浅埋深煤层开采地表漏风规律及封堵技术

浅埋深煤层开采后引发的地表漏风易致采空区遗煤自燃,为治理地表漏风,对大南湖一矿综放面地表裂隙分布范围及宽度进行了实测及绘图,基于SF_(6)示踪气体检漏技术,定性、定量研究了地表漏风规律,得到了不同地表裂隙治理后的漏风量计算方法,形成了适用于大南湖一矿浅埋深煤层开采的地表裂隙封堵技术。

浅埋厚煤层工作面CO来源分析与防治技术研究

以8112工作面为工程研究对象,对采面回采期间回风隅角及回风流中CO来源进行分析,判定CO是采空区遗煤氧化导致。结合现场情况以及矿井防灭火设备布置情况,提出综合采用注氮、喷洒阻化剂抑制采空区遗煤氧化。针对8112工作面在初采、正常回采、末采及设备回撤期间的特点,针对性提出防灭火技术措施,并进行工程应用。现场应用后,8112工作面在回采期间回风流、回风隅角位置监测的CO浓度始终保持在安全范围内,表明采用的防灭火技术措施效果显著,可为采面煤炭安全高效回采创造良好条件。

负压通风在浅埋深复采煤层回撤工作面的应用

薛虎沟煤矿2#浅埋深复采煤层回采面回撤期间,采用局部通风机通风时,受回撤通道断面影响,支架搬运车经常刮扯风筒,导致工作面供风不稳定。经过研究,决定采用负压通风的方式,形成回风通道,保证工作面风量满足回撤需要。与局部通风机供风相比,通风系统稳定性更高,工作面运输通道有效断面更大,回撤时间大幅缩短。

禾二矿浅埋破碎顶板切顶成巷试验研究

针对浅埋薄煤层沿空留巷在工作面回采后垮落带内顶板不易垮落、沿空巷道动压显现剧烈的关键问题,通过关键理论分析、数值模拟、现场工程地质条件分析等手段,对浅埋深、薄煤层、破碎顶板条件下的切顶成巷技术开展研究,并在该条件下的禾草沟二号煤矿1105工作面回风顺槽进行现场应用。通过数值模拟,对比分析了切顶不充分和切顶充分时沿空巷道围岩应力分布及巷道围岩位移,结果表明：切顶充分时,采空区顶板对沿空巷道顶板动压影响大大减弱,巷道围岩变形较小,能够保证留巷效果。根据禾草沟二号煤矿浅埋、破碎顶板开采顶板运动模式和矿压显现特征,确定了切缝角度和恒阻锚索支护等关键参数,为浅埋、破碎顶板切顶卸压自动成巷的成功应用奠定基础,提出了切顶卸压自动成巷的预裂爆破参数设计、自动成巷支护技术;通过对禾草沟二号煤矿1105工作面回风顺槽留巷的工程地质条件分析,运用切顶成巷技术原理进行了留巷设计,并应用到现场,取得较好的应用效果。

浅埋大采高综放开采煤柱矿压显现规律研究

浅埋深大采高综放开采,因基岩厚度薄,工作面动载明显,区段煤柱宽度通常难以合理确定。通过在工作面区段煤柱内沿走向方向布置应力传感器,研究了煤柱受采动影响全过程的矿压显现规律。煤柱受工作面采动影响作用后,应力呈不对称的马鞍形分布,并且应力变化滞后于工作面的推进,靠近工作面采空区侧的应力集中系数要大于实体煤侧,2个马鞍形峰值间还存有8m左右宽度的低应力区,与离散元数值模拟结果相吻合,结果表明:煤柱内存在低应力弹性核区,经方案进行对比,确定合理煤柱宽度为20m。

浅埋深综放采场覆岩结构对矿压显现规律的影响

为确保综放工作面的安全开采,采用相似模拟试验和现场观测相结合的方法,研究了浅埋深条件下覆岩结构对综放工作面矿压显现规律的影响。结果表明:当基岩厚度小于80 m时,综放工作面覆岩以"悬臂梁+铰接岩梁+拱"结构形式存在,而基岩厚度大于80 m,覆岩以"悬臂梁+铰接岩梁"结构形式存在,基岩厚度越大,覆岩结构稳定性越好;综放工作面支架平均循环末阻力随着基岩厚度的增加呈对数减小,平均周期来压步距随基岩厚度的增大呈增加趋势,在相同覆岩结构条件下,动载系数随基岩厚度的增加而增大;而不同覆岩结构条件下,覆岩稳定性越好,动载系数越小。

大柳塔煤矿22103综采面压架机理及防治技术

根据神东矿区浅埋煤层开采压架机理的已有认识,对大柳塔煤矿22103综采面支架在12 000 kN工作阻力时发生压架事故的原因进行了分析,并提出了相应的防治对策。结果表明,附近小煤矿对上煤层的越界开采,使得22103工作面回采经历了推出上覆遗留煤柱的开采状况;而在此过程中,煤柱上方三铰式关键块体结构的相对旋转运动会造成2煤层间关键层结构上的载荷过大而失稳,最终引起工作面的压架。据此提出应首先探明上覆煤柱的分布情况,通过减小煤柱上方关键块体的回转空间、降低采高以及提高支护质量等措施进行压架事故的防范。

浅埋深特厚煤层小煤柱沿空掘巷强力支护技术研究

根据千树塔煤矿浅埋深特厚煤层地质条件,采用数值模拟并结合工程类比的方法,分析确定该煤矿沿空掘巷护巷煤柱宽度为8 m。提出了千树塔煤矿小煤柱沿空掘巷护巷的基本支护思路:保证围岩整体有足够的支护强度和刚度;薄弱部位进行重点控制;遵循控制效果与经济成本的合理平衡原则。提出了千树塔煤矿小煤柱沿空掘巷护巷高预应力强力支护技术方案并进行了现场实践,结果表明:运输巷道掘进期间围岩整体变形量在100 mm以内;工作面回采期间围岩最大变形部位为煤柱侧帮,最大位移量约为295 mm。实现了巷道掘进和工作面回采期间运输巷围岩的稳定与安全。

伊泰矿区井下地应力测量及应力场分布特征研究

采用小孔径水压致裂地应力测量装置在伊泰矿区3个煤矿完成了10个测点的原岩应力测量。实测数据表明:矿区应力场属于低地应力值区域,构造应力占绝对优势,最大水平主应力方向以北东方向为主;由于受埋藏深度、地质构造和地形地貌影响,各矿地应力值差别较大,最大水平主应力方向亦有所偏差。基于实测数据,得出最大与最小水平主应力,最大水平主应力和垂直应力的差值普遍较大,导致岩体内剪应力较大;分析了地应力随埋藏深度的变化规律,并得出水平主应力与埋深之间的关系。

浅埋深近距离煤层群上覆采空区积水排放技术

为解决传统积水采空区排水技术存在的排水时间长、准备工程量大、排水系统复杂等问题,对大柳塔煤矿22301综采工作面上覆采空区积水排放技术进行研究,采用了群孔对泵直排新技术,在深入分析上覆采空区底板起伏情况的基础上,确定主要的积水区域,然后对上覆采空区各主要积水区域分别施工多个排水孔,再将各排水孔与大功率离心泵直接对接,排放的水不再经水仓中转直接排出,而是经离心泵直接泵排至地面,简化了排水系统。结果表明:22301工作面排水所需时间比传统方法缩短了3个月,并节省大量工程及设备费用,工作面回采期间顶板基本无淋水,实现了绿色高效排放上覆采空区积水。

浅埋深蹬空底板煤柱群动态失稳机理及防治

针对山西元宝湾煤矿浅埋深上覆和下伏柱式采空区中部煤层的安全复采难题,综合采用理论分析、实验室实验、物理模拟、数值模拟和现场实测方法,探究了柱采区蹬空开采底板煤柱垂直荷载及内应力分布形态,并基于Mises等效应力探讨了柱采区蹬空煤柱潜在破坏形式;揭示了柱采区蹬空开采底板关键柱破坏形式及破坏剥落体运动特征;阐明了底板煤柱破坏次序及柱群动态失稳演化规律。提出通过柱采区注浆充填强化底板煤柱承载能力的方法来进行中层遗煤资源的回收,并据此给出了确保元宝湾煤矿6107工作面中部遗煤蹬空安全复采的底板柱采区临界充填高度。结果表明:若底板9号煤层柱式采空区不充填,层间岩层的非均匀下沉将使柱采区煤柱产生偏心压缩,导致关键柱及其剥落体出现旋转下沉的现象;当柱采区关键柱破坏失稳后,覆岩载荷呈现出双向传递的特点,整个煤柱群表现为以关键柱为中心,双向多米诺骨牌式的链式失稳特征,而三维空间中则呈现出以关键柱为圆心的外向辐射波状失稳扩展特征,柱采区关键柱的破坏失稳将诱发底板煤柱群整体失稳,导致6107工作面蹬空开采区域采掘设备及工作人员、超前煤岩体大面积塌陷等动力灾害。数值模拟及物理相似模拟结果表明,确定6107工作面蹬空段安全复采的底板柱采区临界充填高度为6 m,即充填不接顶高度为2 m,这一结论亦得到了实测结果的证实。在此基础上,针对充填效果较差且充填高度未达6 m的局部区域,进一步提出了底板空洞二次充填和加固处理方法,确保了蹬空段中层遗煤资源的安全复采。

浅埋综放工作面矿压特征及支护强度实测研究

为了解上覆松软覆岩浅埋深综放工作面的矿压特征并确定其支护强度,以路天煤矿16号煤层1603综放工作面为例,研究了上覆松软覆岩浅埋深综放工作面的顶板垮落步距和支架载荷特征。研究结果表明:浅埋深条件下顶板仍有初次来压与周期来压现象,来压期间载荷增大系数为1.01~2.07,平均1.20,并且载荷增大系数随埋深的增加而减小;浅埋深条件下的1603综放工作面支架支护强度为442~802 k N/m2;支架载荷的平均值随开采深度的增加而增大,且支架循环末工作阻力随初撑力的增大线性增加。据研究结果可得开采深度60~110 m、上覆松软覆岩浅埋深综放工作面支架支护强度计算式,能简单快捷得到该类似条件下综采工作面支架支护强度。

两柱掩护式放顶煤液压支架力学性能分析

浅埋深煤层基岩比较薄、松散层较厚,工作面易出现台阶下沉等状况,矿压展现剧烈,应用于浅埋深煤层工作面的两柱掩护式放顶煤液压支架易出现工作阻力不足,对顶板的支护效果不好,从而造成生产安全问题。针对以上问题,采用空间力学分析及结构有限元分析,对适用于浅埋深煤层的ZFY12000/25/42D型两柱掩护式放顶煤液压支架在顶梁受偏心载荷且底座两端受载、顶梁受扭转载荷且底座两端受载、顶梁受偏心载荷且底座受扭转载荷3种最危险工况下的受力状态进行了分析。分析结果表明:在不同工况下,支架各结构件的应力大小均会有所不同,分布状况也不尽相同,从支架整体应力分布来看,受顶板、立柱和底板的相互作用,顶梁和底座将承受较大的应力,而前后连杆、掩护梁作为连接过渡部件,所承受的应力明显较小;顶梁受扭转载荷且底座两端受载工况下支架承受应力最大,为712.69MPa;支架位移变形趋势基本相同,均是从顶梁到底座变形量逐渐减小,整体变形状况良好。在保证结构可靠性的前提下,在应力集中部位选用高强度板材或者提高材料厚度,可改善支架应力分布状况,增强支架控顶能力,从而确保支架工作的可靠性和稳定性。

综采工作面过上覆集中煤柱压架机理分析

为解决下层煤综采工作面过上覆集中煤柱时易发生压架事故的问题,采用理论分析和现场观测的方法,对石圪台煤矿22301综采工作面过上覆集中煤柱压架事故原因进行分析,揭示压架事故的机理,并提出相应的防治对策。结果表明:在工作面出上覆集中煤柱5~20 m时,上覆岩层会在上覆集中煤柱边界破断,并形成砌体梁式铰接结构,随着工作面的推进,铰接结构的断裂岩块会进一步回转失稳,对下层煤工作面顶板产生冲击作用,容易发生动载矿压现象,导致压架事故的发生。因此,提出了优化工作面开采设计、对上覆集中煤柱实施预裂爆破、工作面调斜、矿压观测等措施,使综采工作面避开应力集中的影响、周期来压强度降低、动载矿压降低,从而达到避免发生压架事故的目的。

浅埋深中厚煤层综采工作面煤柱宽度优化研究

为在矿井安全高效开采条件下提高采出率,在分析矿井地质资料的基础上,采用数值模拟、理论分析和现场观测的手段,对浅埋深中厚煤层工作面煤柱宽度进行优化。分析可知,随着煤柱宽度的不断增加,工作面巷道变形量、煤柱变形量及煤柱应力逐渐减小,当煤柱宽度为16 m时巷道及煤柱基本稳定,变形量较小。工作面留设16 m煤柱回采过程中对工作面支架工作阻力和巷道变形量进行观测分析,结果表明:工作面支架平均工作阻力仅为其额定工作阻力的70%,巷道煤柱侧变形量最大值为153 mm,在节约煤炭资源的基础上保证了工作面安全高效回采。

浅埋厚煤层综放开采地表移动规律实测研究

为研究浅埋厚煤层综放开采条件下的地表移动规律,在万利矿区某综放工作面上方建立了地表移动观测站进行观测,通过分析地表移动变形实测数据,得出了该区条件下综放开采的地表移动规律。结果表明:工作面采深小、开采范围大,地表移动和变形值较大,其地表移动盆地的分布特征基本符合概率积分法模型,其综合下沉系数为0.78,主要影响角正切为2.8,拐点偏移距系数为0.14。

浅埋厚煤层分层开采保护煤柱合理宽度研究

为了确定浅埋厚煤层分层开采保护煤柱的合理宽度以及获知影响煤柱宽度留设的主要因素,采用弹塑性极限平衡理论分析煤层埋藏深度、煤层厚度、煤层倾角、煤的硬度、巷道断面大小和支护阻力等对保护煤柱合理宽度留设的影响;并利用相似材料模拟试验确定活鸡兔矿井1-2煤层的保护煤柱的最终合理宽度。结果表明煤柱稳定的基本条件是弹性核的宽度应不小于煤柱高度(即采高)的2倍;煤柱宽度的合理留设及采空和巷道侧对煤柱实施有效的支撑作用是保证煤柱及巷道围岩稳定的关键;活鸡兔矿井首采区上分层保护煤柱的宽度为20 m,下分层保护煤柱的宽度定为12 m时,能有效控制煤柱的总变形量。

浅埋高强度采场回撤阶段围岩破断机理及控制

针对神东矿区浅埋高强度开采工作面回撤过程中支架压死频繁发生的现象,采用理论和数值分析手段,对回撤阶段支架压死现象发生的机理进行了研究。结果表明:回撤巷道同老顶断裂线处于合理的时空位置关系是工作面实现低压力回撤的关键;解释了荷载传递具有时效性的原因,工作面长时间停滞导致老顶和荷载层破坏出现宏观滑移面后其荷载有足够的时间传递至工作面支架之上,使其由"给定变形"转变为"给定荷载"工作状态是造成回撤过程中工作面支架压死的主要原因;根据预测的老顶断裂线所处区域的不同,提出了改变采高、工作面推进速度、局部充填的顶板控制措施,并应用于乌兰木伦煤矿,实现了工作面的安全、快速回撤。

综采工作面过上覆房采区煤柱爆破应力演化规律研究

为解决下煤层采动时工作面顶板压力大、支架压死等问题,以韩家湾煤矿为工程背景,从多煤柱相互影响的角度出发,采用UDEC模拟软件对残留煤柱爆破前后的应力演化规律、顶板活动规律进行了研究。研究结果表明,下煤层采前对上层煤柱进行爆破,能够有效消除巷道围岩应力集中的问题;长壁工作面位于煤柱的正下方时,顶板垂直应力达到最大,易出现因载荷集中造成支架压死的现象。该研究成果对类似条件矿井安全开采的顶板控制具有一定的指导意义。

浅埋深综采工作面过集中煤柱压架机理分析

针对我国西部矿区浅埋深近距离煤层过房柱采空区集中煤柱时压架事故频发的问题,以神东矿区石圪台煤矿综采工作面为对象,采用理论分析和数值模拟的方法分析了压架机理。结果表明:受集中煤柱支撑的上覆顶板较为完整,综采工作面进入集中煤柱前和在集中煤柱下,综采工作面顶板压力基本正常,对支架影响不大;当综采工作面推过集中煤柱一段距离后,集中煤柱进入采空区,其状态由弹塑性状态变为完全塑性状态,随下方岩层下沉,发生失稳破坏,并导致其上方顶板岩层的大面积破坏下沉;基本顶无法形成稳定的"铰接岩梁"结构,发生瞬时断裂失稳,形成远大于支架工作阻力的超大动载矿压,将下方综采工作面80%的支架压死。因此,上方悬而未冒的基本顶的失稳切冒且无法形成稳定结构成为大面积、瞬间压架的根本原因。