架间底板拖管充填采空区浆液流动特性试验研究

为解决矿山充填与煤炭开采之间时空干涉难题,实现矿井安全、高效充填开采。结合李家壕矿井生产系统和开采条件,提出采空区架间底板拖管非胶结膏体充填技术。为确保该技术可行及充填参数的有据可依,遂建立非胶结膏体架间底板拖管充填采空区物理模型,以矸石和粉煤灰为骨料制备非胶结膏体充填材料,分析最大粒径和质量浓度对浆液采空区内流动特性的交互影响。研究结果表明:①浆液充填量主要受矸石粒度的影响,质量浓度主要影响浆液在采空区内的扩散速度;②随着浆液充填量的增加,采空区内的空隙逐渐趋于饱和,且渗透方式呈现出以管口为球心的半球形扩散分布;③模拟试验揭示了浆液中矸石颗粒在采空区流动扩散阻塞机理;④沿管道走向依次剖开断面,浆液中矸石级配和质量浓度有明显的分选性。

基于临时支护新装置的工序优化与支护性能分析

针对掘进工作面存在的掘支平行作业难、用时比重失调问题,为实现平行作业、快速支护,设计了新的临时支护装置,具有尺寸可调、快速响应、及时支护的特点。采用理论分析加数值模拟的方法进行研究;介绍了装置的结构设计;以新巨龙煤矿综掘施工技术为例进行工艺优化,从理论上提出一种分区平行作业的施工技术;通过顶板两端简支岩梁力学模型,展开装置临时支护作用机理分析;并对装置的支护性能进行结构静力学分析。结果表明:在巷道顶板松动范围0~3.30 m时,装置支护所需承受的载荷为158.40 kN;仿真得到最大等效应力为57.37 MPa,在装置顶梁下端与耳座位置交接处,最大位移量出现在中间梁上端中部,为0.30 mm,装置的结构设计能满足支护要求。此研究可为实现快速掘进的平行作业,高效支护和安全生产,提供有益参考。

易弹射煤体力学特性及能量演化机制

通过开展不同主应力条件下真三轴加卸载试验,研究不同加卸载路径下易弹射煤体的力学特性、破坏特征及能量演化规律,揭示开挖卸荷易弹射巷道围岩弹射机制。研究表明:易弹射煤样在高应力单面卸荷比加载破坏更剧烈,当轴压为峰值的90%时卸荷,易弹射煤样表面出现一条大剪切裂缝,轴向应变率高,其自身破坏程度大,弹射现象明显;当轴压为峰值的80%,70%时卸荷,煤样未发生整体宏观破坏,轴向应变率低,自身的破坏程度小,仅在临空面产生张拉裂纹,弹射现象不明显;随着第二主应力的增大,在一定范围内对易弹射煤样有补强的作用,易弹射煤样内部复合型裂纹先增加后减小,破坏形态由剪切破坏转变为张拉–剪切复合破坏,最后发展为劈裂破坏,弹射剧烈程度呈现出先增加后减小的现象;高应力卸荷破坏过程中,弹性能转化为耗散能瞬间释放,耗散能占比急剧增大,抛离母体的碎块携带能量弹射出去,临空面出现明显的交叉网格裂缝,弹射现象明显;高应力易弹射煤样卸荷后张拉–剪切裂纹迅速扩展贯通,发生张拉–剪切复合破坏,弹射现象显著;卸荷后,易弹射煤样出现张拉–剪切裂纹,RA急剧值增高,AF值持续降低,AE呈现高能、高计、高幅、高频特征。研究结果可为类似地下工程开挖围卸荷岩微冲击现象控制提供借鉴。

基于RSM的煤矸石充填材料配比优化及多因素耦合分析

针对正交试验法对配比设计中多种影响因素耦合的非适用性,应用响应面法(RSM)探究粉煤灰(X1)、水泥掺量(X2)及料浆质量浓度(X3)多因素耦合作用对充填体强度形成过程中的影响规律。研究了3种因素对不同养护龄期充填体强度的影响,随后建立以不同龄期充填体抗压强度作为响应目标的二次多项式强度回归模型,结合方差分析和响应曲面检验各因素对充填体抗压强度的影响程度及显著性,以此优化充填材料配比。结果表明,充填体抗压强度不仅受到单因素影响,而且还受到3种因素耦合作用的影响;单一因素对充填体强度影响的显著性次序为水泥>料浆质量浓度>粉煤灰;多因素耦合作用对充填体强度影响的显著性次序为粉煤灰与水泥>粉煤灰与料浆质量浓度>水泥与料浆质量浓度;结合试验结果及方差分析优选出一组配合比,其强度满足一般充填体强度设计要求。

断层切割孤立煤体应力动态特征及协同卸压技术

为了研究由断层切割形成的孤立煤体应力特征,防止孤立煤体应力集中区域在工作面回采期间发生冲击危险;以新巨龙煤矿6305工作面为例,建立了孤立煤体受力估算模型,得到冲击危险性指数Ic;提出了针对孤立煤体区域两侧巷道实施的“大直径钻孔卸压+爆破切顶卸压”协同卸压技术,并通过FLAC^(3D)模拟协同卸压前后孤立煤体应力动态特征。结果表明:冲击危险性指数I_(c)=2.6>1.5,即孤立煤体平均支承压力超过临界冲击阈值易发生冲击;卸压前过F_(311)断层后XF_(2)断层处回采帮采动应力突增7.85 MPa,冲击危险程度升高;卸压后孤立煤体突出部位回采帮应力平均降低25.3%,非回采帮应力平均降低12.5%,卸压区域无大能量微震事件发生,钻屑量正常,卸压效果良好。

巷道围岩深孔反向分级注浆工艺研究

以安徽某矿为试验矿井,针对现有分级注浆工艺及该矿使用深浅孔注浆工艺存在问题,提出一种深孔反向分级注浆工艺;通过数值模拟方法,对比了反向分级注浆工艺与深浅孔注浆工艺的注浆效果,结果表明:反向分级注浆工艺在浆液扩散、改善围岩应力等方面效果比深浅孔注浆工艺更好;研发了用于分隔深部与浅部浆液的分级隔离装置及第二级注浆的开启装置爆破阀,通过分级隔离装置的黏结强度测试、爆破阀的开启压力测试,选出了二者最佳配合使用方案;采用反向分级注浆工艺和深浅孔注浆工艺对其巷道围岩进行加固,并对注浆效果进行对比分析,结果表明:反向分级注浆工艺较深浅孔注浆工艺时间快了约43%,注浆压力提升了4 MPa,反向分级注浆工艺较深浅孔注浆工艺的注浆量增加了40%~60%。

微震监测揭示的C型采场空间结构及应力场

为研究开采强烈冲击倾向煤层解放层的卸压效果,采用微地震定位监测技术,对三面采空长壁工作面(解放层)的开采进行覆岩空间运动结构及应力场分布的监测。根据岩体在三维空间的破裂成像,揭示采场覆岩空间破裂与采动应力场的关系,得出以下结论:(1)工作面三侧采空区老顶上方的岩层形成C型空间结构,微震事件分布在C型结构的外侧,构成岩体破裂区,在C型结构的内侧为高应力区,并对高应力区域的转移及不同区域的应力状况进行了描述;(2)C型结构的最凹部在煤柱上方,煤柱最小时的支承压力分布为:在靠近上顺槽的区域,老顶以上的厚硬岩层已经发生断裂,形成卸压带;靠近下顺槽的区域,老顶以上的厚硬岩层未断裂,形成应力集中区。因此,通过监测确定被解放层的解放范围,对圈定的冲击危险区域预先采取防治措施,可实现安全开采。

关键层运动诱发矿震的微震探测初步研究

采用微地震定位监测技术对华丰煤矿关键层运动诱发矿震进行了研究.根据岩体在三维空间的破裂成像,得出:可以依据微震破裂事件的空间分布对关键层进行划分;开采6,4层煤均引起了主关键层砾岩的破裂,砾岩破裂位置的发展顺序在倾向上逐渐向实体煤扩展,在高度上先从下部开始;冲击地压显现地点不一定是矿震震源发生地点;统计观测的结果表明:部分砾岩断裂导致了矿震发生,大约50%的矿震是由于关键层的破裂引起的,只有个别矿震导致了冲击地压显现,说明了矿震与冲击地压的区别.展示了冲击地压产生原因的多样性及复杂性,提出了应根据不同的产生原因进行冲击地压防治的思路.

特厚煤层综放开采采空区侧向矿压特征及应用

以水帘洞煤矿3801特厚硬煤层综放工作面开采为工程背景,对采空区侧矿压显现进行了两次在线实时观测,结果如下:①得到了采空区巷道覆岩移动、支护体受力、侧向支承压力显现特征,揭示了工作面上端头采空区侧周期来压等于走向周期来压步距,建立了采空区侧向上位直接顶"岩-矸"结构(位于煤层上方16～24 m)、基本顶"岩-梁"结构的覆岩结构模型;②建立采空区巷道隔离墙受力模型,结合实验得到的矸石充填体"应力-应变"关系,计算得出采空区巷道隔离墙承载性能适应覆岩运动;③根据工作面上端头采空区侧周期来压超前于支护受力、侧向支承压力显现的时序关系,确定了覆岩运动对压力显现的主导作用。应用研究结果,优化3802运输巷与3801综放工作面煤柱宽度为8 m,较以往煤柱宽度减少22 m,已施工完毕的3802运输巷达到了预期效果,技术经济效益显著。

综放采场外错布置区段巷道减冲机理与关键技术

针对宽、窄、无煤柱区段巷道防冲存在的问题,提出了沿空巷道外错合理位态减冲设计方法。通过建立覆岩结构模型、底板梁-柱模型,结合现场实测等,分析"应力场特征-减冲"关系、"卸压保护空间尺度-减冲"关系,揭示了外错布置减冲机理。研究成果在华丰煤矿埋深超千米综放采场实施,确定了外错布置沿空区段巷道的合理位态,同步构建了兼顾顶板治理、支护结构减冲、易发火控制、高效掘进及开采、合理验证与预警的系统关键技术,解决了以往沿空巷道防冲难度大、变形大难以控制、难以实现无煤柱开采等相关工程问题。

沿空巷旁分层充填留巷试验研究

煤矿目前在高地应力或覆岩运动剧烈的条件下,采用巷旁充填留巷方式有2点不足:刚性材料充填易造成墙体应力集中,使充填体被压裂乃至失效,裂隙发育使采空区与巷道连通引起火灾或CH4,CO等有毒有害气体泄漏;柔性材料充填易造成巷内顶板下沉过大乃至发生冒顶。为此,在华恒煤矿11508运输巷留巷时进行改进。首先建立沿空留巷巷旁侧向覆岩结构模型,计算充填体可缩量,制定巷旁分层充填留巷方案:即巷旁支护体采用2种强度等级的材料充填,上分层材料起密封作用,适应覆岩运动产生的冲击载荷,下分层材料起支护作用。通过建立力学模型计算得出下分层材料必需的支承强度,通过结构模型确定各自充填厚度。现场试验达到了预期效果。

冲击倾向综采面极近距离跨大巷和过老巷技术

为了防止冲击地压发生造成所跨巷道大面积破坏,实现该综采面极近距离(0.4~9 m)跨大巷和过老巷开采安全,在分析跨大巷和过老巷围岩支承压力分布特点基础上,提出:1)应根据受力阶段采取支护对策,对所跨大巷和过老巷进行加固设计;2)采取煤层预注水,并提出了注水参数,防范冲击地压发生;3)开采期间进行电磁辐射监测,对冲击地压危险区域采取爆破解危措施.结果表明,研究实施的深井冲击倾向工作面极近距离跨采围岩控制技术和过老巷处理技术,取得了预期效果.

基于电磁辐射监测特厚煤层综放开采过程中煤岩动力灾害预测

目前缺乏针对特厚煤层工作面开采的电磁辐射特征研究。本文利用电磁辐射技术对彬县水帘洞煤矿特厚煤层综掘面和综放面动力灾害倾向进行了监测,得到特厚煤层电磁辐射强度和脉冲数特征。监测结果表明:(1)掘进工作面正常掘进时,强度和脉冲数都较小,强度在15mv以下,脉冲数基本为0;掘进至背斜构造时,强度增大、波动性较大,有弱动力灾害倾向;(2)综放面强度和脉冲数均较大,正常回采时强度在100mv以下,脉冲数在(6-10)×104范围内波动;周期来压时强度最大、脉冲数最小,强度最大到190mv,脉冲数最小值仅418次,有弱动力灾害倾向,现场采取的顶煤预裂有助于消除煤岩动力灾害发生可能性。电磁辐射变化特征对预测特厚煤层采掘过程中煤岩动力灾害倾向有参考价值。

基于电磁辐射监测防止钻孔诱发冲击地压的研究

利用电磁辐射技术监测冲击地压发生的危险时刻,避免在此时钻孔,在应力发生变化后再进行钻孔,可有效地防止诱发冲击地压。

深井软岩大断面硐室的设计与应用

该文介绍了协庄煤矿在-850皮带井机头硐室施工中,采用高马蹄形断面和锚网喷二次支护技术及锚索补强措施,同步进行矿压观测表明,支护效果良好,为解决深部软岩内布置大断面硐室围岩变形大,稳定性差,巷道难以维护的问题提供了一条新路。

老矿区可持续发展的开采技术研究

本文完善了矿区分类,针对老矿区可持续发展模式的开采技术进行研究,揭示了老矿区可持续发展的主要制约因素,创新发明了薄煤层沿空留巷的碎矸护巷新方法,实现了薄煤层采掘工作面的矸石不升井。

特厚易发火煤层沿空巷道顶板离层分析及控制技术

特厚易发火煤层沿空巷道变形严重、覆岩裂隙和离层发育范围广,易与采空区进行气体交流,同时大大降低顶板的承载能力,影响巷道安全使用,故对巷道顶板离层机理的研究十分必要。以彬县水帘洞矿3802工作面沿空巷道为工程背景,通过直接顶的特性和岩层质量指数建立特厚煤层沿空巷道覆岩结构模型,依据离层机理的不同将顶板离层分为上部结构区、中部稳定区和下部离层区,并分别阐释其离层特征及控制思路;在上述基础上,提出离层控制方案;通过FLAC3D数值软件验证方案中锚杆(索)各项参数的合理性;最后监测结果表明支护方案设计合理,离层效果控制明显,工程实践证明了研究结果的可行性。

采矿工程专业学生地下开采空间概念培养研究

对煤矿采矿工程专业学生培养方式存在的不足进行了分析。介绍了一套培养模式:促进学校、学院(系)、教师、学生、煤矿形成五位一体的合力作用;改进实验课、理论课、实习三大教学方式相结合的矿井空间概念的各环节。改进的着力点主要从存在问题的实习、实验环节入手。由此开展实验室、实习基地和产学研基地的建设,改进现场实习培养方法,完善教学方法和培养模式,使学生培养更贴近现场实际。

《非煤矿床地下开采》课程教学刍议

分析了《非煤矿床地下开采》课程教学存在问题,给出了课堂比较教学法实施方案;确定了预期能够显著提高教学效果的模型教学建设内容;针对教学、实验、实践三位一体的教学课程体系,认为应以实验、实践教学为主,理论教学为辅;探讨了过程控制的方法。

煤矿冲击地压的微地震监测研究

为了研究煤矿冲击地压与岩层在三维空间破裂之间的关系,进而探索依据岩层破裂规律预测和预报冲击地压的可能性,文中采用自行研制的防爆型微地震定位监测(MS)系统,基于定位原理,监测了山东华丰煤矿冲击地压煤层(四层煤)及其解放层(六层煤)开采过程中的岩层破裂过程和二次应力场分布变化的过程,得到了如下结论:冲击地压的发生与岩层破裂密切相关,四层煤下顺槽处于六层煤顶板破裂区的外边缘时,正处于高应力区内,在此处掘进容易引发冲击地压,必须将六层煤下顺槽位置向实体煤侧移动20 m以上,或将四层煤下顺槽位置内移20 m以上,才能消除四层煤的冲击地压;六层煤和四层煤开采时,工作面前方断层活化的距离分别为250 m和350 m左右,根据这一距离,及时对断层带进行卸压处理,可以消除由断层带引发的冲击地压;监测显示了工作面周围岩层的三维破裂形态和范围,为矿井确定防水煤柱的高度提供了可靠的依据;监测证明了厚层砾岩的破裂、断层活化、采场附近关键层的破裂是引起冲击地压的主要原因,证明了所研制的硬件和定位软件具有较高的精度和实用性,可以在煤矿和边坡、隧道等领域应用.