急倾斜巨厚煤层复杂空间结构区微震时空演化规律及诱冲机理

煤矿冲击地压灾害的发生与空间结构密切相关,尤其在复杂空间结构区灾害发生更频繁。掌握煤层开采复杂空间结构区煤岩灾变规律并揭示其发生机制对于冲击地压防控具有重要意义。以乌东煤矿为研究背景,采用数值模拟、微震监测、理论分析等方法,研究了岩柱应力异常尺寸效应,分析了复杂空间结构区微震时空演化规律,揭示了复杂空间结构下冲击地压发生机理,评估了煤层开采不同区域的冲击危险性。研究结果表明:①急倾斜岩柱厚度更窄、出露高度更大其撬动效应更强,岩厚变异应力异常形成5个分区。②岩柱厚度更窄区域微震频次更多,能量更高,时空活动度更强,离散性更高。高应力区、应力梯度区、应力平稳区依次呈现“低频次-高能量”、“高频次-高能量”、“低频次-低能量”的微震响应特征。③特殊空间结构区域微震事件簇集且能级增大,时空活动度及离散性陡增,尤其在结构边缘该特征更明显,能量积聚及释放速率增大,冲击地压发生的概率及强度更高。位于岩柱更窄区域的特殊空间结构内微震活动更剧烈。④岩柱厚度越窄(煤柱高度越大)则岩柱向深的弯矩及能量增长速率越快,冲击危险性更高。依据结构面强度效应推断出断裂带发生滑移错动,是能量积聚与释放的优势区域。揭示冲击地压发生机理为高静载及低临界载荷共同作用,基于应力集中特征评估煤层开采不同区域的冲击危险性。

复杂软弱煤层条件下高转速大扭矩钻探装备设计及试验研究

复杂软弱煤层的钻孔成孔效果对矿井瓦斯抽采具有重要意义。针对王坡煤矿复杂软弱煤层钻孔施工排渣难、事故率高、成孔难等问题;设计了一种具有高转速、大功率、大扭矩性能的ZDY6000LR型高转速履带式钻机,其最大扭矩6 000 N·m,最大转速400 r/min;通过对钻机的布局、动力头、调角机构、给进机身及液压系统的优化设计,确保在施工过程中能够有效地解决在钻进过程中出现的卡钻、塌孔等问题;开发具有强度高、不易崩齿等优点的Ø95/Ø60.3 mm宽翼片插接密封螺旋钻杆,以及具有强度高、断齿风险低等优点的Ø113 mm、Ø120 mm、Ø133mm三角梯齿PDC钻头。在王坡煤矿3 206工作面现场工业性试验表明:该套钻探装备及钻具组合有效解决了施工过程中存在的排渣难、喷孔顶钻等问题,提高了钻孔成孔率,百米以上钻孔成孔率超过70%,为矿井本煤层瓦斯抽采提供了重要支撑。

中厚偏薄复杂煤层高效开采采煤机研制

针对中厚偏薄复杂煤层高效开采的迫切需求,分析了国、内外同类采煤机的现状,确定了采煤机总体结构形式及主要技术参数,研制了适应最低采高1.7 m中厚偏薄复杂煤层高效开采的MG650/1590-WD2型采煤机,并介绍了采煤机摇臂壳体、紧凑型行走系统、集中加油与集中注脂系统等关键技术以及采煤机现场应用情况。工业性试验结果表明,该采煤机整体运行稳定,实现了安全高效开采,为中厚偏薄复杂煤层矿井建设提供了重要的技术保障。

适应复杂地质大功率薄煤层采煤机研制

研制了MG550/1270-WD型大功率薄煤层智能化采煤机,旨在解决目前薄煤层采煤机普遍存在的产能不足、截割能力偏低、智能化程度不够完善和对复杂地质的适应性差的问题,实现对薄煤层,特别是对复杂地质薄煤层的高效智能化开采,满足市场对薄煤层采煤机高产、高效和高可靠性的需求。

榆神矿区浅埋煤层矩形巷道围岩应力应变场及支护参数研究

榆神矿区所辖煤矿井下巷道支护参数的优化,一定程度上可以提高工作面端头割煤速度、改善回采两巷围岩应力状态、降低支护成本并且提高掘进时效,为煤炭资源的绿色、安全和高效回采提供保障。针对榆神矿区陕北侏罗纪煤田较有普适性的地质条件和开采技术参数,采用复变函数理论对矩形中等断面巷道围岩应力—应变场分布情况进行求解,选择FLAC^(3D)数值模拟软件进行拟合,根据解析结果在原有支护参数的基础上提出优化,认为增加0.2 m顶板锚杆间距、减少锚杆数量,并将顶板锚索由6.5 m延长至7.0 m的巷道支护方案,可在不影响巷道围岩稳定性的同时提高掘进进尺,并为智能快掘4.0装备设计打下理论基础。

南海东部某油田古近系复杂煤层防塌钻井液技术研究

我国南海东部海域深层古近系资源潜力巨大,但多发育风化壳、煤层,其中煤层特别是煤泥互层井壁失稳风险高,钻完井过程中复杂情况频发,极大阻碍了勘探开发进程。针对南海东部某油田古近系复杂煤层的井壁稳定技术难题,通过对煤岩微观结构、力学性能等分析,探讨了其井壁失稳机理,并提出了基于“物理封堵-化学固结-抑制水化”的“多元协同”稳定井壁钻井液技术对策,构建了适合南海东部某油田古近系复杂煤层的防塌钻井液配方。评价结果表明,该钻井液配方具有较好的流变性、滤失性、润滑性、封堵性及抑制性,抗污染性能优良,且可在一定程度上提高复杂煤层岩样的抗压强度,有利于复杂煤层井壁稳定,符合现场钻井工程需要。

大范围复杂夹矸煤层工作面高效回采技术研究

为了研究复杂夹矸煤层条件下高效回采技术,以淮北孙疃矿10111夹矸工作面为工程背景,对工作面现场夹矸进行点载荷实验,得到夹矸的点载荷强度;提出了3种夹矸煤层回采技术方案,并采用了FLAC^(3D)数值模拟方法分析了复杂夹矸层回采技术方案。结果表明:10111夹矸工作面矸石点载荷平均强度为2.23 MPa;对3种夹矸煤层回采技术方案通过数值模拟进行对比验证,最终通过对安全管理、经济效益以及技术难度对比,确定了巨厚段留夹矸回采技术方案更满足高效回采。现场验证表明:10111夹矸工作面出煤量总产量占全矿总产量的76.6%,保证了工作面的高产量,可为复杂夹矸煤层工作面的高效开采提供有益借鉴。

基于高温高压电频谱实验的煤层含水饱和度评价方法

在应用地球物理领域,复电阻率频谱技术在寻找金属矿藏和解决水文地质问题等方面得到了广泛应用,但关于煤样复电阻率的频散机理和含水饱和度评价方法尚待进一步研究。文中选用河南焦作地区煤样开展高温、高压条件下的复电阻率频谱测量,研究了不同温度、压力及含水饱和度条件下煤样的复电阻率频散特征。研究结果表明,煤样复电阻率频谱中界面极化频率与压力、含水饱和度均呈明显的线性负相关关系,与温度呈幂函数负相关关系,而煤样复电阻率频谱频散度与温度、压力及含水饱和度均呈明显的线性关系。研究结果为定量评价温度、压力及含水饱和度对煤样复电阻率频散特征的影响提供了实验基础,为高温、高压条件下煤层含水饱和度的定量评价提供了理论模型。

复杂煤层采煤机滚筒载荷的数值模拟

为解决复杂煤层下工作的采煤机截齿磨损严重、缺失以及滚筒寿命低等问题,通过分析截齿与煤岩的接触位姿以及单齿的力学模型,建立了复杂煤层条件下采煤机滚筒的力学模型。为便于工程分析与应用,适当简化了截齿与煤岩的截割状态,以离散随机过程判断每一时刻截割过程中的受力状态,给出了复杂煤层下采煤机滚筒载荷的模拟算法。该模拟算法可实现任意旋转周期内滚筒三向载荷和负载扭矩的模拟,为采煤机滚筒的数字化设计提供条件。

下向测压钻孔封孔技术研究

目前复杂煤层赋存条件下下向钻孔测定煤层瓦斯压力普遍面临钻孔封孔效果不理想、煤层瓦斯压力测定失败、钻孔进水损坏压力表等问题。针对此,提出了一种新的测压封孔技术即联合持续增压二级封孔测压技术,阐述了该工艺的基本原理,配制了新型发泡水泥和封孔粘液,并进行了工业性试验。试验结果表明,应用该项技术能够有效地动态封堵发育中的裂隙从而实现准确快速测压。

复杂特厚煤层6.2m采高开采工艺优化

复杂特厚煤层6.2 m一次采全高大采高工艺优化是实现安全高效开采的关键技术之一。在大采高工作面(采高大于6.0 m)开采时,覆岩移动及矿压显现周期、强度、范围都发生明显变异。以羊场湾煤矿大采高为背景,根据实际煤层赋存条件和矿压显现规律,采用理论分析、数值计算、物理相似模拟等方法,优化确定回采工艺系统与参数。

煤层底板突水危险性评价模型的建立与应用

分析总结了矿井煤层底板突水的影响因素,在系统收集与分析矿井水文地质资料的基础上,确定了影响张村煤矿二1煤层底板突水的主要因素。对水压、地质构造、隔水层厚度、采动矿压等因素进行了定量评价,借助于地理信息系统(GIS)的空间分析工具,引入多源信息复合方法,建立了煤层底板突水危险性评价模型,并根据张村煤矿二1煤层底板的各影响因素的实际数据,对其底板寒灰突水危险性进行了评价,获取了有效的突水危险性评价结果。

地质构造对煤层复杂性影响的定量评价方法

定量分析地质构造条件对煤层复杂性的影响,进行煤层复杂性的定量评价,对于不同复杂度煤层开采方法的选择等具有重要意义。经过分析和确定煤层复杂性的影响因素,提出"煤层复杂度"概念,并根据煤层复杂度对煤层进行了新的定量分类。通过对影响煤层复杂性关键因素——地质构造的多级定量分析,建立了基于地质构造条件的煤层复杂性评价指标体系,根据模糊数学建立了煤层复杂性评价模型,应用层次分析法确定了各级评价指标的权重,提出了煤层复杂性模糊综合评价方法,实现了煤层复杂性的定量评价。

南梁煤矿近距煤层采空区下开采工作面矿压规律研究

上煤层覆岩结构失稳特征是影响下煤层开采工作面矿压显现的主要因素。针对南梁煤矿30103工作面浅埋近距离煤层采空区下开采条件,采用相似模拟实验及理论分析对覆岩垮落特征和支架阻力进行了模拟研究。结果表明:采空区下开采,基本顶初次来压步距45 m,周期来压步距6~16 m,支架工作阻均小于8500 kN;走向煤柱下开采,基本顶初次来压步距50 m,周期来压步距10~14 m,支架工作阻均小于9000 kN。工作面在集中煤柱下25 m和出煤柱7 m处,上覆岩层发生滑落失稳,对工作面形成明显的动载冲击,支架阻力超过额定阻力,最大值达13158 kN。集中煤柱弱化后,释放了煤柱集中应力,使得来压时上覆岩层形成相互协调破坏,避免了基本顶滑落失稳形成的载荷瞬态释放,支架阻力仅达到8743 kN。采空区下开采顶板动压防控的优先次序为集中煤柱>走向煤柱>采空区。

复杂特厚煤层重复开采条件下上覆岩层变形数值模拟分析

针对采矿工程所处地质环境往往具有较强的非均质特性和复杂性,难以对复杂特厚煤层重复开采条件下上覆岩层的变形特征进行明确解释的问题,以抚顺矿业集团老虎台矿井田东部原生煤体区域为实例,采用MIDAS&FLAC3D数值模拟方法,研究复杂特厚煤层重复开采条件下上覆岩层的变形和破坏规律。研究结果表明,复杂特厚煤层重复开采条件下,工作面回采形成垮落带与裂隙带等破坏范围将受到断层、岩层分界面等结构的制约,在临近断层的断层面和2种不同岩性分界面处产生离层结构,研究成果为该矿及相近条件矿井的防水及顶板维护工作提供了现实依据。

煤矿勘探类型定量化系统的研究

本研究系统应用曲面样条理论、曲面磨光理论、地质统计学理论、模糊数学中的综合评判理论,建立了我国煤矿勘探类型的定量化评价系统。该系统主要包括对地质构造复杂程度的定量指标和定量标准的研究,对煤层稳定程度的定量指标和定量标准的研究,并拟定了我国煤矿勘探类型的定量划分方案。该系统通过对我国12个典型矿区实际资料的统计和验证,取得了令人满意的效果。

复杂赋存条件近水平煤层下保护层保护效果分析

通过数值模拟与现场考察对顾桥煤矿进行下保护层保护效果验证。顾桥煤矿下保护层11-2煤层开采,配合13-1底抽巷卸压抽采瓦斯,若瓦斯抽采率达到60%以上,则在保护层工作面被保护范围内被保护煤层膨胀变形率增大到5‰以上;煤层残余瓦斯含量、残余瓦斯压力、计算瓦斯压力、煤样坚固性系数、瓦斯放散指数及综合指标均不超标,消除了被保护区域13-1煤层的突出危险性,实现垂直保护。且由数值模拟可得被保护煤层受采动影响范围:切眼位置的采动影响线扩展到外侧50 m,工作面位置的采动影响线扩展到外侧100 m。

运动参数对螺旋滚筒截割过程的动力传递问题影响分析

利用ANSYS/LS-DYNA软件建立了复杂煤层条件下螺旋滚筒与煤岩的耦合模型,基于不同工况进行截割过程的动态模拟,提取了滚筒与截齿的工作载荷,并分析了载荷的变化规律。通过对螺旋滚筒截割煤岩的动力学分析得到了由煤到岩变化时螺旋滚筒的应力云图及载荷变化曲线,获取了滚筒与截齿的应力应变等参数的时间历程曲线。研究表明:螺旋滚筒截割煤岩混合界面时,煤岩出现大量崩落,工作载荷波动变大;截齿的最大应力主要集中在合金头齿尖局部接触区域及齿柄头部的轴肩处,齿座最大应力主要集中在其根部;改变牵引速度比改变滚筒转速对滚筒载荷与应力影响更明显。研究成果为薄煤层采煤机螺旋滚筒的结构设计及其截割性能的提高提供了重要参考。

大倾角煤层群开采岩移规律数值模拟及复杂性分析

采用数值计算软件FLAC3D对东峡煤矿大倾角煤层群走向长壁开采进行了数值计算,并结合现场监测进行了对比分析,总结了工作面开采围岩移动的规律性和复杂性.结果表明,在大倾角煤层群开采时,无论是围岩应力还是岩层运移都表现出与单一大倾角煤层不同的特征,变化现象趋于复杂,上层煤开采不仅影响了上覆岩层的运移规律,而且对下层煤产生了扰动,影响了下层煤开采,其主要表现为上层煤开采的卸载扰动和支架、采空区垮落体的加载扰动.研究结果为现场开采实践提供了科学依据.

岩溶陷落柱围岩支承压力-渗流演化特征数值模拟

为保证含陷落柱复杂煤层的安全开采,合理确定煤柱尺寸对于此类煤层水害防治至关重要。采用理论分析与数值模拟建立固-液耦合模型计算手段,计算了孔隙水压力与安全煤柱尺寸之间关系,分析了开采过程中围岩支承压力演化过程、围岩变形破坏规律、渗流演化特征等。结果表明:随着陷落柱内部孔隙水压力的不断增加,满足安全需求的煤柱尺寸增加;围岩应力分布特征呈“拱壳”型,拱顶在工作面倾斜上部区域;开采引起的围岩支承压力与陷落柱体侧支承压力存在“增强-降低-再增强”演化过程;支承压力叠加导致工作面围岩产生大量裂隙是陷落柱导水通道产生的主要原因;工作面围岩塑性区分布呈“马鞍形”;随着工作面不断推进,渗流影响范围不断增大,渗流轮廓呈梯度型分布,煤柱处孔隙水压力不断升高;综合确定了合理煤柱尺寸。研究结果为现场实际生产提供参考依据。