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。

大倾角采场围岩应力分布及矸石充填特征的倾角效应研究

煤层倾角是造成大倾角采场采动力学行为呈现复杂性、特殊性,诱发众多灾害事故的重要因素之一,为揭示煤层倾角对大倾角采场围岩控制及矿压显现特征的影响规律,采用物理相似模拟和数值计算相结合的研究方法,在综合分析了大倾角工作面顶板破断运移及矸石滑滚充填特征的基础上,利用有限元−离散元(FLAC2DPFC2D)耦合算法建立了不同倾角的大倾角采场耦合数值模型,研究了大倾角采场围岩应力分布及矸石充填特征的倾角效应。结果表明:①采动作用下,大倾角采场顶底板内围岩应力均呈非对称拱形分布,随着煤层倾角增大,拱形垂直应力释放区范围和向上部偏移程度逐渐增大,但水平应力释放区范围和应力值逐渐减小,无论是垂直应力还是水平应力都易在工作面上下端头顶板处出现应力集中,但最大集中应力会随煤层倾角的增大而减小;大倾角工作面顶底板内应力大小和传递方向均存在非对称特征,随着煤层倾角增大,工作面顶底板应力拱高逐渐降低,围岩应力的传递方向以围岩涌向采出空间为主,由初始近似竖直方向逐渐偏转趋于工作面垂向。②工作面顶板破断及矸石的滑滚充填具有时序性和分区演化特性,并随煤层倾角的改变而呈现一定的倾角效应。随着煤层倾角增大,直接顶的初次破断位置将逐渐向工作面倾向上部区域转移,同时由于重力沿工作面倾向的分力变大,矸石沿倾向的充填程度更为密实,但充填长度减小,工作面中上部区域高位岩层的破碎程度和空洞范围增大。③采空区内矸石对围岩的作用机制主要体现在提供侧向应力和竖向支撑2个方面,且受矸石重力作用影响较大,会随煤层倾角改变呈现较强的倾角效应。

火烧区富水下倾斜煤层开采导水裂隙带发育特征研究

为研究火烧区富水情况下煤层开采安全问题,需要准确分析开采覆岩导水裂隙带发育情况。运用有限元ANSYS模拟计算,基于第一强度理论,根据上覆岩层抗拉强度值,选择第一主应力值在1.5 MPa时的曲线范围作为导水裂隙带发育高度范围,并运用井下双端堵漏法进行观测验证,较为准确。研究得出导水裂隙发育强度准则可采用第一强度理论,第一主应力值在1.5 MPa时,导水裂隙带发育曲线范围在50.17~62.13 m,上边界未与火烧区沟通,下边界存在与上覆火烧区沟通现象,即火烧区积水是开采煤层的重大水患;同时在煤层倾斜情况下,导水裂隙带发育高度上边界要大于下边界,因此计算倾斜煤层导水裂隙带发育高度时,要考虑煤层倾角的影响。

大倾角厚煤层开采不同采高与放煤步距的影响分析

大倾角厚煤层是我国面临的重要的煤层开采形态,由于煤层的倾角较大,造成开采难度的增加。采用放顶煤综采过程中,不同的采高及放煤步距对顶煤的放出具有重要的影响作用。针对大倾角厚煤层开采过程中,不同采高及放煤步距对顶煤采出率的影响采用PFC仿真模拟的方式进行分析。建立了不同参数的开采模型,对开采过程进行仿真模拟,得到采高为4 m放煤步距为1.6 m(两采一放)的开采工艺为最佳的开采参数,此时顶煤的采出率最高,且具有较好的操作性。

大倾角三软煤层回采巷道围岩变形破坏特性研究

采用相似模拟方法进行不同应力条件下大倾角煤层回采巷道的围岩破坏特性研究,结果表明,随着顶压系数k的增加,顶底板逐渐出现离层、剪切、滑移直至冒落,0≤k≤2时,锚网索支护起到了良好的锚固作用。k>2.5时,锚网索支护逐渐失效,巷道两帮中部及顶板中部破坏明显;随着顶压系数的增加,顶底范围的巷道分维数增速较快,增量显著,两帮范围的分维数D在增量和增速方面比顶底较低,说明顶底受顶压的影响大于两帮。顶板锚杆锚索轴力大于两帮,左侧顶部、帮部应力大于右侧;顶压系数0≤k≤2时,测点位移量较小,断面收缩率较低,锚网索支护效果较好,顶底板的变形量大于两帮,左侧(留三角煤处)变形量大于右侧,顶板及两帮中部变形量最大。

注浆技术在大倾角综放工作面采空区防灭火中的应用

以9307大倾角综放工作面回采为工程背景,为有效解决采空区内自然发火问题,提出在采面回采期间综合采用埋管、插管方式对采空区进行注浆,回采后利用邻近的1360西大巷向采空区进行注浆。通过注浆覆盖采空区遗煤、隔绝氧气并降低采空区温度。对9307综放工作面布置的注浆技术方案进行详细分析,工程应用后,采面液压支架后CO体积分数随注浆时间增加呈快速降低趋势,注浆完成1个月后采空区内及采面各位置均未监测到CO,表明现场使用的注浆防灭火技术效果显著,可为9307大倾角综放工作面安全高效回撤创造良好条件。

基于不同倾角的上覆遗留煤柱下巷道合理布置数值模拟分析

晋能控股煤业集团有限公司晋华宫煤矿11^(#)煤层开采后存在遗留煤柱,对下层12~#层的应力环境将会产生影响,其中河北12^(#)煤层307盘区煤层倾角从5°至15°变化不等。基于巷道蝶形破坏原理,采用数值模拟的方法对晋华宫矿不同煤层倾角条件下巷道的合理布置位置展开研究,结果表明:当煤层倾角为0°时,巷道内错20 m以上布置时较为合理;当煤层倾角为5°时,巷道内错27.5 m以上布置时较为合理;当煤层倾角为15°时,巷道内错35 m以上布置时较为合理。显然,当煤层存在倾角时,在巷道合理布置位置的基础上将内错距增加0.5~1.0 m/°可以使巷道处于良好的应力环境内。为晋华宫矿煤柱下巷道布置提供参考依据。

大倾角煤层长壁采场矸石局部充填覆岩运移规律模拟研究

为进一步探究大倾角煤层长壁开采条件下工作面顶板覆岩运移的细节特征,以教学二矿大倾角煤层为研究案例展开研究。通过现场调研获取数据,应用FLAC 3D数值模拟软件建立开采工作面的数值模型,通过控制变量的实验方法,选取不进行充填、充填1/5、充填1/3、充填1/2和充填2/35种典型情况,分别对这5种典型情况下的顶板位移、应力分布和塑性区特征进行详细分析。结果表明,合理增大充填比有助于降低覆岩层的应力与位移值,并有助于降低煤层顶板破坏范围,同时工作面长度的延长对于顶板的力学性能存在更多的负面影响。因此最终确定充填比例为2/3,工作面长度75 m为相对合理的参数组合。

适应煤层倾角的不同放煤方式研究

我国存在大量的大倾角煤层,这些煤层的倾斜较大,受到的重力及矿压作用不同,因此,采用不同的放煤方式开采倾斜煤层会产生不同效果。为了研究不同倾斜度煤层的开采效果,采用PFC 2D仿真分析的形式对不同倾角煤层3种放煤方式的放煤过程进行模拟分析,并统计分析顶煤的放出率。结果表明,当煤层倾角小于35°时,单轮顺序放煤的效果最佳,当煤层倾角大于35°时,双轮顺序放煤的效果最佳。

大倾角中厚煤层柔模砼墙沿空留巷围岩控制技术研究

为解决坚硬顶板条件下大倾角中厚煤层综采工作面沿空留巷顶板不易垮落、矿压显现剧烈的难题,以绿水洞煤矿3121工作面沿空留巷为工程背景,提出了“预裂爆破切顶卸压+挡矸网防冲+柔模砼墙护巷+加强支护”围岩控制技术,确定了沿空留巷围岩支护参数。现场工业性实验表明,顶板采用预裂爆破切顶卸压方式,有效形成短臂梁结构,降低巷道采动压力;采用柔性挡矸网与柔模砼墙,能有效缓解矸石冲击力,与碎胀矸石共同提供较大支撑阻力;通过巷内加强支护和滞后区临时支护减少围岩破坏、提高巷道稳定。通过该围岩控制技术,获得较好的围岩控制效果,为类似工程地质条件下沿空留巷提供科学技术指导。

大倾角煤层长壁开采顶板应力传递路径倾角效应

大倾角煤层安全高效开采的关键是对围岩的有效控制,而发现并揭示围岩采动应力的时空演化特征及其倾角效应是围岩稳定性控制的基础。以新疆某矿25221工作面为工程背景,采用现场实测、理论分析与数值计算相结合的研究方法,在综合厘定与分析工作面矿压显现一般规律及其成因的基础上,研究顶板采动应力传递路径的时空演化特征及其倾角效应。结果显示:在大倾角煤层开采中,顶板采动应力随工作面推进的动态演化过程先后经历了增长期和稳定期,其对应支承压力峰值的演化呈现为先增大后趋于稳定的特征。受煤层倾角影响,顶板采动应力的三维传递演化沿走向对称、沿倾向非对称。在倾向剖面内,顶板应力的传递路径呈非对称拱形形态,且沿顶板自上而下,应力偏转位置由工作面倾向中轴线左侧逐渐向其右侧迁移,上覆岩层载荷以应力偏转界线为界,分别向倾向上、下侧煤体传递,造成倾向上侧支承压力集中系数大于下侧。在工作面走向剖面内,围岩应力的传递路径呈扁平拱形态,扁平拱两侧半拱形区域上覆岩层载荷除了向工作面走向两侧煤体传递外,亦向工作面倾向上、下侧煤体传递,而扁平拱中间直线段区域上覆岩层载荷主要向倾向上、下侧煤体传递。随着煤层倾角的增大,围岩应力传递演化的非对称特性显著增大,应力偏转界线与工作面倾向中轴线间的距离逐渐增大,2者交点的高度呈现为增—减—增的演化趋势;受此影响,工作面走向和倾向上侧支承压力集中系数亦呈现出增—减—增的演化趋势。顶板应力的非对称时空演化特征,造成采场空间不同区域顶板的力学性状与行为存在显著差异,这种差异性导致倾向不同区域支架的受载与失稳特征亦存在显著差异,且这一现象会随着煤层倾角的增大而愈发明显。

大倾角松软特厚煤层综放开采关键技术研究

针对大倾角松软特厚煤层综放开采存在的关键技术问题,借助FLAC数值模拟软件确定支架的合理支护强度应为0.6MPa。采用PFC数值模拟方法研究优化了放煤工艺确定放煤步距为1.2m时,顶煤采出率最高;放煤顺序为工作面上端从上向下放煤利于提高支架稳定性;其它部分从下向上放煤利于提高顶煤采出率。提出运用综合技术措施解决大倾角工作面防倒、防滑难题。经现场应用,取得了良好的经济与社会效益。

大倾角煤层综采工作面液压支架失稳机理与控制

针对大倾角旋转俯伪斜大采高综采面液压支架稳定性控制特点,结合潘二矿12124综采工作面地质与工程条件,开展了破碎顶板和软煤条件液压支架与刮板输送机稳定性控制机理与方法研究。基于现场观测数据分析,构建了大倾角综采工作面液压支架倾倒与下滑两种失稳模式,对比分析了支架受力特征,揭示了支架失稳与煤层倾角、支架顶梁和直接顶的摩擦因数之间的关系。推导了液压支架带压移架的"带压临界值",提出了铺金属网带压擦顶追机移架方法。综合分析设计了旋采段回采调斜比例为1∶3,并确定了俯伪斜回采段输送机下滑量不应大于304 mm,并通过设置了防倒、防滑千斤顶的"三机"联合防倒滑措施,有效控制"三机"稳定性及片帮、冒顶,实现了大倾角厚煤层安全高效开采。

大倾角大采高综采面倾向长度尺度效应分析

以大倾角大采高综采为背景,通过理论分析、相似模拟和现场实测,对大倾角大采高综采基于工作面倾向长度尺寸效应导致的围岩灾变机理进行了分析,研究认为大倾角煤层直接顶和基本顶运动的不协调性使得控顶难度加大,工作面直接顶沿倾向可分为充填稳定段、易溃屈段和滑移段结构,相应矿压显现特征则呈现典型的"弱—强—弱"分布,即溃屈段为矿压显现最强烈区域,也是影响矿压显现的主控因素,对于特定赋存条件大倾角煤层,其工作面长度存在"临界尺寸",工作面支护强度的确定除满足直接顶岩层岩法向方向的自重和部分基本顶载荷外,还需满足上部直接顶滑移产生的附加载荷,其中阻止溃屈段顶板的离层是支护强度确定的主要依据。

薄煤层大倾角采煤机的应用与展望

介绍了国内外薄煤层电牵引采煤机的应用与发展,重点介绍了MG200/456-QWD型薄煤层大倾角电牵引采煤机的原理、应用及其发展趋势。

煤层倾角对滚筒工作性能影响的仿真研究

为研究采煤机滚筒与围岩的相互作用机制,以MG500/1180-WD型号采煤机为研究对象,利用EDEM离散元仿真软件建立滚筒截割过程的三维仿真模型,综合考虑煤岩块度、顶板压力对滚筒工作性能的影响,研究采煤机截割煤岩的动态过程,分析工作倾角、走向倾角对采煤机装煤率、截割阻力及截割比能耗等因素的影响。结果表明:当工作倾角在-20°～0°范围内,走向倾角在0°～10°范围内时,其对采煤机工作性能影响较小,能够满足采煤机的装煤效率,及截割稳定性。当工作倾角绝对值较大,走向倾角为负值或绝对值较大时,其对采煤机工作性能影响显著,可考虑改变采煤机工作参数,如:降低滚筒转速、提高采煤机牵引速度,适当调整截深有效提高采煤机工作性能。为实现采煤机高效截割提供了改进参考。

巷道两帮煤岩体电磁辐射信号差异分析

根据平煤集团十一矿己二采区煤层具有弱冲击倾向性和属于中等冲击危险采区这一事实,采用电磁辐射预测预报冲击矿压技术,对该采区掘进巷道进行了冲击危险性预测预报,通过对监测到的电磁辐射信号进行分析,得出沿煤层走向掘进巷道的两帮电磁辐射信号存在较大差异这一结论.通过对巷道两帮电磁辐射信号来源、发生机理以及巷道两帮煤体受力情况进行分析,找出了巷道两帮电磁辐射信号有较大差异的原因和影响因素,根据该项技术分析以及所得出的结论,可通过分析冲击矿压危险巷道的地质条件提前对巷道两帮的冲击危险性作出初步对比判断,从而节约冲击矿压防治成本,促进煤矿安全高效生产.

不同煤层倾角开采地表下沉规律的模型试验研究

设计了基于煤层倾角变化的相似材料模型试验,以工业近景摄影测量系统为观测手段,对所获得的数据进行处理,得出不同倾角模型地表的下沉曲线。分析了随着煤层倾角的变化地表下沉曲线形态的差异性,并基于概率积分法对预计模型进行修改,通过MATLAB软件进行函数拟合,得出缓倾斜煤层与急倾斜煤层开采地表预计都适合的预计函数数学模型。

大倾角煤层群下行开采底板破坏机理及工程应用

为保证本煤层正常回采以及下部近距离煤层安全开采,须对采动底板破坏机制进行深入研究。以淮南某矿大倾角大埋深厚煤层开采为背景,建立了底板破坏力学模型,分别从沿走向和沿倾向的理论公式得出各自底板最大破坏深度,再比对结果确定整个工作面底板的最大破坏深度以及最大破坏深度出现的位置。通过在底板不同层位铺设测线,得到回采时垂直应力和剪切应力的分布情况及峰值大小曲线。将所得曲线进行对比分析,揭示了底板破坏过程应力分布规律以及峰值出现部位。其研究结果对于大倾角近距离煤层群的安全回采以及大倾角大埋深厚煤层底板承压水采煤工作面制定防治水措施具有指导意义和参考价值。

大倾角薄煤层综采高效回采工艺实践

结合8241采煤工作面煤层较薄、倾角较大,而且变化频繁、不稳定等特点,通过设备选型和改进液压支架,对大倾角薄煤层综采装备及回采工艺进行实践和探讨,对大倾角支架的防倒、防滑问题提出简单、实用、可靠的解决方法,为薄煤层大倾角综采支架的性能改进提出建设性的意见,取得较好的技术经济效益。