Back-and-forth mining for hard and thick coal seams—research about the mining technology for fully mechanized caving working face of Datong Mine

The article introduced the key technology, mining process, and back-and-forth mining method for the caving working face of hard-thick coal seams in Datong mine, and researched this innovations process, optimized the systemic design and working face out-play, tried to perfect the caving mining technology of hard-thick coal seams further.

中深部孤岛工作面窄煤柱沿空掘巷支护技术研究

孤岛工作面沿空掘巷存在围岩变形严重、控制难度大、成本高的问题。以某矿5103回风顺槽为研究对象,运用多种设计方法,综合确定护巷煤柱最佳宽度为6 m;提出顶板围岩浅部基础层、中部承载层和深部强化层多圈层高效支护技术,以长锚杆+柔性锚杆+长锚索为主形成多圈层承载结构。通过在5103回风顺槽进行工业试验表明,巷道围岩变形得到有效控制,取得良好的安全、经济效益,可为相似条件下孤岛工作面的开采提供借鉴。

工作面尺度和顶煤厚度影响下的放煤规律研究

结合理论分析、数值模拟和工程测试,对顶煤放出规律进行分析,探究顶煤厚度和工作面尺度对放煤结果的影响规律。研究表明:煤岩模型尺度对顶煤运移状态影响较小,对工作面放煤结果的统计分析会产生明显影响;放煤口数目由40增长到100,工作面顶煤回收效率由68%增长到77%,放出煤量和放煤时间明显减少;采用全尺度煤岩模型的放煤模拟更加符合工程实际。随顶煤层厚度由2 m增大到5 m,顶煤回收率由78%逐渐降低到71.6%;总放煤时间非线性增大,各支架放煤波动性增大。

厚煤层大采高智能化综采工作面关键技术研究与应用

针对付村煤矿井下综采装备落后、开采成本高的问题,综合考虑生产安全、经济效益、资源回收等多方面因素,提出了在付村煤矿建立厚煤层大采高智能化工作面的构想。根据付村煤矿3上煤层赋存条件,基于智能化工作面设备集成控制平台,结合大采高液压支架智能化电控系统、大采高采煤机智能化控制系统及移动互联网云存储系统,重点突破了工作面主要设备姿态监测、大采高工作面智能化开采工艺、远程控制与集中监控等技术,实现了采煤机自主定位、记忆截割、液压支架自动跟机移架、全工作面一键顺序启停、故障自动顺序停机、三机协同控制,优化升级了矿井信息化系统,建立了智能化综采工作面互联网云平台。结果表明:自2017年11月在付村煤矿3上1008工作面进行工程应用以来,工作面生产班工作人员从12人减少为5人巡视检查,减员率达50%以上,日采煤达6000 t,技术应用效果显著,建立了枣矿集团6 m厚煤层智能化开采的生产模式,为厚煤层大采高智能化生产系统的发展提供示范与实践基础。

远距离斜交工作面上行开采上组煤垂直应力演化规律

为探究平煤八矿远距离煤层群斜交工作面上行开采过程中上组煤层垂直应力演化规律,采用数值模拟计算的方法展开研究。研究结果表明,己_(15)-21030工作面回采过程中与上覆戊_(9.10)-21070工作面依次形成相离、相交和重叠的空间关系,因此会使上组煤层应力增高或降低。相离区域为应力升高区,受下组煤采动影响应力整体呈升高趋势,应力集中系数最大为1.18;相交区域为卸压过渡区,戊_(9.10)-21070工作面应力由增压变为卸压,最大卸压值较原始应力降低了25%,倾向卸压影响范围为55 m;重叠区域为卸压区,受己_(15)-21030工作面采动影响卸压效果及卸压范围均进一步增大,最大卸压值较原始应力降低了40%,倾向卸压影响范围增大至180 m。将戊组煤层戊_(9.10)-21070工作面根据应力分布云图依次划分为增压区、应力过渡区、卸压区和稳定卸压区。通过现场瓦斯含量测试验证了卸压区残余瓦斯含量比原始区域残余瓦斯含量降低32.9%,远距离煤层群上行开采形成卸压区有利于瓦斯治理工作的开展。

厚硬顶板刀把形采空区下综放工作面冲击地压机制研究

不规则的开采空间结构可增大煤矿冲击地压危险,研究多煤层复杂开采空间结构下工作面冲击机制对煤炭资源安全采出具有重要意义。综合采用理论分析、数值模拟、现场监测等方法,研究了某矿井W1123综放工作面的动静载分布特征,分析了冲击显现机制,提出了针对性的防冲措施并进行现场应用。结果表明,上覆刀把形采空区和厚硬顶板综合作用下W1123工作面动静载分布具有区域性特征,当工作面仅受到刀把形采空区的“刀柄”作用或同时受“刀柄”和“刀身”作用时,工作面中下部和区段煤柱静载集中、动载扰动剧烈,工作面回风巷围岩也存在动静载集中,且距离刀把形采空边界越近则围岩动静载越高;仅受“刀身”作用时,工作面回风巷围岩静载集中受动载扰动。工作面静载集中区和动载扰动区重合,动静载叠加造成冲击显现。依据刀把形采空区结构特征,W1123工作面回采期间冲击类型依次为强动载型、高静载强动载型、高静载型。数值模拟和现场监测揭示的冲击危险区与理论分析结果一致。针对W1123工作面静动载分布特征,优化设计了冲击地压防治措施,增大了厚硬顶板处理高度和破碎程度、增加了工作面运输巷煤体爆破和煤柱切顶以降低顶板和煤体应力和能量集中;优化措施实施后,工作面微震事件日均能量总体下降54%,大能量事件大幅减少,冲击地压危险显著降低。该研究结果可为相似条件矿井的冲击地压防治提供借鉴。

巨厚砂泥岩下开采对上覆公路安全性影响分析

为研究巨厚砂泥岩下深部开采对斜交—平行工作面公路安全性的影响,以鄂尔多斯红庆河煤矿为例,分析上覆公路在工作面煤层开采后受到地表沉降影响的延续时间、水平变形、倾斜变形、曲率变化及开采过程中公路沉降等情况。结果表明,当公路平行于采空区走向边缘外时,公路受地表沉陷影响较小,水平变形以拉伸变形为主,横向倾斜变形值变化幅度不大,曲率的下沉曲线以下凹为主;当公路斜交穿过采空区上方地表时,公路受地表沉陷影响较大,纵向水平变形以压缩变形为主,横向水平变形则以拉伸变形为主,纵向倾斜变形量先沿工作面开采方向减小,再沿反方向逐渐增大,位于采空区正上方地表的公路下沉曲线以下凹为主,而在采空区边缘外的公路下沉曲线则以上凸为主。

澄合矿区导水裂隙带发育高度多元线性回归方法预测

通过收集澄合矿区多个工作面导水裂隙带高度实测结果,采用多元线性回归分析的方法分析导水裂隙带高度的主控因素,拟合形成导水裂隙带高度与煤层开采厚度、工作面埋深、工作面倾向长度之间的各相关公式。采用拟合公式计算澄合矿区山阳煤矿1503、1506工作面导水裂隙发育高度,计算得到的工作面导水裂隙带发育高度与微震监测结果基本吻合,表明拟合公式获得的导水裂隙带估算值较为准确。在澄合矿区应用性较好,为澄合矿区相似地质条件的工作面导水裂隙带高度预测提供一定的参考依据。

厚煤层工作面切眼支护设计与应用分析

以古城矿N1306工作面切眼为工程背景进行支护系统研究分析;基于围岩自稳平衡拱理论和悬吊理论分别确定切眼巷道顶板和两帮破坏深度分别为2.28 m和2.39 m,计算确定锚杆和锚索有效支护长度分别2.4 m和10.3 m,并确定支护系统的有效性。得到数值模拟得到,在两帮位置应力较为集中,应力集中系数1.92,底板变形较大,最大变形量为140 mm。设计的支护系统通过工业性试验确定切眼巷道围岩变形快速增长周期为60天,其中两帮变形量和顶板下沉量最大值分别为162 mm和200 mm,说明支护系统能有效控制切眼巷道围岩变形要求。

小甘沟煤矿综放采空区三维流场演化规律及自燃区域判定

针对放顶煤开采采空区遗煤量大的实际特点,采用现场测试和数值模拟的方式开展小甘沟煤矿11121综放工作面复杂氧化条件煤体下采空区三维流场演化规律研究及自燃危险区域判定。通过FLUENT模拟不同配风量及压注参数等条件下采空区流场演化规律。结合束管及温度动态监控系统,提出以采空区氧浓度、漏风风速和孔隙率相结合的采空区自燃危险区划分方法,精准判断采空区自燃“三带”范围,综合判定小甘沟工作面自然发火危险区域,有效提高采空区自燃危险性预测准确性。

浅埋厚煤层综采工作面采空区自燃“三带”划分

采空区中氧气作为助燃物质,是造成采空区遗煤自燃的主要因素,而其主要来源为采空区漏风。为了探究采空区自燃“三带”和漏风规律,检测了氧气和一氧化碳的浓度分布情况。对苏家沟煤矿4109南工作面和4109工作面自开切眼至开采到一定范围内采空区氧气、一氧化碳等5种气体浓度变化的规律进行检测观察,根据现场生产实际和地质条件,对综采工作面推进速度、采空区自燃“三带”分布范围、5种气体的浓度关系和自燃危险区域的主要参数进行了分析和计算。研究结果为苏家沟煤矿综采工作面及相似工作面采空区自燃“三带”划分研究和遗煤自燃防治工作提供了一定借鉴。

巨厚砾岩层下综放工作面冲击地压危险性评价和矿震发生特征分析

为有效监测和防治综采工作面冲击地压事故,以耿村煤矿巨厚砾岩层下综放工作面为工程背景,采用综合指数法评价综放工作面冲击地压危险性,利用微震监测结果研究综放工作面回采期间矿震特征。结果表明:(1)13230综放工作面冲击危险性指数为0.65,属于中等冲击地压类型;(2)综放工作面回采期间矿震主要发生在工作面前方顶底板煤岩体中,工作面处于“见方区”时发生矿震的频次、最大能量和总能量均明显高于“非见方区”的,“见方区”矿震的震源主要位于工作面前方中部顶底板煤岩体和运输平巷上帮顶板煤岩体中;(3)综放工作面顶板周期来压期间通常伴随大能量的矿震事件。研究结果可为耿村煤矿综放开采冲击地压监测和防治提供参考。

深埋特厚煤层多工作面开采地表移动规律研究

深埋特厚煤层多工作面开采相互影响剧烈,地表移动呈现出特殊规律。以彬长矿区文家坡煤矿41盘区4103、4104和4105工作面为例,采用数值模拟、现场实测等研究手段,探讨新工作面开采对已采工作面地表移动的影响,得出覆岩及地表应力分布特征与变化规律。研究表明:新工作面开采加剧了已采工作面地表的移动,随着新工作面开采数目的增多,已采工作面地表下沉值与水平移动值增幅逐渐变小并趋于稳定,且受相邻工作面开采影响最大。通过理论分析将深埋特厚煤层多工作面开采覆岩及地表应力划分为拉应力区、压应力区和拉压应力转化区,其中新工作面开采使老采空区覆岩产生应力扰动与面间煤柱应力集中,且覆岩压应力与面间煤柱压应力增幅程度与地表移动程度呈正相关。研究成果为深埋特厚煤层多工作面开采地表损伤预测与防治奠定基础。

倾斜厚煤层综放工作面伪斜长度与上隅角瓦斯浓度耦合机制研究

倾角煤层的开采,常伴随输送机上窜、下滑问题。一般通过增加伪斜长度来确保液压支架的正常移动,并为机头机位提供更多作业空间,但伪斜长度增加会影响架间和上隅角瓦斯变化,导致工作面出现瓦斯浓度异常现象。针对倾斜厚煤层开采中容易出现上隅角瓦斯超限的问题,应用Fluent数值模拟软件,分析不同伪斜长度下采空区瓦斯浓度分布规律,确定最优伪斜长度。为研究采空区瓦斯运移规律,应用Fluent数值模拟软件,在伪斜长度分别为20、25、30、35 m条件下对“U”型通风方式下的采空区瓦斯分布及流场情况进行研究。模拟发现:伪斜长度在一定程度上影响采空区内的风流,使得采空区内风流紊乱,瓦斯局部地区集聚严重,进而对采空区内的瓦斯分布及运移造成一定的影响。研究结果表明:工作面伪斜长度对于采空区瓦斯浓度分布有显影响,随着伪斜长度的增加,采空区内风流发生提前转向,导致采空区瓦斯提前向工作面涌出,瓦斯异常区从上隅角处逐渐向工作面偏移,上隅角瓦斯浓度逐渐降低。通过模拟结果对现场伪斜长度优化应用后,试验工作面在伪斜长度25 m左右时,上隅角、回风巷最大瓦斯体积分数均控制在1%以内,工作面未出现瓦斯异常积聚现象。模拟结果与现场观测结果吻合,得到最优伪斜长度为25 m。

中厚煤层千万吨级超长工作面矿压显现与覆岩活动规律研究

为探究综采工作面长度显著加长后工作面矿压显现和顶板活动的新特点,以国内首个中厚煤层千万吨级450 m超长工作面为工程背景,基于支架压力和微震实时监测手段,全面分析了超长工作面支架阻力分布、增阻特性和覆岩破断微震能量分布特征。研究结果表明:综采工作面长度由300 m加长为450 m后,支架阻力沿倾向分布特征由单峰状转变为双峰状,工作面支架支护强度平均增大约7%,工作面加长后,工作面矿压显现强度整体增强;超长工作面来压期间支架增阻形式主要为“对数-指数”复合函数型增阻,呈现先快、中缓、最后短时急速增阻的特点,超长工作面大截深开采是造成采煤循环末期支架快速增阻的主要诱因,在顶板状态不稳的情况下,应适当减小采煤机截深并提高支护质量;工作面覆岩破断微震事件的发生能量小、频次低,主要活跃在工作面后方40 m至前方80 m范围,微震事件分布特征表明超长工作面顶板垮落及时,无长距离悬顶现象,不易造成强动载事件,在垂直方向微震事件主要分布在垂高25m以下顶板,厚度17.82 m的细粒砂岩基本顶是造成工作面矿压显现的主导岩层,高位岩层破断对工作面矿压显现影响较小。

红庆河矿典型工作面冲击地压灾变机理及防治

针对深部高静载应力环境下采掘工作面局部应力集中导致煤岩动力事件频发的问题,以新街矿区红庆河矿采煤工作面为工程研究背景,结合工作面开采方式与采掘期间煤岩动力事件对3-1煤层地质条件进行初步分析;运用数值模拟软件对工作面采动应力场和能量场进行模拟,分析3-1103综采面回采过程中采场潜在的易煤岩冲击失稳区域和冲击地压孕育-灾变机制,研究危险区域煤岩灾变力源、影响因素及防控措施。结果表明:①3-1103综采面回采期间顶板岩层结构、采空区、区段煤柱等是影响冲击地压的主要因素;②模拟得到3-1103综采面回采期间采场易冲击失稳区域位置及特征,确定了采场范围内存在5个强冲击性和11个中等冲击性区域;③提出了包括切断冲击力源、降低应力集中、阻隔高集中应力传递三个方面的采场高静载或高静载+动载区域分源防控技术,对煤岩冲击失稳危险区域回采前进行预先卸压、回采期间局部解危和防冲减冲处理。

19 m特厚煤层孤岛综放面小煤柱沿空巷道煤柱宽度选择及工程应用

为研究19 m特厚煤层孤岛综放工作面小煤柱沿空巷道煤柱合理宽度,以东古城煤业Z109工作面为研究对象,采用极限平衡理论经验公式,计算得到沿空巷道合理煤柱宽度理论值为7.7~9.1 m;采用FLAC^(3D)软件建立了不同煤柱宽度的数值计算模型,分析了孤岛工作面围岩应力分布规律以及不同煤柱宽度条件下掘巷和工作面回采阶段沿空巷道围岩及煤柱破坏特征,确定了煤柱合理宽度为8 m;通过现场实测,得到了掘巷及回采期间巷道围岩变形量,实测结果表明巷道围岩变形得到有效控制,护巷煤柱留设宽度选择较为合理。本文研究成果对于指导特厚煤层孤岛综放面小煤柱沿空巷道合理煤柱宽度选择具有一定的理论意义与工程意义。

急倾斜煤层分段开采下部煤岩体应力及位移演化规律

为了掌握急倾斜特厚煤层分段开采时工作面下部煤岩体应力及位移演化规律,采用数值模拟方法研究了工作面下部煤岩体和工作面底板的应力及位移分布,并分析了分段高度和开采深度对下部煤岩体应力及位移的影响。研究表明:上分段开采后,下部不同深度煤岩体卸压范围均呈长轴沿煤层走向的椭圆状,但卸压范围并不对称,底板侧和顶板侧的煤岩体卸压程度不同,靠近底板侧卸压程度更大。下部煤体卸压深度大小为底板侧>工作面中部>顶板侧。煤层底板不同深度出现不对称卸压区,靠近回采分段上端部的煤层底板处垂直应力明显集中。急倾斜煤层分段开采,段高对下部煤体的卸压深度范围影响较小。开采深度不同时,随着埋深增加,工作面下部煤岩体应力集中区域增大,下部同一深度煤体的垂直应力、垂直位移均出现明显增加,开采深度对工作面下部煤岩体的卸压范围影响明显,埋深越大卸压范围也越大。

不同煤厚综放工作面合理放煤工艺数值模拟研究

同忻煤矿8202综放工作面顶煤回收率较低,为提高煤炭资源采出率,利用CDEM建立沿工作面倾向的数值模型,模拟研究综放工作面顶煤厚度分别为4.0,8.0,12.0 m时不同放煤工艺的放煤过程,分析煤矸分界面和顶煤回收率的变化规律,优化不同顶煤厚度条件下放煤工艺参数。结果表明,顶煤一次放出的厚度越大,各放煤口放煤量差异越大,放煤过程中煤矸互层越严重,煤矸分界面越混乱,顶煤回收率越低。对比可知,8202综放工作面采用三轮顺序放煤工艺时顶煤回收率最高。

特厚煤层孤岛工作面小煤柱巷道“支-卸”控制技术研究

针对特厚煤层孤岛工作面来压强烈、留设宽煤柱造成资源浪费的问题,基于极限平衡理论计算小煤柱合理宽度,通过强力锚杆锚索支护和“水力压裂+爆破”卸压技术进一步控制巷道变形。研究结果表明:小煤柱巷道应布置于端头顶板破断稳定后的“弧形三角块”结构下方,煤柱塑性区宽度为3.5 m;根据小煤柱近场变形机理,提出了以提高锚杆锚索的控制范围、煤帮护表范围、煤帮的表面张力、煤柱帮抗滑移能力为原则的强力支护系统;根据小煤柱远场应力环境,提出工作面侧采用水力压裂,采空区侧采用爆破的立体层次卸压工法;采用联合作用后,底鼓量减小了56%,小煤柱侧变形减小了74%,满足巷道使用。