧增,未来采矿行业人才知识结构体系需不断完善。通过分析采矿工程专业国际化人才培养特点及要求,首先提出了要准确定位国际化采矿人才的培养目标,然后通过重新修订采矿人才培养课程体系,推动采矿工程专业国际化人才培养,使人才培养方向与社会、企业需求相适应。

淋水软弱巷道注浆加固扩散机理与参数优化的研究

为了研究淋水软弱巷道注浆加固与封堵围岩过程中浆液渗透扩散机理并优化注浆参数,采用流固耦合数值分析方法探索浆液在岩体中的运动扩散规律,并给出合理注浆压力、时间与浆液水灰比;基于弹塑性与渗流理论分析水渗透压作用下注浆加固半径与塑性区大小关系,确定合理注浆深度。研究结果表明:高水黏度时变特性浆液在岩体中的扩散范围随着压力、水灰比和注浆时间增加而增大,针对石碣峪矿井地质生产条件,合理注浆压力为2.5 MPa,水灰比为2∶1,注浆时间约为30 min;随注浆半径增大塑性区半径减小,但减幅变小,得出合理注浆半径约为10.29 m;在注浆半径5.5 m、渗流压力0.5 MPa下,巷道围岩塑性区半径为2.84 m,大于无渗流塑性区半径2.10 m;在深孔锚索注浆治理淋水软弱巷道中采用优化后的注浆参数,取得了良好的效果。