无煤柱自成巷力学原理及其工法

煤炭是我国的支柱能源,煤炭工业是关系我国能源安全的重要基础产业。长期以来,我国地下煤炭资源开采一直以井工长壁121工法为主,这种开采体系存在煤炭资源浪费、巷道掘进率高、煤柱应力集中等问题。为解决现行开采体系存在的安全、开采成本和煤炭采出率三大瓶颈和突出问题,建立了基于采矿损伤不变量方程的采矿工程模型,分析了无煤柱自成巷力学原理。在此基础上,研发了顶板定向预裂卸压、NPR锚杆/索支护等成巷控制关键技术,实现了“拉得住、切得开、下得来、护得好”的技术目标,形成了无煤柱自成巷110/N00工法开采体系。110工法把采煤与掘进2套工序初步统一起来,使每个采煤工作面减少1条巷道的掘进,实现了无煤柱开采。N00工法则把采煤与掘进2套工序有机统一起来,利用矿压自动成巷,从而取消了回采巷道的掘进,彻底消除了采掘接续紧张的“老大难”问题。现场实践表明,110工法通过超前工作面预裂切顶卸压,利用矿山压力做功和垮落矸石的碎胀性实现留巷围岩自平衡。N00工法革新了原有采煤工艺,改变了传统采煤系统布局,实现了全采区无巷道掘进和无煤柱开采。

采空区处理方法研究进展

采空区处理问题一直是国内外普遍存在的采矿技术难题。简要综述"崩"、"充"、"撑"、"封"等4类基本的采空区处理方法和4种简单联合法。认为联合法是一类最有发展前景的采空区处理方法。专门阐述几种采空区处理的新方法。提出采空区处理方法的发展方向:切合实际、经济简便、技术可行,能定量设计与分析,能消除冲击地压,能控制开采地压,能智能选择,其发展应以围岩应力和变形仿真为核心。

长壁开采切顶短壁梁理论及其110工法——第三次矿业科学技术变革

伴随着世界范围内第三次科学技术革命,我国在矿业科学领域的长壁开采科学技术发生了第三次技术变革。前两次科学技术变革分别以钱鸣高院士"砌体梁理论"和宋振骐院士"传递岩梁理论"为代表,提出的长壁开采121工法为我国煤炭开采作出巨大贡献。本世纪初,随着开采深度的增加,通过留设煤柱形成的沿空顺槽巷道事故多发,传统长壁开采方法作为目前我国长壁开采应用最广泛的开采体系受到挑战。2008年,作者进行现场调查和室内实验研究,提出"切顶短壁梁"理论,并基于此形成切顶卸压自动成巷无煤柱开采技术,通过顶板定向预裂切缝,切断部分顶板的矿山压力传递,同时加固支护回采巷道顶板,在采空区侧顶板岩层矿山压力作用下,顶板部分岩体切落,实现自动成巷和无煤柱开采,称之为长壁开采110工法,这一技术的成功应用标志着我国进入第三次矿业科学技术变革期,同时也为我国由矿业大国向矿业强国发展奠定了理论和技术基础。

缓倾斜采空区处理的理论与实践

坚硬顶板下特大型采空场的处理是中国普遍存在的、特有的一类采矿技术难题。国内外已有的采空区处理方法中能解决冲击地压问题的,应用成本昂贵。为了经济有效地处理全面采矿法等空场法遗留的大量采空区及矿体残采,在国内外采空区处理与利用方法的基础上,提出了切槽放顶法和切顶与矿柱崩落法,并应用数值模拟、相似模拟和岩体声发射技术研究了各新方法的基本参数的设计方法和实施效果的分析、评价方法,形成了针对缓倾斜采空区处理的从理论分析、方案设计、现场实施到效果观测的一整套可供推广借鉴的理论、实施和评价体系。实践表明,提出的理论、实施和评价体系是技术可行、经济合理、简便适用的,具有重大的社会意义和重要的经济价值。

井工煤矿开采的110&N00工法探讨与开拓构想

何满潮院士团队提出基于"切顶短壁梁"理论的110&N00开采工法(1个工作面需要掘进1条巷道,留设0个煤柱,以及N个工作面0巷道掘进0煤柱留设的开采工法)用于指导我国煤矿的新型无煤柱开拓开采。基于此,根据我国煤炭开采技术的发展历程,探讨110&N00开采工法的现状和发展趋势,将其划分为5个阶段,并对各个阶段的开拓进行构想,同时指出各个阶段工法应用的条件。虽然各阶段工法的应用范畴有限,但并不影响110&N00开采工法在具体应用中体现出的顶板易控制、劳动定员少、资源回收率高的优点。研究结果表明,基于"切顶短壁梁理论"的110&N00开采工法能够最大程度支撑煤矿的智能化发展,是我国煤矿智能化高质量发展的重要方向之一。

无煤柱自成巷N00工法采留一体化装备与围岩控制关键设计

无煤柱自成巷N00工法是我国自主创新的采煤新工法,其在提高资源采出率、降低巷道掘进量、消减煤柱引起的应力集中等方面具有一定优势。为进一步推进该工法发展,以陕煤柠条塔煤矿N00工法工业性试验为工程依托,从采掘布局、围岩控制、装备系统3个方面梳理了N00工法核心设计思路。针对N00工法成巷围岩结构特征,考虑围岩空间结构整体稳定和运动全过程稳定性,提出了“碎胀平衡降压+动静耦合支护”围岩控制设计思路,明确了3个控制对象、4种控制技术、8项设计标准及相关设计内容。基于N00工法“采留一体化”采掘布局设计理念,形成了N00工法采煤装备系统和成巷装备系统布局新设计,明确了N00装备系统关键结构和功能设计内容。工程试验结果表明,采用N00工法设计,采煤装备系统可实现工作面前无巷采煤,成巷装备系统可实现工作面采后同步成巷,突破了传统采掘分离式装备布局模式,实现了采煤过程中无提前掘巷和无留设煤柱。柠条塔煤矿试验工作面留巷长度2 344 m内,巷道顶底板移近量最大145 mm,巷道围岩控制效果良好,完全满足安全生产要求。无煤柱自成巷N00的成功应用,验证了N00工法采留一体化装备和围岩控制关键设计的可行性,为提高矿井采出率、节约煤炭资源,减少巷道掘进、降低开采成本以及缓解采掘接续问题提供了新途径。

中厚煤层切顶卸压沿空成巷技术实践

为了提高矿井煤炭资源回收利用率,促进采掘抽接替平衡正常,通过对龙滩煤电公司3124S-N工作面切顶卸压沿空成巷条件及难度进行全面分析,结合国内相关案例,制定了中厚煤层综采工作面超前加固留巷顶板、定向爆破切顶卸压、立柱挂网挡矸支护、跟架喷浆严密封堵、初采收尾砌墙保护的技术方案,总结了中厚煤层无煤柱切顶卸压沿空成巷实践效果及经验,为类似条件推广实施积累了经验。

缓倾斜厚大磷矿体开采方案技术优化

本文以某磷矿为背景,详细介绍了锚杆锚索联合护顶分层切顶房柱嗣后充填采矿法的盘区布置形式、回采顺序、采准切割和回采工艺。生产实践表明,该采矿方法较原设计方案,生产能力大,采切工程量少,自动化程度高,安全系数高,矿石损失贫化率低,便于分采,能较好的满足矿山安全生产的需求。旨在为同类矿山开采提供经验。

我国煤矿井下110工法用切缝钻机研发现状与发展趋势

切缝钻机是用于"110工法"顶板预裂钻孔施工的关键设备,针对该工法顶板预裂钻孔施工要求定位精确、满足所有钻孔在一条直线上以及降低巷道维护工程量等需求,总结了国内切缝钻机主要研制企业相关设备的技术参数、设备性能及应用矿井,并结合"110工法"施工现场需求,针对链臂切顶机和水力割缝定向爆破切顶卸压方法等新技术进行阐述;提出了切缝钻机研发过程中等间距双钻孔施工的工作机构、预裂切缝钻孔施工的调角装置及高效的钻孔施工钻具等关键技术;阐明了切缝钻机发展方向为提高切缝钻机的可靠性和高效性、提高切缝钻机的集成化,实现一机多用和提高切缝钻机智能化控制水平。

基于人机工程学的切顶房柱法最小切顶厚度计算研究

为确定合理的最小切顶厚度这个切顶房柱法的重要技术参数,以贵州猫场地下铝土矿的切顶房柱法为例,提出一种基于人机工程学理论的最小切顶厚度计算方法,计算确定了最小切顶厚度为1811.5 mm。该方法确定的最小切顶厚度在矿山实际开采过程中获得了良好的技术经济指标,为我国地下铝土矿安全、高效开采提供理论依据及技术指导。

110工法在采矿实践工程中的应用

长壁开采切顶短壁梁理论及其110工法的提出,是煤矿开采的一次关键性技术变革。采用该技术有效降低了巷道掘进率,缓解了矿井采掘衔接紧张的问题,在采矿实践工程中取得了较好的社会效益和经济效益。以山西曙光煤矿1226工作面、1228工作面为工程背景,分析探讨了110工法在采矿过程中的应用情况以及应用过程中存在的一些技术问题,以期为今后110工法在煤矿开采工作中的进一步推广应用积累宝贵经验。

无煤柱自成巷短臂梁顶板补偿支护力设计方法及其影响因素分析

为实现无煤柱自成巷开采条件下短臂梁顶板结构安全稳定,研究短臂梁顶板结构平衡机制及其动态演化机制,明确锚索的补偿支护作用机制,利用Hoek-Brown强度准则和塑性力学中的上限分析方法分析锚索支护作用下短臂梁顶板围岩的冒落破坏机制,推导短臂梁顶板在摩擦垮落、动压影响、成巷稳定3个阶段的锚索补偿支护力计算公式,形成无煤柱自成巷短臂梁顶板补偿支护力设计方法。在此基础上,建立敏感性分析指标,分析不同参数对锚索补偿支护力的影响程度。研究表明:围岩应力、切缝参数、巷道宽度是锚索补偿支护力的主控因素,其中围岩应力为最敏感指标,据此提出短臂梁顶板稳定性控制相关工程建议。研究成果在新泰煤矿N00工法5101工作面运输巷进行了应用,现场应用效果良好。

无煤柱自成巷开采理论与110工法

我国能源资源禀赋的特点决定了煤炭在今后相当长一段时间内仍将是我国的战略支柱能源,在能源强国建设方面具有重要的地位和作用。目前,我国井工煤矿普遍采用长壁留煤柱开采方式,存在资源浪费、巷道掘进量大、灾害频发及环境破坏等问题。在系统总结我国煤炭地下开采发展历程的基础上,基于钱鸣高院士的“砌体梁”理论和宋振骐院士的“传递岩梁”理论,笔者提出了切顶短臂梁力学模型及平衡开采理论,明确了切顶碎胀充填卸压的力学机理,构建了无煤柱自成巷110工法配套工艺及关键技术。在此基础上,系统总结了110工法现场推广应用的效果,探讨了在综采放顶煤、高瓦斯煤层、冲击地压等复杂开采条件下,采用无煤柱自成巷110工法实现灾害源头治理的有效性。

柠条塔煤矿自动成巷无煤柱开采新方法

为减少巷道掘进量,提高煤炭采出率,削弱因煤柱留设引起的围岩应力集中,提出了一种自动成巷无煤柱开采新方法,并系统总结了该方法的工艺流程和关键技术.在自动成巷无煤柱开采新方法中,巷道顶底板与实体煤侧巷帮由采煤机截割而成,采空区侧巷帮则由采空区垮落碎石堆叠而成,巷道顶板与碎石巷帮的控制是决定成巷效果的关键.基于岩体碎胀特性,提出采用顶板定向切缝技术,优化留巷应力环境,减少上位顶板回转下沉,针对巷道顶板提出以"恒阻大变形锚索+切顶护帮支架"为主的支护方式,针对碎石巷帮提出"侧向动静结合、纵向伸缩让压"的控制理念.最后以柠条塔煤矿S1201-Ⅱ工作面为工程背景进行了现场工业性试验,结果表明:采用自动成巷无煤柱开采新方法进行回采,当工作面推进约150m后留巷围岩开始稳定,最终下沉量基本稳定在70mm左右,满足下一工作面的使用要求.现场试验结果验证了自动成巷无煤柱开采新方法可以实现工作面回采无需提前掘进回采巷道、无需留设工作面护巷煤柱的目标,且成巷效果良好,经济效益显著.

无煤柱自成巷“短臂梁”结构特征及变形计算分析

为了探索无煤柱自成巷开采条件下"短臂梁"顶板结构及变形特征,建立了顶板变形计算模型,运用能量理论与位移变分方法对顶板变形及其影响因素进行了分析.结果表明:留巷宽度、断裂岩块回转运动对顶板变形影响较为显著;而巷内锚索支护、临时支护对顶板变形控制作用有限.顶板变形的主要影响因素按其影响程度由大到小依次为:留巷宽度、岩体泊松比、断裂岩块回转角度、岩体弹性模量、临时支护强度、锚索支护强度.据此提出应严格控制留巷宽度,合理设计顶板切缝高度的围岩控制思路,可降低上覆岩层断裂岩块回转下沉空间,减小"短臂梁"顶板变形,有利于提高巷道稳定性.