大空间采场远近场坚硬顶板井上下控制理论及技术体系

坚硬顶板特厚煤层开采采场空间大,矿压作用复杂,致使采场强矿压作用机理不清,并缺乏针对不同层位坚硬顶板的多点控制技术体系,必须在更大采场空间范围内研究坚硬顶板控制的新理论和新技术体系。笔者团队经过近15 a的产学研攻关,形成了大空间采场远近场坚硬顶板井上下控制理论及技术体系:针对岩层控制研究涉及空间不足,提出了大空间采场概念;基于顶板破断特征及矿压作用规律,定义了远场和近场坚硬顶板;兼顾采空区矸石压缩及覆岩块体的协调运动,建立了大空间采场远场坚硬顶板破断结构力学模型,揭示了远场坚硬顶板破断失稳的强矿压控制机理;基于弹性薄板理论,构建不同切顶工艺、9种组合边界条件下的近场坚硬顶板初次和周期破断力学模型,揭示了近场坚硬顶板定向造缝采场卸压机理;综合工作面参数、近场矿压作用等基础指标,以及临空开采、双系影响等强化条件,建立了强矿压分级预测评价体系,给出了4个不同级别矿压显现程度的量化指标及对应的控制技术;研发了坚硬顶板地面水平井体积压裂技术、地面垂直井分级压裂技术,发明了远场坚硬顶板裂缝扩展监测技术,有效解决了远场坚硬顶板强矿压难题;首创了坚硬顶板复合爆破定向精准造缝技术,开发了坚硬顶板液体炸药深孔爆破技术,发明了坚硬顶板链臂锯连续精准切割技术,实现了对近场坚硬顶板垮落形态及破断特征的精准控制;提出了坚硬顶板地面压裂+X的协同控制技术,实现了对远近场坚硬顶板的多点协同调控。基于以上研究成果,在塔山煤矿8204特厚煤层综放面开展了地面水平体积压裂+液体炸药深孔爆破协同控制现场试验,结果表明,在进入压裂爆破协同控制区域后,临空回采巷道顶底板及两帮移近量均小于388 mm;工作面中部支架最大阻力达到13295 kN,小于支架额定工作阻力15000 kN,工作面及回采巷道强矿压得到了有效控制。

特厚煤层开采坚硬顶板覆岩结构及其演化特征分析

特厚煤层开采形成了大空间采场,坚硬顶板断裂扰动波及范围广,工作面来压具有强矿压特征,尤其当煤层顶板“见方”开采期间,采场矿压作用更加强烈。据此,采用现场实测和物理三维相似模拟方法,探讨了特厚煤层开采覆岩扰动高度及坚硬顶板断裂特征。首先基于现场实测研究分析了覆岩破断失稳规律,实测结果表明,特厚煤层开采过程中,煤层顶板存在超前断裂现象。伴随工作面的推进,顶板初始运动主要是围绕断裂线近区基点旋转下沉,滞后工作面一定距离;地表岩移观测结果表明,特厚煤层顶板分层构成顶板群组并产生组合运动,具有层位运动特点,且伴随工作面推进,层位顶板运动存在阶跃现象。基于地表裂缝形态及钻孔多点岩移观测反演,揭示了特厚煤层开采过程中的顶板断裂及运动特征,认为特厚煤层开采覆岩扰动高度大,坚硬顶板断裂具有转向特征,伴随煤层开采推进,由低位顶板层位的横向“O-X”断裂逐渐向高位硬岩的纵向“O-X”断裂转向;特厚煤层坚硬顶板开始发生断裂转向的临界位置即所谓的煤层开采“见方”区,合理解释了工作面开采的“见方”来压现象;高位顶板纵向断裂尺寸大,扰动影响范围广,是诱发采场强矿压的主要因素,确定了特厚煤层采后覆岩“低-中-高”层位结构的合理性,为大空间采场大小周期及强矿压显现的准确解释提供了依据。

急倾斜煤层工作面下端头区巷旁充填技术研究

采用理论分析与实践、实测相结合的方法,对急倾斜煤层工作面下端头区沿空留巷技术理论及系统工艺问题进行探讨,弄清了充填体受力的影响因素,提出了急倾斜煤层巷旁充填工艺系统。研究表明,急倾斜煤层巷旁充填体承载受采空区矸石有效充填长度、煤层赋存倾角、充填体筑设宽度以及煤岩赋存厚度的影响,受顶底板锚索安设的影响较小;单轴压缩条件下矸石碎块的承载变形规律呈阶段特征,且每一阶段内的应力-应变近似呈线性关系;充填体的承载与变形随着距离工作面位置的不同具有阶段特征,距离工作面煤壁越远,充填体承载变形率越小;以七台河新强煤矿生产实际为背景,现场实践证明,急倾斜煤层矸石混凝土充填工艺系统实施方便、操作简单,沿空留巷整体效果较为明显。

基于煤岩深孔爆破问题的液体炸药研发与技术

针对煤岩深孔爆破技术工艺问题,以及炸药爆炸瞬间威力高,但致裂围岩范围有限,破岩"后劲"不足的缺陷,提出了一种液体炸药深孔爆炸压裂技术。基于液体炸药优越的流动性及小临界直径起爆特点,以三级煤矿许用型水胶炸药配方为基底,通过除去炸药组分中的胶凝剂与交联剂,改变硝酸甲胺、硝酸铵、硝酸钠等成分比例,研发了一种煤矿用水胶液体炸药配方,药液性能稳定、感度低,具有良好的流动物理形态,解决了岩体大角度深孔装药难题,为岩体单孔重复爆破提供了条件。研究表明,煤矿用液体炸药析晶点温度控制在15.0~16.9℃,适应煤矿井下温度环境;采取亚硝酸钠化学发泡方式调节液体炸药密度为1.2 g/cm^(3),实测炸药平均爆速为3 852 m/s,基于此分析得到的炸药爆炸力学性能达到了煤矿安全炸药标准。以大同煤矿集团云冈矿新408轨道巷坚硬顶板深孔爆破测试为背景,实测得到的液体炸药性能稳定,能用导爆索可靠起爆;深孔爆破测试液体炸药、水胶炸药、乳化炸药的爆炸威力相当,坚硬顶板深孔致裂效果一致,满足煤矿安全炸药性能要求;液体炸药配合爆破聚能管使用,流动的药液能与聚能管真正实现耦合装药,使得爆炸冲击波在预定切缝方向精准碰撞,增强了硬岩在致裂方向的炸药能量利用率,取得了坚硬顶板大间距深孔定向爆破效果。

顾桥1311(1)工作面系统大巷高应力阻隔切顶护巷工艺及工程实践

覆岩平面切顶能起到较好的高应力阻隔效果,鉴于顾桥煤矿1311(1)工作面停采线近区的系统大巷变形较大,确定在工作面停采线前方的联巷内开展爆破切顶作业,阻隔覆岩分层支承压力传载路径,降低被保护系统大巷围岩应力集中程度。结合理论计算、现场实测与数值模拟,将顶板致裂目标层位高度确定为40 m,采用煤矿高性能重型药柱配合注浆封孔工艺,实现了深孔爆破快速装药及高效封孔;空孔导向作用下,平面切顶效果显著,装药孔爆破单边裂缝扩展长度至少在2 m;被保护大巷顶底板与两帮移近量分别控制在110 mm、70 mm内,证明爆破切顶起到了良好的应力阻隔作用。

朱庄煤矿Ⅲ635工作面切顶留巷防风堵漏技术研究

工作面沿空留巷作业条件下,沿空巷道采空侧顶板垮落,冒落矸石自然堆积,具有一定碎胀特性,形成了矸石墙体,孔隙率较高,采空区漏风问题比较突出。结合沿空巷道不同区段范围的受力变形及支护特点,以朱庄煤矿Ⅲ635工作面切顶留巷防风堵漏为背景,在留巷临时支护区及成巷稳定区内分别设计并开展了柔固耦合以及顶底板锚注墙体堵漏工程实践,提高巷道支护强度的同时,取得了较好的沿空巷道采空区密闭效果。

临涣煤矿9136工作面砂质顶板巷道支护技术

临涣煤矿9136工作面覆岩以砂质岩性赋存为主,针对工作面回采巷道的顶板支护问题,采取了预应力锚杆索支护技术;基于弹性半无限体理论,建立了巷道顶板力学模型,分析了顶板分层应力分布特征,进行了巷道支护设计;通过充分发挥锚杆索的组合梁和悬吊作用,结合预应力锚杆索的强化支护原理,提高了巷道覆岩的稳定性,保证了巷道掘进期间的正常使用。

朱庄煤矿Ⅲ635工作面机巷沿空留巷补强支护分析

工作面沿空留巷顶板结构及矿压显现存在显著差异,对留巷补强支护提出了较高要求。结合朱庄煤矿Ⅲ635工作面机巷留巷补强支护背景,分析了工作面超前支护区和临时支护区的补强支护形式及支护强度,通过采取“垛式支架+单体支柱+恒阻锚索”的组合支护形式,满足了留巷支护强度需求,巷道围岩变形得到了有效控制,确保了工作面沿空巷道的成功留设。

大同矿区双系煤层开采煤柱影响下的强矿压显现机理

针对大同矿区石炭系煤层8105工作面过上覆侏罗系煤层采空区留设煤柱时的强矿压显现特征，采用理论与现场实测分析相结合的方法，对侏罗系煤层采空区煤柱的应力影响规律与石炭系煤层顶板的垮裂带范围进行了分析，得到了双系煤层开采煤柱影响条件下工作面强矿压显现的“煤柱一覆岩运动”联合作用机理。研究表明：侏罗系煤层采空区留设煤柱的水平与垂直应力较高，达10．5～13．5MPa，应力集中区深度为40～70m，剪应力波及范围达180131；8105工作面顶板的垮裂带高度为150～170m；工作面过煤柱时的强矿压显现是由采空区煤柱与煤层顶板垮裂运动联合作用的结果。

多采空区下坚硬厚层破断顶板群结构的失稳规律

为弄清多采空区下坚硬顶板群结构的破断失稳对工作面矿压的影响,根据大同矿区多采空区坚硬厚层破断顶板群的赋存条件,采用理论分析、相似模拟实验和现场实测分析相结合的研究方法,对多采空区破断顶板群结构的失稳规律及其对工作面来压的影响进行了研究探讨。研究表明,多采空区下坚硬厚层破断顶板群结构的失稳具有一定的概率特征;采用威布尔多参数分布函数对破断顶板群结构的失稳形式具有很好的描述,并建立了近距离煤层群多采空区顶板群结构的失稳模型,确定了大同矿区坚硬顶板群结构的失稳参数,得到了侏罗系煤层群顶板结构的失稳率;通过对大同矿区永定庄煤矿15号煤层端头及中部位置矿压和支架阻力的实测分析表明,工作面上方破断顶板群结构的失稳率与工作面支架阻力大小具有相关性,验证了工作面坚硬厚层破断顶板的失稳规律。

大空间采场覆岩结构特征及其矿压作用机理

特厚煤层开采形成的采场空间大,覆岩扰动范围广,采场顶板来压具有明显的大小周期来压及强矿压显现特点。大空间采场覆岩扰动层位多、岩层间作用机制复杂,顶板破断块体间的作用力及方向多变,导致大空间采场覆岩结构理论分析存在较大难度。为从理论上揭示特厚煤层大空间采场覆岩结构特征及其矿压作用机理,在实测分析得到大空间采场覆岩结构特征基础上,基于能量变分原理建立了大空间采场覆岩结构力学模型,揭示了大空间采场覆岩结构的矿压作用机制;建立了大空间采场覆岩结构条件下的"煤体-支架"协同承载模型,得到了采场支架围岩的相互作用关系。研究表明,特厚煤层开采形成的大空间采场覆岩具有显著的"低-中-高"层位结构特征,是采场复杂矿压显现的直接诱因,"中-低"位顶板结构失稳形成采场大小周期来压,高位顶板结构的失稳联动是诱发大空间采场强矿压显现的主要因素;覆岩结构的失稳运动还受到采空区矸石支撑、顶板有效位能作用及高位顶板悬长等的制约,是采场来压强弱的重要影响因素;大空间采场条件下"煤体-支架"协同承载,所得理论研究成果与基于实测反演分析得到的支架围岩关系研究结论具有较好的一致性,验证了大空间采场覆岩结构理论的正确性。

三软煤层坚硬老顶深孔预裂爆破试验

深孔预裂爆破技术是巷道开展切顶卸压进行围岩灾害控制的重要手段,爆破参数的合理设计对于取得良好的预裂效果至关重要,以桑树坪二号井3309工作面运输平巷坚硬老顶为研究对象,基于对老顶深孔预裂爆破机制理论研究,通过经验公式计算求解,结合现场深孔爆破试验及爆后孔壁窥视结果分析,最终通过一系列试验确定爆破参数设计孔径为75 mm,深度为15 m,装药长度为2 m(质量6.8 kg),封孔长度为10 m,炮眼间距为0.6 m,单次循环爆破6个炮眼时,炸药爆破能量利用率更高,可在相邻空孔孔壁观察到明显的变形破坏、形成贯穿性裂隙等,预裂效果基本满足巷道顶板超前卸压工程实施需求。研究结果表明:顶板深孔预裂爆破裂隙区相互贯通时可取得最佳的预裂效果,试验中选取装药量越大,炮眼间距越小,导向空孔布置合理,则爆破预裂效果愈加明显。研究成果可为类似条件下坚硬老顶深孔预裂爆破技术研究提供参考依据。

自然和谐——法的价值的新思考

法律价值是舶来品，西人对法律公平等价值总结虽可放之四海皆准，然此人类中心式的思想成果忽视了对人与自然和谐相处的价值准则的总结。提取中国“天人合一”思想合理内核，营造现代中国法律自然和谐的价值取向，对中国未来发展甚为重要。

采场顶板活动对顶板涌水影响规律研究

采用理论分析和现场实测相结合的方法,分析了工作面顶板涌水与顶板活动规律的相关关系,研究结果表明:采场顶板破断运动已波及上部含水层,工作面涌水水源主要为顶板砂岩裂隙水;顶板砂岩水的涌出量随工作面推进具有周期性的波动变化规律,与顶板的破断失稳规律具有很好的一致性,顶板的破断失稳运动造成覆岩水的流动与突变,顶板水涌出量与顶板富水性的强弱有关。根据顶板的富水性强弱和顶板的破断失稳规律,可进行顶板水涌出的预测和控制。

西川煤矿厚煤层综放开采顶板破断特征及支护阻力确定

以西川煤矿1109综放工作面生产技术条件为工程背景,采用数值模拟、理论分析与现场实测相结合,研究了综放开采顶板破断特征及其影响因素以及工作面支护阻力的确定。研究表明,1109综放工作面上位直接顶的周期性破断导致工作面来压,影响其周期性破断的主要因素为上位直接顶岩层厚度以及覆岩压力;工作面支护阻力主要由上位直接顶周期垮落步距、支架控顶距、附加力作用位置以及下位直接顶对上位直接顶作用力距煤壁距离确定,并计算得出了1109工作面合理的支护阻力。现场实测表明:ZF6400/17/32型液压支架工作阻力满足顶板支护要求,能够有效支撑顶板,保证工作面安全生产。

仰斜综放开采煤层仰角对顶煤放出规律的影响研究

为了深入研究仰斜综放条件下煤层仰斜角对顶煤运移的动态变化规律及顶煤损失、冒矸混入的影响机制,以平朔集团井工三号矿34201工作面为研究背景,结合现场的地质及生产技术条件,用数值模拟软件PFC2D建立了仰斜角分别为0°、13°、23°、33°的数值模型,分析研究了不同条件下的顶煤位移场、接触应力场、煤矸分界面、顶煤位移始动点,并利用fish语言编程记录颗粒编号并反演出顶煤放出体形态,得出顶煤损失空间占位的分布规律,最后结合现场模拟了不同放煤步距下的顶煤流动规律及采出情况。研究结果表明:仰斜角加大了顶煤向采空区一侧的运移,使得煤矸分界面凸向采空区,顶煤放出体超前发育至支架顶梁上方,顶煤位移始动点前移,且随仰角增加位移范围增大;放煤口附近应力链稀疏区呈半圆拱状,随仰角在一定范围内增大,呈扩展趋势,放煤口附近煤体冒放性增强,有利于顶煤采出;仰角过大时顶煤放出困难,顶煤损失加大,损失范围主要位于煤层中上部;相对于其他角度,仰斜角为13°时的顶煤的采出率最高,为83.6%,这与上述结论吻合;统计模拟数据表明当前地质条件下采用两采一放时的顶煤采出率最佳,并在现场应用得到了验证。研究结果为现场仰斜综放开采合理参数确定及提高顶煤采出率提供了依据。

细菌纤维素在模拟体液中的降解研究

研究了不同性质的纤维素酶对细菌纤维素(BC)的降解活性,着重探讨了在纤维素酶作用下,影响BC在模拟人体环境中降解行为的因素。研究表明中性纤维素酶在模拟人体环境的条件下对BC具有较高的降解活性。纤维素酶在模拟体液中的活性会随着时间延长而降低,但并未丧失活性,纤维素酶在模拟人体的环境下依然具有长期降解BC的作用。β-葡糖苷酶对BC的降解有很大的促进作用,当β-葡萄糖苷酶在复合酶中质量分数为60%时,复合酶降解BC膜的速率达到最大。

工作面顶板超前预裂应力阻隔护巷机理

为了改善顾桥煤矿大采深和工作面采动影响引起的煤岩高应力环境,保证工作面停采后系统巷道的安全留设,以矿井1311(1)工作面停采后的系统巷道保护为目标,采用理论分析和现场实践实测方法,探索工作面顶板超前预裂应力阻隔护巷机理.研究表明:覆岩悬板作用是停采工作面煤岩高应力显现的主要力源组成;通过建立停采工作面覆岩结构力学模型,采用等效应力指标较好地反映了煤层高应力承载特征,揭示了悬板作用下的覆岩应力传递机制,明确覆岩悬板是诱发煤岩高应力的敏感因素,煤层开采扰动范围内的悬板必须及时切断,阻断高应力传载路径;通过合理确定覆岩控制目标层高度,提出利用工作面顺槽联巷爆破切顶阻断高应力传递的卸压思路,给出了重型药柱深孔爆破工艺参数,顶板平面致裂及卸压效果显著.

竖向裂隙发育煤层大采高综放开采煤壁片帮失稳机理及其控制

针对大同矿区塔山煤矿竖向裂隙发育煤层大采高综放开采典型煤壁片帮特征,基于压杆理论分析和实测研究,探讨了竖向裂隙发育煤层煤壁片帮失稳机理。理论计算得到了竖向裂隙发育煤层煤壁片帮临界稳定关系及对应的临界作用力,通过提高煤岩摩擦系数、降低煤壁条状煤体重心提高工作面煤壁的稳定性。结合塔山矿8105工作面大采高综放开采条件,采用煤层深孔内充水承压微爆破技术,取得了大采高煤壁片帮良好防治效果。

塔山矿8305工作面无煤柱开采留巷支护设计

针对塔山煤矿8305工作面切顶留巷5305巷的安全支护问题,基于巷道覆岩结构分析,确定了最危险情况下的巷道覆岩控制区,给出了“五梁五柱”+锚杆(索)补强支护方案,提出采用“U型钢+金属网+风筒布”的挡矸支护及密实封堵技术,取得了较好的留巷效果。