HSP超前探测技术在煤矿TBM掘进巷道中的应用研究

随着全断面掘进机TBM(Tunnel Boring Machine)逐渐应用于煤矿岩巷掘进,对不良地质构造进行超前准确快速预测的需求日益迫切。通过对主动源地震波超前探测方法的特点和TBM破岩震源超前探测技术的适用性进行分析,结合煤矿巷道地质和生产条件,提出了适用于煤矿巷道TBM掘进的HSP超前探测方法。以河南平顶山首山一矿TBM掘进底板瓦斯治理巷道为工程背景,选用防爆硬件一体化设计的探测仪器在煤矿巷道中进行应用。构建了空间型观测方式对煤矿巷道近水平煤线进行探测,优化了双护盾TBM掘进巷道狭小空间检波器阵列式布置参数;基于时频分析、互相关干涉处理、反射与散射联合反演等方法处理原始信号并进行探测结果成像。研究表明:采用空间型观测方式可实现与巷道小角度斜交煤线的识别,设计震源与首检波器间距离为15 m时最优。通过时频分析提取有效信号,利用互相关干涉法获取虚拟震源道和反射特征曲线,并结合反射与散射联合反演成像得到探测区域地层反射能量分布图,能够较准确地推测得到围岩存在的不良地质构造。通过比较现场开挖揭露情况与探测结果发现两者吻合度较高,表明HSP超前探测方法可实现掘进工作面前方100 m范围内超前无损地质预测,有助于提高煤矿岩巷TBM掘进速度。

非煤矿山机械连续采矿技术研究进展与发展趋势

机械连续采矿技术是非煤矿山采掘技术的发展趋势与重大变革,是破岩方式、破岩装备、采掘方法、采掘工艺的系统性集成创新。根据目前非煤矿山机械连续采矿技术发展现状,首先梳理机械采矿的技术特征,并凝练了拟攻克的关键科学技术问题。综述了各类机械刀具破岩方式、岩体可切割性、机械连续采掘技术的发展与应用。针对目前非煤矿山机械连续采矿技术面临的问题与挑战,提出“工艺需求-技术突破-装备研发-工程应用”四个层次的技术攻关方向,从破岩理论、关键技术、采矿装备、采矿方法与成套工艺等多个方面开展研究,以期推动我国非煤矿山非爆破机械安全、高效、绿色、连续智能开采技术及装备的发展与进步。

浅埋厚煤层综采工作面顶板破断结构及运动形态研究

针对平朔井工一矿浅埋厚煤层开采条件,采用理论分析和数值模拟的方法,对顶板覆岩破断特征及裂隙场演化规律等内容进行研究,得到了煤层开采厚度与覆岩破断结构的关系,井工一矿工作面上覆岩层形成“低位悬臂梁+高位铰接岩梁”结构,低位悬臂梁破断位置距采空区煤壁21.7 m;覆岩断裂位置与区段煤柱垂直应力的关系,当顶板断裂位置位于采空区侧时,侧向支承压力显著增大,应力集中系数约为3.02,此时煤柱稳定性差;工作面回采后,从运动到停止的4个不同阶段侧向支承压力分布特征,14106工作面回采结束92 d后处于支承应力稳定阶段;研究成果可用于指导矿井区段煤柱留设及相似条件煤层开采。

矿山煤岩破碎方法研究进展及展望

针对采掘装备在煤巷、岩巷工作中截割机构磨损严重、作业效率低等问题,开展了矿山煤岩破碎方法的分析、总结和探索研究。根据煤岩普氏系数将煤岩类型分为煤、半煤岩、硬岩及高硬岩,并针对目前采掘装备在煤巷和半煤岩巷中存在的问题,阐述目前铣削破岩、冲击破岩、滚压破岩及滚拉破岩等机械破岩技术与纯水射流、脉冲射流、空化射流及磨料射流等水射流破岩技术的工作原理及前沿研究现状。首先,针对煤炭开采中因夹矸、硬包裹体煤层硬度大导致采煤机截割机构磨损严重、机械化开采效率低的问题,进行了截齿破碎煤岩机理及性能、截齿磨损机理、滚筒结构创新设计等方面的阐述,指出目前煤层及夹矸煤层应突破煤岩破碎与高效截割机构设计等新技术,以解决煤层安全高效开采的难题;针对半煤岩巷进行了截齿与煤岩互作用力学模型、截齿自旋转减磨截割机理、截割机构截齿布置理论及最优化设计方法等方面的概述,结合半煤岩巷作业效率低、机械刀具磨损严重等问题,从理论、数值模拟和实验等方面分析了各种水射流冲击破岩方法工作原理及研究现状,并指出为提高复杂多变地质条件下半煤岩巷掘进装备的掘进效率,应根据截割工况设计截割机构刀具排列方式,并采用自适应技术规划掘进工作参数、掘进工艺,提高掘进装备系统可靠性、智能化及综掘工艺水平以实现半煤岩巷快速掘进;针对硬岩巷从理论、实验和数值模拟方面进行了滚刀/圆盘刀破岩机理、破岩性能、刀盘设计准则等方面的综述,进行了水射流辅助截齿/钻孔/滚刀/圆盘刀破岩及涨裂辅助破岩技术的总结,提出了液力或者机械涨裂辅助破岩是目前应对硬岩有效的方法,充分利用岩石抗压不抗拉特点实现硬岩的高效经济破碎,结合智能化算法实现钻孔与涨裂的协同作业,实现硬岩巷道的高效掘进。最后,分析了现有破岩技术的优势、劣势及其局限性,并指出了我国矿山硬岩截割技术的未来发展趋势,煤矿机械、非煤矿业机械、盾构机械破岩技术相互融合,机械与非机械多场耦合破岩技术及矿山装备智能化是实现矿山复杂地质条件下煤岩高效破碎的发展方向。

回撤通道覆岩破断特征及巷道围岩稳定性研究

上湾煤矿埋藏较浅且煤体硬度较大,当工作面进入末采区域时面临着矿压强烈、片帮冒顶加剧、巷道围岩变形严重的难题,以上湾煤矿12306工作面地质条件为工程背景,研究工作面从进入末采区到回撤通道贯通过程中顶板破断位置对回撤通道煤柱稳定性的影响,采用理论分析、数值分析及现场实测的方法,研究末采顶板最佳破断位置,为12306工作面末采顶板控制技术研究提供理论依据,研究结果表明:基于回撤通道贯通时基本顶的三种破断结构力学模型得出最佳破断位置处于支架后方,对比数值模拟研究得出破断位置处于支架后方时回撤通道围岩应力、支架载荷、煤柱高应力区域均处于最小值,结合现场末采50~0 m范围内工作面通过调整开采速度实现顶板在支架后方破断,进而达到让压效果,现场施工效果较好。

南山煤矿大倾角煤层群开采覆岩移动破坏规律

为了掌握南山煤矿大倾角煤层群开采时基本顶破断规律、下部煤层开采覆岩移动破坏规律及其对上覆煤层的影响,理论计算了基本顶破断步距,采用理论计算、数值模拟和相似模拟实验研究了下部B4煤层开采覆岩破坏规律及其对上覆B8煤层的影响。研究表明,将弹性双向板简化为固支梁和悬臂梁计算B4工作面基本顶初次断裂步距为46.4 m,周期破断步距为18.9 m,与相似模拟实验结果相近;B4煤层覆岩破坏范围受倾角影响呈现不对称特性,工作面上端部覆岩破坏高度明显大于下端部;B4煤层开采会影响B8煤层,但影响程度不同,在最小层间距时影响最大,此时B8煤层工作面上端部区域会处于B4煤层覆岩裂隙带上部;B4煤层回采时采场来压强度属于明显—强烈,动载系数为1.28~1.53。

沙曲二矿超高压水射流切顶破岩特性研究

为了明确超高压水射流的切顶破岩特性,针对沙曲二号煤矿现场特点,利用LS-DYNA软件进行数值模拟仿真。结果表明,超高压水射流在冲击不同岩层时形成的冲蚀坑形态类似,但破岩效果不同,相同射流压力下泥岩的冲蚀坑深度和宽度均大于砂岩;射流压力和直径是决定顶板岩层切割深度的重要因素,相同岩石的冲蚀坑深度随射流压力与直径的增加而显著增大,但冲蚀坑宽度变化相对较小,现场切顶时可通过改变射流压力来调节切割效果。

激光破碎煤岩作用过程理论分析与实验研究

激光钻井是一项高效、清洁、控向性能好的钻井新技术,在煤层气开发中潜力巨大。从激光破碎煤岩作用过程和循环气体两方面入手,在理论上分析了激光破碎煤岩的作用过程;以激光照射到煤岩表面的平均功率密度和激光照射时间为变量,再分别以空气和氮气为钻井循环介质,进行了激光破碎煤岩实验。实验结果与理论分析基本一致,具体表现为:在一定范围内,增加激光平均功率密度和激光照射时间将使钻井进尺深度增加,钻孔直径增大,热影响区域增大,有利于提高激光破碎煤岩钻进效率,而氮气循环和空气循环激光破碎煤岩各有优势,可进行交变循环钻进。

TBM盘形滚刀破岩力计算模型研究

TBM盘形滚刀破岩力计算对TBM设计及施工具有重要意义。分析滚刀运动规律发现,滚刀法向推力对破岩起主导作用。假定了滚刀与岩石间接触应力分布形态,推导了常截面盘形滚刀的法向推力与滚动力计算公式,并利用多种不同强度岩石的线性切割试验结果进行验证,结果表明计算值与试验数据较为吻合,证实了公式的准确性与适用性。对计算值误差分析发现,滚刀破岩力计算精度与滚刀-岩石接触应力分布形态选取相关,采用最小二乘拟合思想,基于计算值与试验值的相对误差对接触应力分布指数进行修正,发现接触压力分布指数随滚刀贯入深度增大近似呈指数规律变化,提高了破岩力计算公式的预测精度。研究结果可为TBM设计和施工提供依据。

红外辐射探测预测煤矿冲击地压的试验研究

利用单轴加载系统和红外热成像技术,对山西水峪矿的煤岩变形过程中的红外辐射变化进行了探测试验研究。研究发现,煤岩表面红外辐射温度随着载荷的增加而出现阶段性变化,裂纹扩展区、应力集中区和破碎区的红外辐射温度变化存在阶段性差异;应力集中区和裂纹扩展区的红外辐射温度比应力松弛区域和破碎区的红外辐射温度高;红外辐射温度变化可以反映出离工作面不同距离处的应力状态,以及应力集中区的范围以及应力转移过程;如果煤岩体红外辐射温度的变化规律是升温-降温-大幅度升温-大幅度降温,则预示着冲击地压发生的危险性。

刨刀刨削煤岩特性数值模拟研究

为了探索薄煤层刨煤机刨刀刨削煤岩的破碎过程及其力学特性,基于有限元数值仿真分析方法分析煤岩截割过程的显示动力特性。依据煤岩三向应力测试试验,构建出基于Drucker Prager准则的煤岩本构模型。以煤岩刨削截深、煤岩刨削速度、刨刀前角为水平因素设计单因素仿真分析试验,实现煤岩破碎形态与刨刀煤岩截割力的研究。研究结果表明:煤屑块度与煤岩刨削截深有关,随着截深的增大,块度增大;随着刨削速度的增加,煤屑的块度变化趋势不明显,煤岩在α=30°刨刀作用下,截割剥离煤屑块度较大;刨刀煤岩截割负载随着截深的增大而增大;随着转速与截割深度的增加,前角为30°的刨刀负载呈线性上升趋势。

破碎后微小煤颗粒分布与破碎功关系实验研究

对突出/非突出原煤在不同条件下进行破碎实验,将碎煤分筛后分析粒级分布规律及比表面积与破碎比功之间关系。实验表明：〈0.075 mm煤颗粒所占质量比不多,却占有相当大的表面积;突出煤〈0.075 mm颗粒筛上质量分布服从Gauss分布而非突出煤服从正态分布;在相同块度前提下,比表面积随能量增加而增加;当时间相同能量时,突出煤的比表面积是非突出煤的1-2倍;新增表面积随能量增加呈指数增长,增加的速率却随能量增加而减小。揭示煤材料破碎后粒径分布规律与破碎功之间关系,为煤瓦斯突出过程中能量耗散分析提供实验依据。

浅埋煤层厚积砂薄基岩顶板破断机理研究

本文在物理相似模拟和数值模拟的基础上,通过对神东集团薄基岩浅埋煤层开采的研究,建立了上覆岩层的梯度复合板力学模型。利用承压砌块模型分析了周期来压过程,并给出了初次来压和周期来压机理。

煤层水力自旋转射流钻头设计

高压旋转水射流技术在钻大井径、长连续孔方面具有明显优势,在煤层中钻井又具有高效、节能、钻孔大、成孔规则、破岩效率高等优点,因此在煤层气地面径向水平井技术和井下采空区钻长直井技术中广为应用。主要从理论上分析了旋转射流和射流旋转各自的流动规律、破岩过程及破岩机理,并在此基础上分析了旋转射流钻头各设计参数的取值范围,结合已有的经验值,优化设计了可控外壳旋转内导叶轮、可控中心轴旋转内导叶轮、偏置可控外壳自旋转、偏置可控中心轴自旋转等4种水力旋转式钻扩孔射流钻头。这些钻头适用于在煤层中钻孔及安全排放瓦斯气体。

低渗煤层液态CO_2相变射孔破岩及裂隙扩展力学机理

液态CO_2相变射孔致裂增透技术作为一种有效的低渗煤层强化抽采方法,已被广泛的应用研究。但由于该技术在破岩及裂隙扩展力学机理方面研究不足,在一定程度上影响该技术进一步发展及应用。基于热工学、弹性力学、断裂力学等理论基础,建立了液态CO_2相变气体射流压力模型,理论分析了液态CO_2相变射孔破岩力学机理、地应力条件下裂隙扩展力学机理。采用PFC2D离散元颗粒流分析软件,进行数值模拟研究,分析了不同地应力及射流压力条件下液态CO_2相变射孔破岩及裂隙分布特征。在以上研究基础上,在川煤集团白皎煤矿进行现场试验,研究表明该技术可有效提高低渗煤层瓦斯抽采效率。

高压气液两相射流多级脉动破煤岩特性及致裂机理

为了提高水射流破煤岩性能和卸压增透效果,通过理论分析建立了高压气液两相射流的冲击动压模型,推导出影响其破煤岩性能的关键参数体系。采用自主研发的高压气液两相射流破煤岩试验系统,研究了关键参数对气液两相射流的破煤岩特性的影响规律,结果表明:与纯水射流相比,气液两相射流破煤岩压力阈值降低约50%,破碎深度增加25%,破碎坑直径是纯水射流的2倍,破煤岩效率提高80%以上。煤岩体破碎是气-液-固三相耦合作用的结果:气体的掺入改变射流的结构,产生局部脉动作用,强化了射流破岩能力;高压液相脉动冲击作用激发裂纹起裂,高压气相的多级溃灭作用促进裂纹扩展;气相多级溃灭与液相脉动冲击交替作用,最终使煤岩体裂隙贯通、破坏。

地下非煤矿山非爆连续开采技术探索与实践

非爆连续开采是地下非煤矿山未来技术发展的重要趋势。从煤炭开采经验、机械破岩装备以及硬岩致裂技术等方面系统地阐述了地下非煤矿山非爆连续开采的可行性。介绍了贵州某金属矿综合机械化掘进和综合机械化回采技术应用实践取得的成效,为地下非煤矿山非爆连续开采提供案例借鉴。最后展望了地下非煤矿山非爆连续开采需解决的关键技术和发展方向,建议重点开展硬岩碎裂实用技术、差异化矿岩特性与非爆破岩方式适配模型及非煤中厚-厚大矿体非爆机械连续智能开采工艺等方面进行创新攻关,引领矿山开采技术向更加低碳环保、智能高效的方向发展。

冰粒磨料射流冰粒加速规律及破碎煤岩数值模拟

为了高效增加煤层透气性强化煤层瓦斯抽采,首次提出采用冰粒磨料代替传统磨料的煤层射流割缝增透新技术,以解决常规磨料射流煤层割缝中出现的堵塞孔隙裂隙等瓦斯渗流通道、增加孔壁摩擦阻力导致卡钻抱死等缺陷。然而,鉴于冰粒磨料与常规磨料的差异性,其加速特性与破碎煤岩效果尚不清楚。采用理论推演法研究了冰粒磨料的加速特性和速度分布规律,在此基础上构建了数值计算模型分析了射流速度、冰粒体积分数以及围压对冰粒磨料射流破碎煤岩效果的影响规律。研究结果表明:(1)冰粒磨料掺入高速流体后获得了先增大后减小加速趋势,最终其速度可接近纯水的速度,大幅提升了冰粒磨料的冲击动能,为后续数值模型冰粒速度的赋值提供了依据;(2)数值计算结果出现V型破碎形态,同时冰粒磨料在冲击煤岩前后出现消融现象,符合现有文献研究结果和工程实际情况,表明所建数值模型具有适用性;(3)煤岩纵向破碎深度随冰粒磨料射流速度的增加而线性增加,横向破碎宽度随速度先增加后趋于稳定,煤岩纵向损伤深度约为纵向破碎深度的1.13倍;(4)冰粒磨料掺入纯水射流后,煤岩的纵向破碎深度和横向破碎宽度均出现大幅增加,随着冰粒磨料体积分数的增加,破碎深度和破碎宽度增加的趋势变缓,煤岩横向损伤直径约为横向破碎宽度的1.3倍;(5)煤岩所受围压大幅抑制了其在冰粒磨料射流冲击下的纵向破碎深度,围压越大,纵向破碎深度越小,而横向破碎宽度却几乎不受围压的影响。研究结果可为冰粒磨料射流煤层割缝技术的工程应用提供一定的理论支撑,同时可进一步完善高压磨料射流破岩理论。

煤岩破落过程中螺旋滚筒的可靠性研究

为了研究采煤机螺旋滚筒的可靠性,以散体力学理论与刚柔耦合多体系统动力学理论为基础,利用EDEM软件,建立了采煤机截割部与煤壁耦合的离散元仿真模型,分析了牵引速度与装煤率之间的关系,提取了煤岩破落过程中螺旋滚筒的工作载荷并验证了其可靠性,通过ADAMS动力学仿真分析,并找出了滚筒在工作过程中的应力分布规律。研究表明:滚筒应力随着牵引速度的增大而增大,但装煤率出现先增大后减小的规律,在保证采煤机可靠性的前提下,牵引速度控制在8 m/min左右有较高的装煤率。

冲击加载下煤岩破碎块度与能耗关系的试验研究

利用霍普金森压杆对煤岩进行不同冲击加载下的动态力学测试，研究煤岩破碎块度与破碎能耗之间的关系。利用筛分法确定煤岩破碎后的平均块度，借助分形理论，研究不同冲击加载下煤岩的破碎分形维数、破碎块度；借助不同冲击加载下煤岩的应力-应变曲线，依据应力波理论，分析煤岩的破碎能耗；并研究了煤岩的破碎块度与破碎能耗的关系。研究结果表明，在动态冲击试验下，煤岩冲击破碎后的块度具有较好的分形特性，分形维数能够反映煤岩的破碎和脆性程度。煤岩在不同冲击加载下，破碎平均块度在6-19mm之间。随着冲击加载速度的增大，煤岩越破碎，破碎块度越小，破碎能耗越大。