浅谈水平衡测试在地下开采矿山企业的应用分析

针对某地下开采矿山企业开展的水平衡测试工作进行分析总结,根据测试结果提出了相关改进建议,为企业进一步发掘自身用水潜能、完善用水管理体系、提升合理用水水平提供参考。

煤矿地下水库技术原创试验平台体系研制及应用

煤炭是我国主体能源,西部是我国煤炭主产区,矿井水保护利用是煤炭开发面临的重大技术难题。国家能源集团煤炭绿色开采技术研发团队经过20多年持续技术攻关,首创了煤矿地下水库技术,在西部神东矿区推广应用,为矿区开发提供了95%以上用水,确保了矿区可持续开发。为进一步丰富完善煤矿地下水库理论和技术体系,在西部煤炭主产区不同地质和工况条件下推广应用该技术,保障国家能源安全和水资源安全,研发团队构建了煤矿地下水库原创技术试验平台体系,包括煤炭开采地下水运移与保护综合智能试验平台、多煤层开采煤矿地下水库模拟试验平台、煤矿地下水库坝体结构试验平台、西部深部井工矿井筒施工模拟试验台、地下水库水岩耦合机理试验、水处理工艺集成试验平台、煤矿地下水库冲击试验平台等,能够开展西部矿区不同煤层赋存条件下地下水运移规律、坝体结构参数优化、水库安全稳定性、水岩耦合作用机理、矿井水处理工艺参数优化、垮落岩体垮落冲击对坝体影响等研究,为煤矿地下水库建设、运行和安全提供理论支撑和技术验证。利用上述试验平台,开展了多煤层开采煤矿地下水库稳定性及渗流规律模拟、煤矿地下水库坝体结构安全、煤矿地下水库水岩耦合机理等多项试验研究,相关研究成果已应用于现场工程实践,确保了煤矿地下水库安全稳定运行。

煤矿采空区破损煤岩层的渗透性研究

利用矿井资源修建地下储库有助于实现“碳达峰,碳中和”战略目标,保障国家能源安全。掌握矿井储存空间内煤岩层渗透特性,是确定地下储库储存容量,保障储能系统稳定性和安全性的前提。本文以灵新煤矿矿井浓盐水地下储库工程为背景,开展现场原位压水试验,对采掘完成的矿区煤岩层渗透特性进行研究,探明了矿区遗留煤柱、采区顶、低板的渗透特性和透水能力。试验结果表明各煤层遗留煤柱的稳定流量值为1.0~6.12 L/min,15和16煤顶板稳定流量为1.76~8.82 L/min,16煤的底板稳定渗流量为1.971~8.82 L/min。在此基础上,计算了各层煤柱透水率为0.046~0.261 Lu,顶板透水率为0.07~0.162 Lu,底板透水率为0.042,其中16煤煤柱透水率最大,为0.261 Lu。煤岩层透水性较差,有利于修建地下储库工程。

特厚煤层开采引起上覆黄土斜坡裂隙化试验研究

为探究特厚煤层开采对上覆黄土斜坡的破裂效应,以彬长矿区斜坡为例,运用物理模型试验与数值模拟相结合的方法,分析黄土斜坡中裂隙的产状和力学特征。结果表明:由于煤层开采,在上覆黄土斜坡中产生的裂隙可分为与坡面近垂直的裂隙和与坡面平行的裂隙两组,表现出了明显分异性和序次;与坡面近垂直裂隙首先出现,具有拉张裂隙特征,起到了切割坡体的作用;与坡面近平行裂隙是由坡面近垂直裂隙逐渐派生的,具有剪切裂隙特征,控制着黄土斜坡中潜在滑面的形成。两组裂隙呈网状分割坡体,使斜坡土体结构碎裂化和散体化。

白象山铁矿一步骤下向孔预控界面爆破试验研究

针对地下矿山一步骤回采采场轮廓和超欠挖控制难题,以白象山铁矿为工程背景,基于采场边界控制原理,在井下开展下向孔预控界面爆破试验。试验结果表明,采场预控界面爆破技术是提升采场轮廓控制质量的有效手段,可以形成清晰的半壁孔,整体上将采场边界不平整度控制在15 cm以内。结合不同区域矿岩特性的差异,提出了推荐预控界面爆破参数,对于类似条件采场控制具有指导借鉴作用。

三自由度卡轨车运输支架的设计与分析

煤矿井下采用卡轨车运输大型设备前,常采用经验目测和尺子测量的方法对运输通道进行验收,存在误差大、运输效率低等问题。文章提出了一种可根据实际使用需求对支架模型的高度、左右及前后长度进行调节的新型三自由度卡轨车运输支架结构。该装置主要由升降机构、移动杆和围栏架等组成,可模拟大型运输设备的实际尺寸。通过设计、制作卡轨车支架结构模型,用于运输路线实际检验,提高了卡轨车运输效率,减少了不必要的人力物力损耗,减少了运输事故。

复合顶板巷道预应力锚杆锚索桁架支护技术

在分析预应力锚索桁架支护结构与原理的基础上,结合同家梁煤矿复合顶板、近距离煤层巷道的具体条件,应用FLAC3D有限差分程序模拟分析了不同支护方式的预应力锚杆锚索桁架在巷道围岩中产生的应力场分布特征与规律。确定出预应力锚索桁架和钢带锚杆支护的形式与参数。在井下的试验表明:预应力锚杆锚索桁架支护能够有效控制复杂巷道围岩变形,保证巷道安全,并具有显著的经济效益。

上向分层充填法地下采矿模型试验与分析

依托于云南磷化集团晋宁磷矿6~#坑深部缓倾斜中厚磷矿充填法地下采矿工程,对充填法模型试验的试验方案、相似材料配比、试验台架、开挖模拟技术、试验量测方案与技术等进行了探索研究,并通过室内平面应变相似模拟模型试验和数值模拟等对缓倾斜中厚磷矿层上向分层充填法地下开采过程中地下采场围岩的应力和变形活动规律、松动范围等进行了分析研究。研究结果表明:模型试验围岩破坏主要发生在顶板中部,破坏模式为块体塌落,且围岩竖向应力的变化呈现拱形,并且以采空区为中心向外扩展,位移最大的位置在顶板中部,朝向采空区,应注意靠近开挖侧的围岩位移的变化。

深部沿空留巷围岩变形特征与支护技术

以淮南谢家集第一煤矿深部沿空留巷为工程背景,采用数值模拟分析巷道围岩变形与应力分布特征。详细介绍深部沿空留巷井下试验,包括巷内基本支护、加强支护与巷旁支护设计,从巷道掘进、留巷,一直到留巷复用各阶段的矿压监测数据。通过围岩、充填体位移与锚杆、锚索受力数据分析,评价支护效果。井下实践表明:采用高预应力、强力锚杆与锚索作为巷内基本支护,单体支柱配铰接顶梁为加强支护,及膏体充填巷旁支护,能够有效控制深部沿空留巷围岩的强烈变形,保持留巷稳定。基于数值模拟与井下试验研究成果,分析巷内基本支护、加强支护与巷旁支护的相互关系,指出深部沿空留巷在顶板断裂位置、基本顶回转及围岩长期蠕变等方面与浅部留巷有很大区别,并提出深部沿空留巷支护设计原则。针对井下试验中存在的问题,提出改进意见。

开采引起的地表动态下沉分形增长规律

通过相似模拟实验研究开采引起的地表点下沉的动态变化规律,根据高精度的实测数据分析了地表点动态下沉曲线的统计分形特征。研究表明,地表动态下沉在一定的无标度区间符合自相似分形增长模式。同时,利用较少的测量数据实现了地表点动态下沉曲线的分形插值,在较高的精度范围内获得任意时刻地表点的动态下沉值,为揭示和预测地表下沉与变形的动态规律提供了新的途径。

煤层覆岩与地下水在采动损害中的互馈效应探讨

地下水的存在可以改变岩体的力学性质及覆岩应力状态,从而加剧由地下采煤诱发的地表变形、塌陷、地裂缝及水资源流失等采动损害现象;在采动损害过程中产生的覆岩中隔水层破断,又反过来改变地下水系统,引起井下突水事故和地面环境恶化。两者相互影响、相互制约,形成有利于采动损害发生、发展的互馈效应。在研究采动损害时,地下水是一个不可忽略的重要因素。

煤矿地下水库煤柱动力响应与稳定性分析

参考借鉴地面水库坝体抗震安全评价的相关研究,构建了煤矿地下水库相似材料模型平台,进行了不同烈度条件下的动力破坏试验研究,并利用摩尔库伦模型对坝体在地震作用下的动力响应进行了数值仿真,研究了坝体的地震破坏形态、抗震薄弱环节以及影响因素;同时对同等条件下的地面水库坝体进行了模型试验和数值模拟,对比分析了地下水库与地面水库的抗震安全性。结果表明:物理模型试验和数值模拟得到的动力响应较为接近;在地震波逐级加载的过程中,由于受到顶底板约束,煤矿地下水库坝体晚于地面水库坝体进入塑性工作状态,验证了煤矿地下水库坝体较地面水库坝体具有更好的抗震安全性。在此基础上,提出了煤矿地下水库坝体安全系数概念,对比分析了同条件的煤矿地下水库坝体和地面水库坝体的安全稳定性。

基于RBF神经网络的爆破参数优选试验研究

为了优化某矿山采场的爆破参数,提出了水平凿岩方式代替上向倾斜凿岩方式的改进方案。根据改进方案,在采场中进行了L_9(3~3)的爆破参数正交试验,获取了9组试验结果。利用RBF神经网络模型对试验结果进行预测,以最小抵抗线、孔间距、周边孔距作为输入因子,炸药单耗、大块率作为输出因子,当隐含层个数为9时,预测效果最优;在综合考虑爆破成本和爆破效果的前提下,提出了爆破综合期望指数公式来最终优选爆破参数,获取了48个爆破综合期望指数,最大值1.134。综合分析,最终推荐矿山最优爆破参数为:排距1 m,孔间距1.4 m,周边孔距1 m,炸药单耗0.185 kg·t^(-1)。实际应用证明,选择的孔网参数合理,大块率降低至7%以下,极大的降低了爆破成本。

露天与地下联合开采引起岩层移动规律的模型试验研究

非法开采对矿山开采稳定性具有重要影响,以某铁矿为例,进行了二维物理相似模型试验研究,分析得出了在考虑和不考虑非法开采两种情况下的地表变形规律和矿体围岩移动规律。试验结果表明,从-270 m采至-550 m水平期间,地表沉降和围岩变形呈缓慢增加趋势,但当从-550 m水平继续向下开采时,由于矿体倾角变得平缓,地表沉降、深部围岩变形都急剧增加,非法开采会造成矿体上部岩体的应力重分布,虽没有明显增大地表的沉降范围,但增加了开采点附近的地表沉降量,而且大大增大了地表岩层的水平移动。

小井间距双井水溶造腔模型试验研究

以湖北云应盐矿水溶造腔现场先导试验为背景,在室内开展了小井间距双井水溶造腔模型试验研究,并压制出一种可用于模拟水溶造腔的大尺寸型盐。基于相似理论中的量纲分析法,建立了现场造腔与模型试验的相似比关系。研究结果表明:卤水平均浓度随造腔时间的增加而增大,并最终达到一个稳定的状态;在造腔速率上,试验1的提管方式要优于试验2,说明提进水管的方式更适合小井间距双井水溶造腔;试验1形成的腔体形状为"台阶状",可通过增加提管的次数来消除边界的不规则,小井间距双井水溶造腔的提管次数可借鉴单井水溶法,以8~10次较为合适,试验2形成的腔体形状为"宝塔状",此形状在空间利用上较差;小井间距双井水溶造腔形成的溶腔横截面为非对称的椭圆形,两组试验溶腔横截面的长短轴之比分别为1.44和1.17。

回采工作面多巷布置留巷围岩变形特征与支护技术

以晋城矿区回采工作面多巷布置留巷为工程背景,基于大量实测数据,分析留巷围岩变形与破坏的特征及机制。采用数值模拟软件FLAC3D研究巷道布置方式、煤柱尺寸、回采工作面宽度等参数对留巷围岩变形与破坏的影响,分析留巷及采煤工作面周围的应力分布。在此基础上,提出适合留巷特点的巷道支护形式与参数。在井下进行支护试验,监测留巷从掘进到报废全过程的围岩位移与支护体受力,评价支护效果。研究结果表明:留巷在受到本工作面超前支承压力作用后,围岩位移虽有增加,但变化不大;在本工作面后方一定距离围岩位移急剧增加,并在50～200 m范围内位移速度达到最大值,之后逐步趋于稳定;当留巷受到下一个工作面超前支承压力作用后,围岩位移再次显著增加。留巷围岩变形与巷道布置方式、煤柱尺寸及回采工作面参数密切相关。高预应力强力锚杆与锚索支护、全锚索支护是比较适合留巷的支护方式,能够大幅度减少围岩位移,保持巷道长期稳定。最后分析存在的问题,并提出改进意见。

文丘里除尘器对井下碳烟净化的模拟试验研究

从矿山井下柴油设备碳烟污染的空气净化问题出发,对文丘里除尘器进行了模型设计和模拟试验。其结果表明,文丘里除尘器对井下柴油设备排出的碳烟具有明显的空气净化效果。在该除尘装置中采用高水压和大风量,可使除尘效率达到70%。

深部冲击地压巷道锚杆支护作用研究与实践

以义马常村煤矿深部冲击地压巷道为工程背景,介绍了深部冲击地压巷道围岩地质力学参数分布特征,分析了冲击地压巷道围岩变形与破坏特征及主要影响因素,揭示出锚杆支护对冲击地压巷道变形的本质作用是保持围岩完整性,在围岩中形成支护应力场,降低应力集中系数,改善巷道围岩应力分布,充分发挥围岩的抗冲击能力。提出冲击地压巷道支护形式选择原则,介绍了高冲击韧性锚杆支护材料力学性能及锚杆支护参数设计方法。针对常村煤矿21220下巷条件,提出以全长预应力锚固、高强度、高冲击韧性锚杆与锚索支护为主,以金属支架为辅的复合支护方式,并进行了井下工业性试验。矿压监测数据表明,该种支护方式与围岩的整体抗冲击能力强,能够有效控制深部冲击地压巷道变形与破坏。在冲击能量影响下,锚杆、锚索受力特征明显不同于普通巷道,呈波浪状或锯齿状变化趋势。

井下深孔爆破模型模拟试验研究

介绍了井下深孔爆破模型模拟试验的方法。对大冶铁矿三个典型的深孔爆破方案进行了设计和模型试验。通过对试验结果定量分析 ,验证了侧向抛掷爆破出矿方案优于单排齐发爆破 。

基于井下放水试验的矿井疏降量预测评价

井下放水试验作为特殊的水文地质试验,克服了地面抽水试验存在的不利条件,有着十分重要的实践和理论意义。为了探查双柳煤矿太原组灰岩含水层的水文地质条件,通过两次井下放水试验取得的相关水文地质参数,控制了太灰含水层的动态流场。基于井下放水试验取得的水文地质条件信息,利用Visual MODFLOW三维数值模拟软件,建立放水试验期间反映模拟区太灰地下水分布、储存及其时空变化规律的参数模型;根据拟定的预测方案,对太灰含水层的疏降涌水量进行预测。通过本次工作,对双柳井田下一阶段进行疏干降压,减少太灰含水层对上组煤(4#煤层)开采的威胁,同时为下组煤(8+9#煤)开采提供疏降方式和水文地质依据。