我国深部冲击地压防控工程技术难题及发展方向

随着煤矿开采深度不断加大,我国深部冲击地压发生及其防治变得常态化,为了提高深部冲击地压防控技术成效,从深部冲击地压防控现场工程技术难题出发,结合灾害防治工程实践数据统计,分析了我国深部冲击地压防控因自身地质赋存地应力高,人为开采扰动范围大,灾害防治过程围岩卸压后应力恢复快,冲击地压防治成效低下原因归结于防冲卸压工程实施与浅部开采相比,面临“三高一低”防控技术新要求,包括高强度的大尺寸钻孔卸压,以解决厚硬煤层不容易塌孔问题;小间距高密度施工钻孔,以解决钻孔卸压范围不联通问题;多轮反复高频度施工,以解决深部煤层卸压后应力恢复快问题;采掘工作面进尺低速度推进,以解决开采扰动强度大问题。针对深部冲击地压“三高一低”防控新要求模式,为了进一步提高冲击地压防控安全可靠性,以常规源头防控冲击地压采用优化开拓开采部署的局限性为背景,提出了深部冲击地压上覆岩层结构与载荷主动调控区域防控冲击地压技术,并提出了进一步需要解决的科学问题;以近年来几起典型的冲击地压事故存在防治方案“漏靶”问题为背景,开发了深部冲击地压采掘空间局部靶向防控技术,并指出了下一步还需要解决的科学难题;以煤矿冲击地压防治措施实施后,难以评判安全性问题为背景,提出了深部冲击地压防治卸压达标评判技术,并指出了下一步还需要解决的科学难题;以煤炭行业大力推广开采智能化,治灾仍需靠人工,人员处于高危环境作业问题,探索了深部冲击地压防治过程智慧智能化新兴研究方向及其面临的科学难题。最后,客观的指出,冲击地压防控绝不纯粹是理论与技术问题,人类对专业问题的认知也是酿成事故的重要原因之一,结合现场工程实践,讨论了冲击地压概念、冲击地压机理是否清楚、冲击地压能否预测、冲击地压能否防治以及冲击地压矿井怎么办等行业焦点专业问题,指出冲击地压工程难题是人类与自然界作斗争,需要从业人员客观认知,客观接受并深入研究,成效是显著的。

大型深海超高压模拟试验装置的研制及应用

深海超高压模拟试验装置是海洋装备与关键技术材料进行压力测试的必要实验系统。传统一体式筒体结构的深海超高压模拟试验装置已经无法满足“全海深”背景下大容积和大压力的测试需求。基于预应力钢丝缠绕技术,研制了一套大型深海超高压模拟试验装置,该套装置筒体内径2.8m,筒深4.0m,最高工作压力180MPa,能够实现筒内环境数据采集及压力比例自动控制。运用该装置圆满完成了我国全海深载人潜水器“奋斗者”号固体浮力材料和载人球壳的压力试验,为2020年11月10日“奋斗者”号在马里亚纳海沟成功下潜10909m奠定了非常重要基础。相对于传统深海超高压模拟试验装置,该装置具有更高的承压性能和安全性能,突破了预应力钢丝缠绕框架式主机结构设计及研制、比例加卸压控制技术、大孔径密封结构设计及在线超高压检测系统设计等关键技术研究,为我国研制大容积、大压力的深海环境模拟技术与装备提供重要参考。

白云鄂博西矿含铁岩选矿工艺试验研究

为实现白云鄂博西矿TFe品位13%~16%铁素资源(含铁岩)的回收利用,本文以含铁岩为研究对象,通过采用化学分析、X射线衍射仪、光学显微镜等检测手段研究其矿石性质,并在此基础上进行系统的选矿试验。研究结果表明:该含铁岩中TFe品位13.14%,可回收的主要金属矿物为磁铁矿,占全铁比例为52.28%。含铁岩需破碎至−3 mm时才能获得TFe品位20%以上的预选粗精矿,且通过阶段破碎-分级预选流程试验可获得尾矿抛除产率56.01%、粗精矿TFe品位20.62%、磁性铁品位14.80%、TFe回收率69.19%、磁性铁回收率94.27%的技术指标,推荐采用三段破碎-两级预选-高压辊磨超细碎抛尾的原则流程作为预选技术改造方案。将预选粗精矿细磨至−0.045 mm含量85.80%时,经过两次弱磁选后最终获得TFe品位65.10%、TFe回收率50.25%、磁性铁回收率93.03%的合格铁精矿。该研究结果可为含铁岩的高效回收利用提供科学依据。

深井高应力超前工作面爆破切顶卸压护巷加固技术研究

以赤峪煤矿C1205工作面地质条件为背景,分析了超前支承压力影响范围,提出了在工作面主动超前卸压与大巷加固相结合的巷道围岩控制技术,对比分析了工作面超前切顶卸压与不切顶对大巷的保护作用,设计了超前切顶参数及大巷加固方案。结果表明:超前工作面爆破切顶人为构造“准裂隙面”,可有效减弱超前支承压力向大巷的传递,工作面回采超前支承压力集中程度降低,距离停采线最近的输送机下山两帮变形量降低47%,顶底板变形量降低43%,取得了较好的卸压效果。采用该技术后,深井高应力工作面回采引起的大巷失稳问题得到有效解决。

综合物探在高海拔深切割地区金多金属矿勘查中的应用

以东昆仑中段窑洞山东金多金属矿为例,开展高海拔深切割地区大比例尺地面高精度磁法测量和激电中梯剖面测量工作,圈出磁异常27处和高阻异常带33条,推断出构造蚀变破碎带10条;经探槽和钻孔揭露验证,激电中梯异常带与构造蚀变破碎带完全吻合,圈定26条金矿体和1条铅锌矿体;物探剖面能快速发现弱磁性体和含矿石英脉,指出成矿的有利地段;高磁异常区和高阻异常带是寻找构造蚀变岩型金多金属矿的重要的物探找矿标志。

深沟球轴承中球的自转规律研究

建立航空发动机高低压转子系统中深沟球轴承的拟静力学模型,运用Newton-Raphson法进行求解,分析载荷和转速对深沟球轴承内部载荷分布和球自转规律的影响。结果表明:深沟球轴承在转速不高时,径向力的改变对钢球自转角速度的影响不明显,而在转速较高时,随着径向力的增加,钢球自转速度逐渐增大;随着径向力的增加,承载区最外侧钢球的自转角速度比承载区内侧钢球的自转角速度增幅大;随着转速的增加,钢球的自转角速度增加。

浅埋煤层大采高工作面矿压显现规律及支架适应性

为研究浅埋煤层大采高工作面矿压显现规律及支架适应性情况,采用KBJ-60Ш-1型综采支架工作阻力连续记录仪对酸刺沟煤矿首采工作面进行实测分析。结果表明:工作面初次来压步距52 m,与理论计算结果54.1 m基本吻合;周期来压步距随工作面推进速度的增大而增大,工作面推进速度为4 m/d、13 m/d时,周期来压步距分别为12.8 m、21.8 m;来压期间;工作面中部支架工作阻力大,达到额定工作阻力支架的比例达96%;工作面两端支架工作阻力小,不超过额定工作阻力的支架比例达91%。最后根据支架运行特性分析,论证了所选用的2400/5000-2×4412-1750型液压支架可以满足来压期间的顶板岩层控制要求。

深井高应力难采煤层上行卸压开采的研究与实践

以新汶矿区为工程背景,深入研究了采动覆岩裂隙亚分带特征、覆岩运动与结构分带特征、上行卸压开采作用效应,建立了上行卸压开采可行程度的评价方法,论证了深井复合顶板煤层上行卸压开采的可行程度,通过应用实践根除了深井高应力难采煤层的多重障碍,为上行卸压开采的可行程度判别、区域划分、开采部署提供了决策依据.

钢管混凝土支架在千米深井动压巷道中的应用

为解决华丰矿煤矿-1 100 m水平大巷支护过程中出现的围岩变形量大、变形持续时间长的问题,采用现场地质调查、理论计算和现场监测相结合的方法,分析了围岩变形特征和巷道失稳破坏的原因,在此基础上,依据深井巷道承压环强化支护理论,提出了基于钢管混凝土支架的高强度复合支护形式:支架断面设计为弧墙半圆拱形,主体钢管选用194 mm×8 mm无缝钢管,充填C40钢纤维混凝土,辅助锚网喷支护和围岩加固注浆。研究结果表明:该支护体系能够给围岩提供0.93 MPa以上的支护反力,可有效抑制围岩向巷道空间内移动,支护稳定后,巷道围岩最终变形量小于150 mm,满足巷道变形要求;围岩结构的非对称性会导致围岩产生非对称变形,应结合支架承载力监测数据加强对变形关键部位的控制。

深部煤层开采高承压水突水预报及控制

以煤矿沉积岩体的工程地质、水文地质结构为切入点,利用地震和地质雷达技术实现软弱结构面的准确空间定位和岩体结构的精细探测。在 GIS 的支持下,建立煤层底板突水预测模型,提出底板突水评价指标体系,为煤矿深部开采提供系统的理论基础和安全可靠的技术方法。采用先进工艺的注浆堵水技术,对高承压水实施封堵,堵水效果 100%。为深部煤层高承压含水层上安全开采提供了一套较成功的预报和控制技术。

大采深矿井地面区域治理奥灰水害关键技术研究

为安全开采邯邢矿区深部煤炭资源,提出了"区域超前治理"奥灰岩溶水害理念,开展了华北型煤田大采深高承压水安全开采成套技术研究课题;从理论上研究得出"分带分时段突破"底板突水机理;采用阻水系数法评价试采区底板隔水层承压能力;成功地研究出地面多分支近水平定向钻探关键技术;从岩石力学和水动力学阐述了裂隙含水层中水平孔注浆浆液扩散机理,并给出了孔距计算公式;对于钻遇岩溶或断裂构造状况,研究出了铺底浆液控制技术。地面区域超前治理奥灰水害成套技术在九龙矿成功应用,取得了显著技术经济与环境效果。

千米深井大倾角煤层综放采场矿压显现实测研究

针对开滦赵各庄矿3237深部大倾角综放工作面的矿压显现和围岩活动规律进行了全面的实测研究,通过多种观测手段和研究方法,获得了大量的观测数据,初步掌握了大采深大倾角厚煤层条件下综放开采工作面矿压显现的基本规律与顶板的运移特征,得出了大采深与大倾角回采巷道变形与支承压力的分布特征。

大采深矿井高承压奥灰岩溶水综合治理技术

针对峰峰矿区煤层采深大,承受奥灰岩溶水水压高,隐伏导水构造类型多,赋存条件和探测条件复杂的水文地质环境,分析研究峰峰矿区奥灰岩溶水突水资料和水文地质特点以及对开采的影响,提出了工作面底板注浆加固与改造技术,奥灰含水层顶面注浆加固技术,裂隙、断层、陷落柱含导水构造通道治理技术,水平多分支井技术,水害监测预警技术等奥灰岩溶水水害综合治理技术方案,实践证明该配套技术可有效防范奥灰岩溶水水害。

华北型煤田深部开采底板“分时段分带突破”突水机理

通过对华北型煤田大采深高承压水和下组煤开采条件下10起较典型的煤层底板承压突水实例进行深入系统分析,基于时空4维结构概念,首次提出了"分时段分带突破"的煤层底板突水机理。从空间上即上组煤2号主采煤层至煤系基底奥灰强含水层之间,以薄层灰岩含水层为界分4个隔水地质单元,以因采动影响而产生的各种破坏损伤及原始导升裂隙带等按阻水能力为界划分11个阻水"分带",并建构了6种突水模式;从时间上按煤层底板渗水及突水通道形成进程划分4个"时段";在此时空概念基础上运用地质结构力学、水动力学、线性断裂岩石力学和非线性系统动力学等进行了相关实验及综合分析,给出了相应时段的煤层底板突水判据。

深厚表土覆岩结构运移演化及高应力突变致灾机理

覆岩运动演化是井下动力灾害孕育发生的根本原因,掌握具体地层条件下覆岩运动规律及其演化致灾机理对实现动力灾害防控具有重要意义。以3301工作面为工程背景,综合运用相似模拟、理论分析与现场实测相结合的方法,研究了表土层−基岩不同厚度组合变化下基岩、表土层及地表下沉盆地的整体破坏形态与联合运移演化规律,揭示了2类典型表土层−基岩组合条件下的覆岩结构运移演化规律及采动应力传递形成机制,推导获得了巨厚表土薄基岩条件下的支承压力定量表达式,并提出了高应力突变致灾宏观判别准则,现场工程实践验证了模型合理性。得到主要结论:①煤层开采后软弱基岩呈现非对称“类梯形”破坏形态,巨厚松散表土层呈现“倾斜漏斗形”破坏形态,表土层运移演化具有响应速度快、运移范围广、下沉系数大的特点;②表土层−基岩双层介质在不同厚度组合条件下的运移演化规律具有较大差异,厚表土层薄基岩(I型)条件下,基岩自下而上发生塑性破裂,破断岩体块度小,难以形成稳定结构;厚表土层厚基岩(Ⅱ型)条件下,基岩由塑性破裂逐渐转化为块式破断,破断步距逐步增大,关键层效应逐渐突显,破断后形成结构的承载能力提高,能阻止上覆表土层的运移和沉降,地表下沉量出现一定程度的减小;③深厚表土薄基岩条件下,工作面前方大范围表土层向采空区发生运移,载荷集中作用在工作面上方基岩和超前煤体内,同时由于基岩软弱、破断岩块尺寸较小、无法形成规模悬顶的特点,限制了载荷向煤壁前方更远处传递,致使呈现应力峰值大、影响范围小、波动性大特点;④建立了考虑深厚表土大范围运移、基岩塑性破裂特征的支承压力估算模型,获得了支承压力计算方法,并以3301工作面具体参数为例,估算出其支承压力影响范围为72 m,峰值为44.2 MPa,应力峰值距煤壁23 m,具有一定冲击风险;现场地表沉降特征与采动应力监测结果验证了理论分析与相似模拟结果的科学性。

采场大面积压架冒顶事故防治技术研究

针对我国煤矿长壁工作面大面积压架冒顶事故时有发生,严重影响矿井安全高效生产的问题,通过案例调研、现场实测、模拟试验与理论分析,对我国采场大面积压架冒顶事故发生条件、发生机理及其防治对策进行深入系统的研究。结果表明:除坚硬顶板引起的大面积压架冒顶事故外,浅埋煤层开采、松散承压含水层下开采、特大采高开采等三类条件是我国煤矿近年来采场大面积压架冒顶事故的多(易)发条件;覆岩关键层破断结构因其上覆载荷过大而滑落失稳是造成上述三类条件下采场大面积压架冒顶的根源;根据具体开采条件下的覆岩关键层结构特征进行危险区域的预测是大面积压架冒顶灾害防治的前提,设计合理的支架工作阻力是防治压架冒顶的有效技术措施,但部分条件下单纯依靠提高支架工作阻力来防治大面积压架冒顶灾害仍难以实现,还需实施其他措施进行防范。

按沉陷深度控制的深海沉积物承载力分析方法

采运设备沉陷深度和深海沉积物承载能力是大洋资源采运设备设计的重要依据.首先从研究深海沉积物物理力学性质特点及其沉陷与承载机理入手,针对深海沉积物抗剪强度随深度变化的特征,利用极限平衡理论建立了采运设备沉陷深度分析模型;其次,考虑到深海沉积物承载能力与采运设备沉陷深度的相关性,在采运设备沉陷深度分析模型研究基础上,采用按沉陷深度控制深海沉积物承载能力的思想,提出了按采运设备沉陷深度控制的深海沉积物承载能力分析方法;最后,通过实例分析与室内模拟试验,验证了本文模型的合理性与可行性.

深部矿井开采问题与发展前景研究

通过分析深部矿井开采所面临的主要困难,指出深部岩体在高地应力、高地温、高岩溶水压的条件下,导致围岩的力学性质与浅部有很大的区别。提出了现在深井开采中所需解决的几个问题。如何正确认识由于开采深度增加所带来的问题,是解决实际问题的关键。

亭南煤矿深埋大采高综采工作面矿压规律研究

针对亭南煤矿深埋大采高综采工作面冒顶、煤壁片帮事故频发问题,对该矿205工作面、回采巷道矿压分布规律和工作面煤壁片帮、冒顶情况和回采巷道支护效果进行了系统的观测。观测结果表明:205深埋大采高工作面矿压显现剧烈,且冒顶片帮集中发生在工作面中部位置;回采巷道超前支承压力和超前支承压力影响范围较大,回采巷道收敛变形大,且有冒顶片帮发生;工作面周期来压时工作面与回采巷道有明显的来压现象。根据观测结果分析,提出控制工作面冒顶片帮的建议,并给出了回采巷道的支护方案。

高突危险水体上煤层开采下限及带压开采分区研究

确定开采下限,对高突危险水体上煤层的安全开采具有十分重要的意义。本文基于肥城矿区地质条件,用FLAC3D软件,对开采煤层下伏岩层移动变形规律进行了深入研究,对煤层底板三带范围进行了初步确定;同时,从不同方面对煤层底板开采破坏深度进行了理论计算。根据突水系数、导水带深度、导升带高度和经验数据,确定出正常条件下带压开采的下限(-720m)以及安全措施条件下(底板预注浆处理等)的带压开采下限(-850m)。依据开采下限,对带压开采条件进行了分析,初步形成了高突危险水体上煤层带压开采的分区分类,划分了"开采相对安全区(安全开采区、次安全开采区、条件安全开采区)、深部突水危险区、构造突水危险区",为确定安全开采技术与工艺奠定了理论基础。