The influence of inter-band rock on rib spalling in longwall panel with large mining height

In order to improve rib stability,failure criteria and instability mode of a thick coal seam with inter-band rock layer are analysed in this study.A three-dimensional mechanical model is established for the rib by considering the rock layer.A safety factor is defined foy the rib,and it is observed that the safety factor exhibits a positive correlation with the thickness and strength of the inter-band rock.A calculation method for determining critical parameters of the rock layer is presented to ensure the rib stability.It is revealed that incomplete propagation of the fracture at the hard rock constitutes a fundamental prerequisite for ensuring the rib stability.The influence of the position of the inter-band rock in the coal seam on failure mechanism of the rib was thoroughly investigated by developing a series of physical models for the rib at the face area.The best position for the inter-band rock in the coal seam is at a height of 1.5 m away from the roof line,which tends to provide a good stability state for the rib.For different inter-band rock positions,two ways of controlling rib by increasing supports stiffness and flexible grouting reinforcement are proposed.

厚煤层大采高综放工作面覆岩断裂演化规律研究

大采高综放开采易形成强烈的矿压显现,上覆岩层的断裂演化规律对工作面安全生产至关重要。以羊场湾煤矿160206工作面为工程背景,运用相似模拟试验、数值模拟和理论分析的综合研究方法,对大采高综放工作面覆岩的断裂过程与覆岩运移规律进行系统研究。研究表明:导水裂隙带内岩层随工作面推进表现为“台阶下沉”,同层岩层下沉趋势沿走向表现为“急剧下降—稳定(最大值)—快速上升—稳定(最小值)”。工作面覆岩运动场由两区分布(加速下沉区、缓慢下沉区)演化为三区分布(加速下沉区、缓慢下沉区、稳定区)。对离层演化与地表下沉规律进行了定量描述,运用理论计算表达式深入地剖析了地表的动态下沉机理及其相关因素。结合相似模拟与数值模拟的试验结果,提出了覆岩断裂演化的形态变化特征:覆岩断裂形态由“单等腰梯形”演化为“双等腰梯形”,表土层影响区由“矩形”演化为“倒梯形”。分析了覆岩中垮落区、离层区、压实区、裂隙富集区的动态演化过程:垮落区逐渐增大至一定程度,高度小幅度降低并趋于稳定,离层区由下至上逐渐发育并随工作面向前移动,离层区逐渐闭合形成压实区,且压实区逐渐增大并最终保持稳定,裂隙富集区位于采空区前后端部并随工作面向前移动。

基于大尺寸工程模型的排尘系统实验及参数优化

为解决某高瓦斯矿综掘面粉尘污染问题,通过COMSOL软件对压入式通风下粉尘于不同区域运移特性进行研究;选取3种排尘系统参数(风筒风速、压风距离、风筒悬挂高度),以进风侧、回风侧及掘进机操作台位置粉尘质量浓度为分析指标,借助大尺寸工程模型对每种参数下4个方案进行相似实验,优选排尘系统参数。结果表明:压风出口处负压影响下掘进机机尾存在粉尘回流,并于掘进机操作台处积聚;排尘系统参数以风筒风速16~20 m/s、压风距离8~11 m、风筒悬挂高度3.4~3.7 m设置时,掘进机操作台位置最大粉尘质量浓度降低49.02%,排尘40 min清除掘进机两侧96.58%浮尘,提升了压入式通风为基础的排尘系统抑尘效果及排尘效率。

大采高综采面喷雾降尘系统优化与应用分析

针对大采高综采工作面粉尘污染严重、降尘效果不佳的问题,以大柳塔煤矿开采层作业区为例,运用数值模拟的方法对喷雾参数进行优化,通过对现有喷雾降尘技术的梳理与比较,提出了支架接尘、煤机内外喷雾与尘源跟踪喷雾相结合的综合降尘技术。现场应用效果表明:风速为1.5 m/s时优先选用HH9.5喷嘴;随着压力的增大,喷雾面积及高浓度喷雾区域呈上涨趋势,压力为6 MPa时经济效益最佳;喷雾综合降尘技术对总粉尘的降尘率达90.11%~94.43%,对呼吸性粉尘的降尘率达81.96%~84.40%,工作面空间内的总粉尘质量浓度可低至20 mg/m^(3),呼吸性粉尘质量浓度低至10 mg/m^(3)。综上所述,喷雾综合降尘技术能够有效降低工作面粉尘浓度,提升煤矿安全生产水平,可为大采高综采工作面粉尘防治工作提供有益参考。

大采高综放工作面开采沉陷规律数值分析及其监测试验研究

为了研究金鸡滩煤矿浅埋深大采高综放工作面开采地表沉陷与变形规律,通过现场监测、数值模拟、理论分析等多种手段,得到了上述浅埋深大采高综放开采的地表移动规律。通过绘制工作面回采过程中沿走向和倾向主断面的地表下沉、倾斜、曲率、水平移动、水平变形和下沉速度变化曲线,确定了地表移动启动距、超前影响角、最大下沉速度滞后角、移动过程持续时间等动态移动参数。根据最终的地表下沉和水平位移观测结果,确定了地表移动稳定后的角量参数,包括沿走向和倾向的边界角、移动角、裂缝角、最大下沉角、充分采动角等。根据117工作面地质采矿条件构建了开采沉陷数值计算模型,利用FLAC^(3D)计算机模拟软件揭示了浅埋深大采高工作面开采引起的岩层与地表的位移分布特征、应力分布特征,并通过对塑性区的分析,得到开采区上方的垮落裂缝带高度达120 m,地表开采裂缝预计深度在27 m以内,整个采深为260 m。通过模拟分析、理论计算和现场实测得出的下沉曲线基本吻合,表明通过三者结合的方式可以有效监测大采高综放开采下的沉陷,为金鸡滩煤矿及其他类似地质条件下的矿区地面保护工作提供可靠的科学依据。

塔山煤矿特厚煤层综放面顶煤冒放性研究

为研究特厚煤层综放工作面顶煤冒放性,结合塔山煤矿10501工作面5号煤层的开采条件,分别从埋深、煤体强度、煤体裂隙发育程度、夹矸强度和厚度、采放比等方面分析了顶煤冒放性的主要影响因素,数值模拟了2号和5号煤层采动对顶煤破碎效果的影响。根据理论分析、数值模拟结果,采取相应措施后,夹矸破碎程度高,顶煤冒放性好,达到了预期工程效果。

大采高综采工作面风流流动规律数值模拟分析

为了更好地掌握大采高综采工作面风流流动及分布规律,以便了解工作面粉尘运移状况,基于风流流动数学模型,根据神东补连塔煤矿22306大采高工作面实际情况,建立相应的物理模型,并采用FLUENT软件进行了模拟。

平朔井工二矿1103采面初次来压数值模拟分析

针对平朔集团有限公司井工二矿1103采面11号煤层开采问题,采用综放采煤法回采,拟采用大采高一次采全高综采采煤法开采.为保证安全生产需进行初次来压分析.运用FLAC计算软件模拟分析研究初采阶段初次来压规律,分析判断来压位置和来压强度.结合研究理论分析总结老顶初次来压规律.研究结果对该矿具有重要意义,确保该矿继续安全高效生产,同时也为其它相似地质条件的矿井生产提供重要参考价值.

大采高综采工作面粉尘运移分布规律及机载除尘器关键工艺参数研究

为了更详细了解大采高工作面分区尘源粉尘运移分布规律,以补连塔煤矿12511综采工作面为研究对象,利用流体力学CFD软件对8 m大采高综采工作面粉尘运移分布规律进行数值模拟研究。结果表明:由垮落煤层产生的粉尘在风流的作用下向采煤机后方扩散,高浓度粉尘团运动最高点可达5 m,且沿程粉尘质量浓度逐渐降低。高浓度粉尘团主要集中在采煤机前后10 m范围及底板靠挡煤板一侧,最高粉尘质量浓度可达3500 mg/m^3。为了有效降低工作面粉尘质量浓度,防止污染井下工作环境,提出在大采高工作面安装机载除尘器的方法来控制尘源处粉尘向人行侧扩散,达到净化作业场所的目的。通过研究除尘器吸尘口位置、处理风量对工作面粉尘运移分布规律及降尘效果的影响,得出大采高工作面最优降尘效率的吸尘口位置及处理风量适配组合,最大降尘效率可达到99.9%。

特厚煤层综放开采倾向大比例试验平台研制与应用

综放开采是我国特厚煤层高产工作面最主要的采煤方法,其中放煤方式是影响顶煤回收率的重要因素。为了提高特厚煤层综放开采顶煤回收率,基于综放开采顶煤放出散体介质流运移规律和特征,针对现有放顶煤试验平台工作面方向放煤试验较少、相似比例小、支架个数少、放煤口大小无法控制等问题,研制特厚煤层综放开采倾向大比例试验平台,相似比1∶10,含有19个放煤口模拟装置,可实现工作面方向不同放煤方式、不同放煤口大小、不同煤层倾角、不同顶煤厚度、不同煤矸粒径等条件下的放煤试验。采用该平台能够对不同放煤方式下放煤漏斗形态发育特征和各放煤口放出量特征进行研究,可通过多次试验,探寻合理的放煤方式,从而提高矿井资源采出率以及生产效率。以此平台对塔山矿8222工作面“分段四级一次”放煤方式成功进行了物理模拟试验。

大采高综放小煤柱沿空掘巷围岩稳定性数值模拟研究

以羊场湾煤矿130205超大采高综放工作面为背景,以实用矿山压力理论为指导,运用FLAC 3D数值模拟方法对该工作面回风巷道6 m小煤柱沿空掘巷围岩应力分布进行研究。研究表明:小煤柱风巷岩体塑性区范围为0~10 m,高应力区范围为10~14 m;工作面回采期间巷道两帮最大移近量为600 mm、顶底板最大移近量为430 mm。回采期间6m小煤柱中心处约有1.5 m稳定区。通过围岩应力分布规律研究,证明巷道变形量在可控范围满足生产要求,为大采高综放小煤柱沿空掘巷围岩稳定性提供了科学依据。

大采高综采工作面覆岩破坏机理及显压规律分析

为了探究大采高综采工作面覆岩破坏机理及矿井显压规律,以淮南矿区谢桥煤矿1242(3)工作面(5.1 m平均采高)为研究对象,采用数值模拟分析和现场实测等方法开展研究。通过对比分析,验证工作面不同推进距离条件下工作面覆岩破坏高度、破坏程度、预测支撑阻力、矿井来压位置及来压步距,定量地表示了大采高综采工作面覆岩破坏机理及矿井显压规律。研究结果表明,在工作面推进10 m、40 m及150m处分别有直接顶初次来压、基本顶初次来压和充分采动体现,且在向前推进至100 m前、100~150 m、超过150 m时,覆岩顶板破坏高度趋势分别为增加迅速、增加变缓、破坏程度基本不变,并推算最大支撑阻力不超过16000 kN/架,且要控制开采速度将矿压显现甩向采空区。工作面推进中,工作面煤壁前方始终存在应力集中现象,顶板和底板始终出现应力降低现象,当工作面推进90~100 m,具有顶板应力降低区域单峰状向双峰状及多峰状趋势发展,并预测了来压位置、来压步距及超前支承压力影响范围。现场实测数据与模拟来压位置、模拟来压步距及模拟液压支架阻力比较,模拟效果较为贴合。

大采高综采覆岩裂隙演化特征三维实验研究

上覆岩层裂隙区域是瓦斯运移储集通道,为准确得到大采高综采条件下裂隙演化特征,以山西天池煤矿202工作面为原型搭建了三维物理相似模拟模型,采用声发射监测系统、三维模型剖切等方法得到覆岩裂隙发育过程及裂隙分布特征。结果表明,202工作面基本顶初次垮落步距为36 m,周期来压步距为16~27 m,周期来压平均步距18 m;采用物理模型剖切的方式得到采动覆岩裂隙高度及三维分布形态,垮落带高度15 m,是采高2.9倍,裂隙带高度64 m,是采高12.5倍;覆岩垮落裂隙三维形态为“椭抛体”。在煤层倾向及走向上,覆岩整体下沉趋势为“凹”型,距离煤层底板10 m处上覆岩层下沉量最大为3.5 m,越往上下沉量越小,岩层下沉呈梯形分布;在走向及倾向方向裂隙密度均呈现“双驼峰”状,倾向裂隙区位于工作面0~30 m与90~120 m范围内,走向裂隙区位于切眼侧0~30 m与停采线侧160~200 m范围内,裂隙区裂隙密度达5条/m,中部压实区裂隙密度在1~2条/m之间,回风巷侧裂隙区为高位巷布置最佳区域,能够有效提高瓦斯抽采效率,对工作面及采空区瓦斯治理具有重要意义。

特厚煤层综放工作面顶煤变形力学分析及试验研究

根据斜沟煤矿23103大采高综放工作面特厚煤层赋存条件,运用力学分析、PFC数值模拟和1∶40的大比例物理模拟试验,研究了大采高综放工作面顶煤的变形规律。结果表明:①随着顶煤厚度的增加,支承压力的峰值强度降低,峰值点距煤壁距离增加,支承压力影响范围加大;②顶煤在支承压力峰值区主要为剪切破坏;邻近工作面的煤壁,支承压力降低,顶煤的破坏主要为拉伸破坏;③煤壁前方顶煤运移以水平方向的变形为主;控顶距上方顶煤运移以垂直位移为主;④顶煤是以受拉破坏为主造成冒落;采高4 m时,顶煤垮落角平均值为67.36°,顶板断裂期间,顶煤垮落角的平均值为76.54°。给出顶煤滞后垮落的处理措施,对斜沟及具有相似赋存条件的煤层,具有一定的指导意义。

特厚煤层顶煤渐进破坏的块体-颗粒耦合模拟研究

为研究特厚煤层大采高综放开采过程中顶煤随开采进程的渐进破坏行为,探索FLAC3D块体和PFC3D颗粒动态耦合的三维数值模拟方法,考虑多台液压支架协同作用并采用Fish语言编写移架和放煤口控制算法,基于离散裂隙网络模型开发顶煤损伤裂隙的监测程序,实现顶煤裂隙发育过程可视化,在耗费较短计算时间和占用较小运行内存条件下可较为准确实现顶煤压裂、破碎直到散体放出全过程的工程尺度三维数值模拟。结果表明:顶煤裂隙在控顶区急剧发育,其中下部顶煤裂隙发育速度较快,然后逐步向上发展,这使得下部顶煤裂隙逐步贯通直至破碎为散体放出,上部顶煤主要以块体形式逐步破碎;破碎顶煤运移为垂直和水平方向的三维矢量合成运动,液压支架后方采空区内的条带状散体顶煤垂直位移集中区是导致遗煤出现的主要原因;力链体系演化可反映顶煤破碎机制,强力链束和拉力链的周期性作用使顶煤发生周期性破坏。该研究方法对于实现三维自动化多支架复杂放煤方式模拟、揭示顶煤破坏运移机理、指导放煤支架选型具有重要意义。

超大采高综采面风流-粉尘耦合扩散特性研究

针对超大采高综采技术在煤炭高产的同时产生高浓度粉尘污染扩散的问题,应用Fluent软件对上湾煤矿8.8 m超大采高综采面风流-粉尘耦合扩散特性进行模拟,得到了较为准确的粉尘运动规律,对模拟结果分析并在现场进行数据测量比对验证了模拟结果的准确性。结果显示,风速在超大采高综采工作面中呈现增-减-增的规律,并且在采煤机附近发生大幅度的横向风流扰动;粉尘从滚筒产生后更易在机道侧扩散,靠近底板处粉尘浓度高,在采煤机下风侧100 m内形成了浓度大于1 000 mg/m^(3)高浓度粉尘带。粉尘在各个高度空间内的分布相对均匀,但也呈现出了随高度的增加而减小的趋势。最终结合粉尘污染规律提出了滚筒喷雾与液压支架喷雾联合降尘及化学抑尘剂湿润底板等措施。

大采高综采工作面支承压力分布模拟研究

针对大采高回采工作面矿压显现严重的问题,利用现场数值模拟手段,分析研究大采高工作面支承压力分布的特点。结果表明,工作面支承压力影响范围随采高加大而增加,支承压力峰值随着采高的加大逐渐向工作面前方移动,超过峰值点后都呈单调下降趋势。工作面推进速度与工作面支承压力的显现规律呈相反关系,即推进速度快,矿压显现不明显,推进速度慢,矿压显现相对明显。采高加大,垮落带范围增大,断裂带的高度升高。

特厚煤层大采高综放开采矿压规律

为了对特厚煤层大采高综放开采矿压规律进行深入研究,以某煤矿15 m特厚煤层为实例,结合离散元法数值模拟和现场实测的方法对首采工作面矿压规律进行研究。现场实测结果表明,基本顶呈现周期性破断,周期来压步距在15~23 m范围内变化,且倾向方向工作面周期来压步距基本一致,来压期间动载系数不大。数值模拟结果表明,特厚煤层大采高综放开采过程中,基本顶中形成稳定的砌体梁结构,解释了开采过程中矿压显现不明显且来压期间无明显冲击载荷的现象。研究表明,该煤矿特厚煤层大采高综放开采工作面来压周期性比较明显,呈现高频率、低强度的特征,工作面液压支架满足安全生产要求,超前支护50 m较为合理。

浅埋煤层大采高工作面矿压显现规律研究

以神东矿区石圪台煤矿31201工作面为研究对象,根据围岩物理力学参数,构建平面相似模拟模型。在实验过程中分析模拟支架的力学特征,支架额定工作阻力18 000 k N能够满足生产需要。相似模拟实验结果能够为浅埋煤层大采高工作面安全高产高效生产及支架选型、超前支护步距确定提供参考。

大采高工作面煤壁片帮力学机制与深度研究

为了揭示大采高工作面煤壁片帮发生机理,确定片帮位置与深度,基于弹性力学、PFC^(2D)数值模拟等方法,对神东矿区补连塔煤矿12511大采高综采工作面片帮机理进行研究;揭示了工作面煤壁渐进劣化特征,建立了工作面"薄板"力学模型与煤壁片帮深度经验计算公式,进而推导出煤壁变形的挠度方程,确定支架护帮结构控制煤壁片帮的技术。结果表明:工作面煤壁片帮失稳位置在采高的0.579倍处;最大煤壁片帮深度0.98~1.61 m;调整工作面支架顶梁前端结构,确定工作面支架的护帮结构平均支护强度应大于0.16 MPa。