长春市羊草沟矿区地面塌陷现状及防治对策

随着煤炭资源的开发,曾经隐于地下的宝藏和财富得以显现,然而开采过程会伴随着严重的地面塌陷问题,对土地资源及地区经济发展带来了深远的负面影响。本文聚焦长春市羊草沟矿区,对其地面塌陷问题进行了细致研究。通过分析该矿区塌陷的分布特点、发育特征以及所引发的一系列问题,系统剖析了导致地面塌陷的多种因素,并基于此提出了坚持政策先行、加强监测预警、开展工程治理、土地利用调整等针对性的预防与治理对策,作为羊草沟及类似矿区矿山地质环境治理工作的参考依据。

以煤层倾向为参考方向的锐角优化垂线法煤柱设计方法

垂线法广泛应用于我国矿区地表建(构)筑物的保护煤柱的设计,但其原理中存在走向方向不明确导致计算时需人工干预和小角值拐角处保护煤柱过估等问题。针对村庄尺度的建筑物群,提出应按位置给出不同的开采参数和松散层参数;用煤层倾向作为垂线法的参考方向,代替指向不明确的走向,实现垂线计算公式选择、垂线长度计算的自动化;提出锐角优化算法,解决煤柱角点角值较小时出现的煤柱留设尺寸过大问题。基于上述优化,通过MATLAB编程实现煤柱自动化计算,并一定程度上减小了煤柱的尺寸。优化后的垂线法能够更好地应用于矿山保护煤柱设计。

复杂不规则采空区围岩冒落持续监测及周期性冒落特征分析

复杂不规则采空区因其形成条件的特殊性和工程环境的复杂性,在形成初期常表现为剧烈且无规律的阵发性冒落,对采空区安全治理极为不利。以河北某铁矿因下部民采空区与生产区域采场相互贯穿形成的复杂不规则冒落空区为工程背景,结合三维激光扫描技术、现场调查结果和开拓、采准工程现状等,提出了联合监听冒落岩块撞击声响与监测拱脚变形的采空区冒落持续监测方法,得到拱脚变形破坏引起采空区批量冒落的周期性冒落特征。冒落岩块撞击声响监听结果显示,空区发生阵发性冒落的持续时间约5个月,经短暂稳定阶段后进入周期性冒落阶段。结合拱脚变形监测结果,可知该空区周期性冒落阶段周期为15~30 d,空区围岩批量冒落滞后拱脚变形破坏的时间为3~8 d,可见空区拱脚变形破坏可作为空区围岩进入批量冒落的前兆,提出监测2次空区边界扩展差hk来预测空区围岩批量冒落的发生时机。研究结果对于同类型空区冒落监测和安全治理具有一定的借鉴意义。

不同应力路径及围压下煤岩损伤能量演化

为研究煤岩体损伤演化过程中能量的转化机制,以王庄煤矿9105工作面原煤为研究对象,利用HC-SPT-100型高压三轴试验机、HC-U7型非金属超声波探测仪、4K科研相机等仪器,采用非接触式数字图像处理技术开展了不同应力路径及围压下三轴加载试验.研究结果表明:(1)不同应力路径及围压下三轴加载过程中煤岩损伤能量演化可分为压密、弹性与脆性跌落3个阶段;(2)试件在不同加载路径与不同初始围压下各阶段能量值相差较大,表现为在同一初始围压下,常规三轴加载路径下试件的弹性能、耗散能、总能量均大于三轴循环加载路径下试件的弹性能、耗散能、总能量;(3)三轴加载过程中,不同加载路径下试件轴向应变从压密到破坏阶段表现为整体波动与局部集中→局部集中→局部集中→整体波动与局部集中的发展规律;(4)不同加载路径及围压下破坏阶段试件的应力集中不同,常规三轴加载路径下破坏阶段试件的应力集中在低围压下以新生应力集中为主、高围压下以继承应力集中为主,三轴循环加载路径下破坏阶段试件的应力集中在高、低围压下主要以继承应力集中为主.

基于博弈组合赋权-云模型的坚硬顶板采场来压强度等级评估研究

为了解决坚硬顶板采场来压强度等级评估的不确定性问题,在力学分析的基础上,从顶板条件、地质条件、开采条件和其他条件等4个方面选取14个指标因素,采用序关系法确定主观权重、改进的CRITIC法确定客观权重,运用博弈论组合赋权,得到最佳综合权重,构建坚硬顶板采场来压强度等级评估云模型。通过云相似度测算,提高评估结果的精确性。以淮南张集矿区11129工作面为例,对9-2煤层上覆坚硬顶板来压强度等级进行评估,应用表明:所提方法综合考虑评价对象的主客观因素,权重分配科学合理,评估结果与实际情况一致,能为现场顶板弱化工作提供理论依据。

不同变异系数煤层应力场与瓦斯场规律的数值模拟研究

为揭示煤层厚度变化对煤层突出危险性的影响,建立了煤层变形场和瓦斯场耦合模型,并基于高斯分布建立了不同煤层变异系数的煤层模型,揭示了不同变异系数下的煤层应力场和瓦斯场分布规律。结果表明:稳定煤层与非稳定煤层应力场差别显著,非稳定煤层在煤层较薄处产生了应力集中现象,向厚煤层区域掘进时呈线性减小;煤层较厚处稳定煤层的应力大于非稳定煤层,且随着煤层变异系数的增加进一步减小;不同变异系数煤层随着变异系数的增加应力逐渐增加,主应力的增长速率随着掘进距离的增加逐渐增加;煤层厚度变化导致了煤层受到顶板的水平应力作用,在煤层较薄处,顶板水平应力指向煤层,导致煤层较薄处产生了应力集中,在煤层较厚处,顶板水平应力背离煤层,导致煤层应力相比较薄处小,且瓦斯浓度大、渗透率小、构造煤发育较多,在扰动下容易发生突出。

基于粒子群算法最优化Verhulst模型的开采残余下沉预测

矿区开采引起的残余下沉稳定时间长、潜在危害大,有必要准确地预测矿区地表的残余下沉。鉴于传统的残余下沉Verhulst模型建模误差大、适用性弱,在建模过程中以数据序列的首个数据保持不变导致预测效果差的缺陷,以直接离散Verhulst模型为基础,引入粒子群算法寻求模型迭代初始值的最优解,建立基于粒子群算法优化的矿区开采残余下沉直接离散Verhulst模型,并以山西阳泉和山东兖州矿区两个时间尺度的地表残余下沉监测数据集进行实例验证,最后利用MATLAB App Designer工具实现模型算法的可视化。结果表明:基于粒子群算法优化的直接离散Verhulst模型的矿区开采残余下沉预测精度和稳定性增益明显,所开发的计算工具具有正确性和有效性。

综合物探方法在煤矿井下水害防治的实践探析

现代社会发展背景下,伴随经济社会的稳定运行,在煤矿井下生产中,往往会面临一些水害问题,这类现象的出现,不同程度上会对煤矿安全造成影响,而综合物探方法应用在煤矿井下水害防治中,具有良好的效果,不仅可以解决水害问题,还能提升煤矿生产管理水平。基于此,主要阐述综合物探技术基本内涵,说明综合物探方法在煤矿井下水害防治中的重要意义,在此基础上探究综合物探方法在煤矿井下水害防治的实践应用,有望对部分学者提供指导和帮助。

建筑固废高效利用对采空区精准充填试验研究

为了解决建筑固废对采空区精准充填的问题,开展采空区充填新型浆液研发,建立考虑静置稠化、剪切稀释特性的强触变浆液流变模型,进行室内模拟堆积试验。结果表明:采用0~2mm、0~5mm两种颗粒组的建筑固废材料,得到复配强触变浆液触变剂、稳定剂、流变剂、水泥和建筑固废砂的最优配比,并得到浆液的触变性、稳定性、流变性、凝固过程及结石体强度等基本性能指标,以及浆液流动堆积坡面函数的表达式。该项研究成果的应用,可减轻采空区对生态环境的影响,减少老旧建筑物拆除所产生的大量建筑固废对土地资源的占用和环境污染。

盐矿采空区充填注浆材料优选实验研究

国内外针对泥浆流动特性的研究很多,但截至目前尚未形成关于泥浆流动特性的统一标准,为研究固废浆体流动特性,使其能够更好地应用到盐矿采空区充填现场,对废弃制浆材料开展了物理参数试验、一维沉降柱试验、直剪试验,提出了适用于盐矿采空区充填材料及充填泥浆的选择标准。通过多种试验方法最终确定了配制充填泥浆所用的细料和粗骨料的来源、成分以及粒径大小。

综采工作面膏体充填工艺的技术应用与实践

为充分回收煤炭资源,解决柴里煤矿工矿区域压煤资源的开采难题,在33采区西南部建(构)筑物下3上煤实施膏体充填回收实验开采。随着3306-1工作面作为首采工作面的试采成功,矿井将在膏体材料配比和充填工艺方面将进行不断的优化和创新,从而保证矿井煤炭资源的有效、安全的采出。本文系统介绍该工作面膏体材料配比、选择、生产、支护、隔离、充填的流程以及首采工作面结束后充填效果的验证情况,为今后充填工作面开采奠定了理论基础。

考虑多维关联性的结构化数据文件三维可视化分析研究

数据格式间的浮点位数差异的忽略会导致三维可视化出现误差。为此,提出考虑多维关联性的结构化数据文件三维可视化研究。利用映射原理对源数据重构,引入增益矩阵消除数据格式间的浮点位数差异,转换数据文件头格式。求取数据多维关联度,构建三维空间数据体,对数据网格化处理,利用SynGlyphX和Tableau数据可视化数据库输出。实验显示,所提方法在不同数据量条件应用下,每秒绘制帧数均在50FPS以上,且三维可视化结果准确性更高,效果更优。由此说明,所提方法在考虑数据之间的多维关联性的同时,能够更准确地捕捉和表达数据之间的复杂关系。

近距离煤层切顶卸压沿空留巷技术及应用研究

针对开采近距离煤层时上煤层回采结束,底板受到破坏,采空区矸石垮落使得下煤层顶板结构及应力环境愈加复杂,下煤层巷道顶板的完整性及稳定性受到影响,为下煤层巷道围岩控制带来诸多难点,以龙门塔煤业近距离煤层工作面沿空留巷为研究背景,通过理论计算得到了切顶的具体参数,提出了静态胀裂切顶技术,优化了支护形式,实现了近距离下煤层工作面无煤柱切顶卸压沿空留巷。经现场实践检验,下煤层巷道受采动影响较小,留巷效果较好。

高耸构筑物采动损害与保护技术研究现状与展望

我国一些矿区面临着高耸构筑物下压煤技术难题。矿区高耸构筑物具有高度大、横断面小、重心高、支撑基础底面积小等特点,作为一种特殊的构筑物,其对地下开采引起的地表移动变形较敏感。在分析了高耸构筑物自身特性及其采动变形特征基础上,从采动变形理论、数值模拟、变形监测技术、保护技术等4个方面总结分析了高耸构筑物采动损害与保护技术的研究发展历程,包括高耸构筑物与地基、基础协同变形理论、工作面开采对高耸构筑物变形影响数值(物理)模拟分析、实时高效精准监测技术、地基精准注浆加固技术、基础抗变形改造技术、高耸构筑物动态调斜技术、源头减损技术等;并展望了高耸构筑物采动损害与保护技术的4个发展方向:地表移动变形多指标作用下高耸构筑物采动变形规律,采动地表沉陷规律与高耸构筑物变形传导机理,高耸构筑物实时高效精准变形监测技术,高耸构筑物精准保护技术,以便形成地表高耸构筑物“变形小-监测精-保护准”的综合理论与技术体系,为高耸构筑物下安全高效采煤提供理论和技术支撑。

基于RG-BN理论的破碎盘区矿柱群稳定性分析

为了准确获取矿柱群稳定性情况,通过分析矿柱群失稳机理,基于重整化群理论和贝叶斯网络建立矿柱群稳定性分析模型。以铜坑矿92号矿体矿柱群为研究对象,运用多项逻辑回归模型推导单个矿柱的失稳概率计算公式,将单个矿柱失稳概率输入贝叶斯网络得到矿柱群失稳概率。通过与二维重整化群模型得到的矿柱群临界失稳概率进行比对来分析矿柱群稳定性情况。研究结果表明:该方法能得到较为准确的矿柱群失稳概率,且通过贝叶斯网络概率反演,对矿柱进行敏感性分析可以获得矿柱群最安全回采顺序。

复杂顶板定向钻孔穿层段大直径套管护孔技术及应用

针对煤矿井下复杂顶板瓦斯抽采大直径高位定向钻孔存在的穿层孔段轨迹偏斜、孔壁坍塌、施工效率低等问题,提出基于复合强排渣钻进技术与跟管下放套管技术的大直径套管护孔技术,分析了复合强排渣钻进技术原理,设计并试制了套管下放钻具串。在山西晋城矿区王坡煤矿进行了现场试验,完成了3个复杂顶板高位定向钻孔穿层孔段大直径套管护孔施工,套管下放深度35 m,套管直径为244.5 mm,综合施工效率提高30%以上。结果表明,大直径套管护孔技术能够成功突破复杂破碎地层,确保护孔套管顺利下放,对穿层孔段孔壁形成可靠支护,为顶板高位定向钻孔的顺利实施提供了技术保障。

采煤沉降区建筑结构稳定性分析

采煤沉降区面积较大或建筑平面面积较大时,建筑结构稳定性分析结果往往不准确,设计了一种新的采煤沉降区建筑结构稳定性分析方法。通过多源SAR数据融合,实现采煤沉降区的建筑地面监测,构建采煤沉降区的建筑结构有限元计算模型;通过有限元分析法实施建筑结构数值模拟,对建筑地基在建筑荷载作用下的土体空间实施受力分析,获取地基沉降和变形情况;通过模拟沉降区建筑结构应力场特征分析采煤沉降区的建筑结构稳定性。测试结果表明,设计方法的模拟准确度较高,且计算性能比较优越,能够满足设计需求。

上行重复采动底板采空区突水及开采稳定性理论分析

下煤层积水采空区上采用“上垮-下柱”方式复采上煤层带来严重的安全稳定性与底板采空区突水问题。将下煤层煤柱群与承压性空区积水联合支撑的蹬空覆岩简化为半无限平面体,建立合理的力学模型,通过弹性力学求解,得到蹬空覆岩的应力场分布。引入Mohr-Coulomb准则,极值求解得到顶板覆岩最大破坏高度,再结合上煤层开采底板破坏深度,分析重复采动层间岩层稳定性状态,并提出了相应的判别指标。考虑层间隔水控制层与水头损耗,提出不同层间岩层稳定性状态下的突水判据,并揭示水平构造应力对重复开采稳定性的作用。兼顾重复采动稳定性、底板采空区突水、煤柱承载稳定性,给出不同工况条件下的评价方法与防治措施,包括合理的疏水降压措施与煤柱“柱旁充填”指标。研究结果表明:顶板应力场与采深、水平地应力、煤柱宽度、单个空区跨度、空区水压有关,采空区顶板破坏形态大致为“波浪形”;当安全系数T≥1,重复开采稳定性较差,未采取措施不易在上煤层采用长壁式垮落法开采;水压越大,可减轻煤柱承载,并使煤柱处于高围压条件下,煤柱稳定性较高,但高水压又易发生底板采空区突水;煤柱宽度越大,承担的平均支撑力越小,σ_(y)应力峰值越低,层向分布波动越小,σ_(x)应力同样越小,顶板与煤柱越不易发生破坏;侧压力系数大于1且越大,可有效提高上行重复开采的可行性;疏水降压后的水压值p_(1)需同时满足可规避突水与煤柱失稳的条件,即p_(m)<p_(1)<max(p_(f),h_(d)/100+p_(max)),否则需对积水完全疏放,后按照“柱旁充填”尺寸指标W_(m0)对空区进行柱旁充填。研究可为积水采空区上采用“上垮-下柱”安全复采上煤层、防止底板采空区突水、提高资源采出率及减少资源浪费提供有益指导。

真三轴采动卸荷条件下砂岩扩容行为和非共轴性研究

在实际地下工程开挖中,岩石处于采动应力状态,其采动应力路径用应力Lode角表示。基于多功能真三轴流固耦合试验系统,开展相同静水压力、不同应力Lode角的真三轴力学试验,研究不同应力Lode角对砂岩的扩容特性和非共轴性的影响。试验结果表明:应力Lode角的增加在一定程度上反映出卸荷作用对砂岩真三轴试验变形的影响。对比应力Lode角在-30°~0°和0~30°的主应力变化量可以发现:最大主应力变化量比较均匀,中间主应力变化量下降,最小主应力变化量上升。随着应力Lode角的增加,最大主应变压缩程度下降,中间主应变由膨胀转变为压缩,最小主应变膨胀程度增加,且最小主应力方向的膨胀量相对于最大主应力方向的压缩量增加。应力Lode角从-30°变化到30°,随着最大主应变的增加,体积应变呈现先减小后增加的趋势。引入应变偏应力柔量,随着应力Lode角的增加,广义剪切应力对最大主应力方向的压缩变形作用减弱,对最小主应力方向的膨胀变形作用先增强后趋于平稳;体积应变偏应力柔量整体呈现下降趋势。非共轴性表现为应力路径和应变路径不重合,不同应力Lode角下的应变路径均向低Lode角方向演化。引入偏转量,应力Lode角从-30°变化到30°,偏转量呈现先上升后下降的趋势。

基于条带式充填开采的离层注浆减沉技术研究

在浅部资源渐趋枯竭的背景下,针对大量“三下”压覆煤炭,离层注浆减沉技术越来越受到广泛应用。不过目前条带式充填开采基础上的离层注浆工艺研究还比较欠缺,结合邢台某矿条带式充填开采+离层注浆减沉实践,通过充填后采高等效换算,条带开采工作面注浆关键层优化、邻空工作面注浆孔位确定和注浆压力持续控制等关键技术,实现了条带式充填开采回收以往煤柱的地表沉降控制,地表沉降幅度在30mm以内,补充了不同条件的离层注浆工艺研究,对以往条带式开采矿井剩余煤柱的绿色回收有重要意义。