深部顶板夹煤层巷道变形破坏分析及其控制

为了探究深部顶板夹煤层软岩巷道大变形破坏问题,以平煤六矿三水平戊二胶带运输巷为工程背景,开展夹煤层巷道围岩破坏分析及控制对策的研究。首先,构建原支护体系组合拱力学模型,推导出直墙半圆拱形巷道稳定判别式;其次,提出“锚网索-梁-注浆-组合砂浆锚索”联合返修控制对策,即沿戊8煤层顶板进行巷道扩刷,采用锚网索、梯子梁完成基本支护,对围岩进行深浅孔注浆加固、顶板及两帮关键部位布置组合砂浆锚索等加强支护,并通过数值模拟分析返修前后应力、位移场分布特征;最后,开展工业性试验,并监测矿压。结果表明:两帮及顶底板最大收敛量分别为93、112 mm,后期变形速率均低于1 mm/d,围岩变形得到有效控制,返修效果良好。

深部顶板夹煤层巷道围岩变形破坏机制及控制

深部矿山顶板夹煤层巷道顶板围岩变形破坏严重,控制难度大。现场探测发现此类巷道围岩具有独特的二分区破裂模式,存在相对独立的巷道周圈松动破裂区和夹煤层界面离层破裂区。建立计算模型,研究了夹煤层厚度、位置和分岔巷道岩柱宽度3个因素对巷道关键点位移、塑性区、非对称变形的影响规律,分析了围岩变形破坏机制:夹煤层界面离层破裂区的发展,造成围岩自承结构的失效和自承能力的丧失,破裂区超过支护体系控制范围,最终导致围岩破坏失稳。提出了"内修+外控"的以注为主的非对称联合控制对策,现场试验显示取得了较好效果。

贵州云贵至石门公路砂页岩夹煤层边坡稳定性研究

通过分析贵州云贵至石门公路砂页岩夹煤层边坡地质情况,现场采样得到岩体参数指标,进一步分析岩石变形类型以及边坡病害类型,最后运用ANSYS对边坡进行稳定性分析,得到边坡稳定所需条件。

含夹矸煤层条件下采煤机螺旋滚筒优化设计

采煤机截割夹矸煤层时,螺旋滚筒易失效。为提高螺旋滚筒的可靠性,基于刚柔耦合技术、灵敏度设计理论和相关失效性理论进行优化设计;基于破煤机理,对螺旋滚筒的瞬时负载进行数值模拟,建立采煤机刚柔耦合虚拟样机联合仿真模型,通过刚柔耦合虚拟样机仿真获得螺旋滚筒的薄弱区域、应力和振动性能指标;结合可靠性灵敏度理论,分析了关键零件的应力可靠度、振幅可靠度及其动态与渐变灵敏度结果;基于相关失效性理论,得到了螺旋滚筒相关多失效模式可靠度及螺旋滚筒设计变量的可靠性灵敏度,建立改进遗传算法对螺旋滚筒进行可靠性优化设计。结果表明,滚筒综合可靠度由0.888 5提高到0.977 5。优化后的螺旋滚筒设计变量灵敏度绝对值均降低,综合可靠性得到提升。将刚柔耦合技术、可靠性灵敏度设计理论和相关失效性理论相结合,提出一种适用于含夹矸煤层的采煤机螺旋滚筒优化设计方法,为设计高效螺旋滚筒提供了一种有效途径。

含夹矸煤层CO_(2)气相压裂瓦斯治理技术

吉宁矿山西组2号煤层为典型的复杂低渗突出煤层,2201工作面存在瓦斯含量高、煤层松软、透气性低、存在厚夹矸的复杂情况,表现为采前难抽,采中涌出大的特点。为解决上述难题,在掘进工作面实施CO_(2)气相压裂强化造缝、卸压增透技术,通过对瓦斯抽采数据和掘进效果的分析,得出气相压裂孔瓦斯参数随抽采时间增加,表现出“稳定型”和“增高型”演化规律。气相压裂孔的百米瓦斯抽采纯流量0.11~0.22 m^(3)/min,与前期密集钻孔措施的0.018 m^(3)/min相比,提高了5.1~11.2倍。185 MPa的高压力CO_(2)气相压裂技术适配于该煤层地质条件,能够有效沟通煤中解吸-扩散-渗流多尺度通道,瓦斯抽采参数稳定且高效。

含夹矸厚煤层地面定向钻预注浆围岩改性及巷道支护技术研究

为解决复杂地质条件下,巷道掘进期间施工难,工序复杂等问题,以淮北矿业信湖煤矿818里机巷为工程背景,提出了利用地面定向钻预注浆技术对巷道围岩进行掘前治理的方案,运用FLAC^(3D)软件模拟了注浆前、后巷道开挖后围岩变形特征,并在现场注浆试验后,通过钻孔窥视的手段,观察了浆液在围岩中的扩散情况;结合巷道的地质条件及施工特点,确定了夹矸顶板巷道的支护形式,并对注浆区域与非注浆区域进行长期持续性的矿压监测。结果显示:同一支护形式下,治理区域相较于非治理区域,两帮移近量和顶板下沉量分别降低了31.82%、36.77%,证明了地面定向钻预注浆围岩改性技术,对加强围岩自承载性能,提高巷道稳定性具有良好效果。

含夹矸煤层水力割缝瓦斯抽采技术研究及应用

为研究水力割缝强化瓦斯抽采技术在含夹矸煤层中的应用,通过理论分析得出,与普通钻孔相比,水力割缝钻孔可通过增加煤层渗透率、煤体暴露面积、瓦斯流动通道3个方面强化瓦斯抽采,并建立了考虑孔隙率和渗透率变化的煤层瓦斯流动控制方程。以东庞矿21218工作面为工程背景,采用COMSOL数值模拟软件建立了含夹矸煤层水力割缝瓦斯抽采数值模型,通过对煤层瓦斯流动控制方程进行解算,研究了不同割缝高度、不同钻孔间距条件下,水力割缝瓦斯抽采钻孔的瓦斯压力分布规律,从而确定了上煤层割缝0.3 m、下煤层割缝0.1 m、钻孔间距7.5 m的水力割缝瓦斯抽采钻孔施工参数。基于上述参数,在东庞矿21218工作面现场施工28组、每组7个水力割缝钻孔,对含夹矸煤层瓦斯进行抽采作业,结果表明:与普通钻孔相比,水力割缝钻孔的每百米巷道施工工程量减少了28.51%,瓦斯抽采纯量由11.53万m^(3)提升至21.43万m^(3),增幅为85.86%,巷道掘进期间掘进工作面平均瓦斯体积分数由0.06%降至0.01%,瓦斯抽采效果好,且有效提高了瓦斯抽采效率。

含夹矸煤层采煤机滚筒截割载荷特性研究

为研究采煤机滚筒截割含夹矸煤层的载荷特性,利用Pro/E构建采煤机螺旋滚筒的三维模型,运用离散元软件EDEM,确定不同厚度的含夹矸模拟煤壁,建立滚筒截割夹矸的离散元模型,研究不同夹矸厚度下的载荷变化规律。结果表明:含夹矸工况下,滚筒所受截割阻力大于牵引阻力;随着夹矸厚度的增加,滚筒截割阻力、牵引阻力均逐渐增大;滚筒平均载荷与最值载荷逐渐增大,平均截割阻力、平均牵引阻力、平均轴向力分别为15、13、3 kN,截割阻力最值、牵引阻力最值、轴向力最值分别为45、42、35 kN。该研究可为采煤机截割复杂煤层事故频发原因分析提供参考依据。

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。

大宁—吉县区块8号煤层薄层夹矸螺旋CT扫描精细表征

影响煤层气勘探获得高产的因素有很多,煤层结构中夹矸的存在就是其中之一。传统的技术手段在表征煤层夹矸中有诸多不足,螺旋CT扫描具有全岩心大视域优势,精度达到毫米级,通过扫描获取灰度横切片,生成岩心灰度平均值曲线,确定煤岩灰度基线和夹矸灰度值范围,精准划分煤层中夹矸,实现煤层结构的精细定量表征。根据夹矸平均厚度、夹矸累积厚度占比这2个参数,将大宁—吉县区块煤层结构类型划分为4种模式,即A类夹矸厚且少,B类夹矸厚且多,C类夹矸薄且少,D类夹矸薄且多。煤层结构的精细三维表征对煤层气单井储层精细评价及高产因素研究具有指导意义。

综放工作面煤层夹矸弱化技术研究

综放工作面回采时面临着资源回收率低的问题,这不利于煤炭资源的高效利用。其中,综放工作面顶煤中的夹矸对回收率影响较大。针对山西铺龙湾煤业有限公司5111综放工作面回采时顶煤夹矸厚度大且层数多的问题,采用了深孔爆破的方式对煤层夹矸进行弱化。对深孔爆破弱化煤层夹矸的一些施工参数进行了设计。现场实践可以发现,在进行弱化后,煤炭资源的回收率提高了12%~16%,采用的弱化技术应用效果显著。

含夹矸厚煤层综采工作面托夹矸回采工艺优化

以官地矿18502含夹矸厚煤层工作面为研究对象,针对跟直接顶回采时存在的回采效率低、丢煤多、煤质差、矸石量大等问题,按照“分层分段、先托后放”的调整策略及正规循环作业顶板控制思路,提出托夹矸回采工艺优化技术。实施该技术后,煤质灰分降低了3.4%,含矸率降低了5.7%,硫分降低了20%,该工作面多回收原煤22万t,达到了安全、环保的目标。

架间定向水力压裂提高含夹矸巨厚煤层冒放性研究

为改善含厚硬夹矸难冒顶煤的冒放性,以芦子沟煤矿合层开采的巨厚煤层作为工程研究背景,基于弹性力学理论研究硬厚夹矸层的力学结构,得出了厚硬夹矸层"短悬臂梁"结构发生拉断失稳和剪切破断失稳条件下的判据公式,作为确定架间定向水力压裂致裂夹矸层分段切槽的依据。同时结合KZ54型开槽钻钻头特征,将夹矸层分段致裂长度定为0.8 m。研究结果表明:水力压裂水压曲线波动变化不大,表明裂缝持续向前扩展;致裂后煤矸块度减小,顶煤体顺利放出;3107工作面上端头顶煤致裂后支架工作阻力增加;架间定向水力压裂技术有利于改善顶煤冒放性。

煤层夹矸型黏土矿物对甲烷的吸附研究

黏土矿物是煤层中最重要的矿物质,煤层中有机质与黏土矿物复合能改善黏土矿物对甲烷的吸附能力,因而煤储层中黏土矿物对甲烷的吸附不容忽视。分别选取黏土矿物含量较高的煤层夹矸和纯黏土样品,采用X-射线衍射、红外光谱及扫描电镜表征,并进一步分析了样品中总有机碳(TOC)含量、有机质的类型和成熟度,结合孔径、孔隙体积和比表面积测定结果,探讨造成夹矸型和非煤黏土矿物甲烷吸附能力差异的主要原因,研究影响夹矸型黏土矿物吸附能力的控制因素。结果表明:夹矸型黏土矿物对甲烷的吸附能力依次为铵伊利石>高岭石>伊利石>金云母;单纯的外表面积大小并不能完全反应出黏土矿物的甲烷吸附特性,需结合不同黏土矿物层间域等多方面因素综合考虑;有机质含量较高的夹矸型黏土矿物样品比纯黏土样品具有更多的微小孔隙,尤其是孔径小于6 nm的孔隙,对样品比表面积的增加起到了关键作用,进而也增强了其甲烷吸附能力。通过分析黏土矿物的甲烷吸附贡献率发现,黏土矿物及其有机复合体具有较强的甲烷吸附能力,在煤层夹矸中对甲烷的吸附贡献较大。

含夹矸煤层滚筒磨损特性离散元模拟试验分析

复杂煤层赋存条件下工作的采煤机,其螺旋滚筒所受载荷具有非线性、时变性、冲击性和强耦合性,磨损问题不可避免,且严重影响其工作性能和生产效率。基于虚拟样机技术,采用离散元数值模拟方法研究含夹矸煤层条件下螺旋滚筒的磨损特性,以提高其截割性能、延长其使用寿命。以煤岩截割机理和离散元素法为基础,分析了滚筒与煤岩体间相互作用关系及滚筒磨损模型;以MG2×55/250-BWD型采煤机螺旋滚筒为工程对象,采用Hertz-Mindlin with bonding黏结模型为颗粒间接触模型、Hertz-Mindlin with Archard Wear模型为煤岩体与滚筒间接触模型,利用Proe/E与EDEM建立滚筒截割含夹矸煤层耦合模型;采用正交试验法,分析采煤机牵引速度、滚筒转速、螺旋升角和煤岩抗压强度对滚筒磨损问题的影响趋势,经过多元回归分析得到截齿、叶片磨损深度的评价模型;基于实际工况,综合考虑采煤机截割比能耗、载荷波动系数和生产率,构造多目标优化函数,利用MATLAB求解得到滚筒最优工作参数。基于EDEM离散元仿真分析结果,发现滚筒组件存在不同程度磨损,其中截齿齿尖局部接触区域磨损最为严重,叶片主要磨损区域为尾片齿座根部位置附近。煤岩抗压强度、采煤机牵引速度增加,截齿、叶片磨损加剧;滚筒转速增加,截齿磨损深度减小,叶片磨损深度先增加后减小;螺旋升角增加,截齿磨损深度先增加后减小,叶片磨损深度逐渐减小;其中,煤岩抗压强度是造成截齿、叶片磨损的主要因素。当截割煤岩抗压强度为30 MPa的煤层时,采煤机牵引速度为5.66 m/min、滚筒转速为80.40 r/min、螺旋升角为11.35°时,滚筒性能达到最优,此时采煤机截割比能耗为0.7132 kW·h/m^3、载荷波动系数为0.0819、截齿、叶片和端盘的磨损深度分别为1.595μm,1.0617 nm和0.907 nm,生产率为315.4655 t/h。离散元仿真结果中滚筒磨损部位分布与现场工况下滚筒实际磨损情况具有一致性,验证了建立的仿真模型与过程的可行性。基于此研究方法可实现滚筒磨损问题的定量分析,极大地降低试验成本,有助于高效、强力、耐磨滚筒的研发。

含夹矸煤层综采工作面高效回采实践

为提高夹矸煤层综采工作面采出率,采用适应夹矸变化的割煤方式,依据不同夹矸层参数选择合理的作业方式,实现了夹矸煤层综采工作面的高效回采。实践表明：利用顶板来压和底鼓作用,滚筒可直接切割煤层顶底夹矸;对于煤层中部夹矸,当普氏系数f≤4.5,厚度小于0.2 m时,可利用滚筒割落;厚度为0.2~0.5 m时,采用单排眼布置放松动炮处理夹矸,厚度为0.5~0.7 m时,采用双排眼布置放松动炮处理夹矸,1次震动炮满足2个割煤循环,实现了夹矸处理与割煤。

准格尔煤田高铝煤层夹矸中稀土元素地球化学特征及意义

利用电感耦合等离子质谱法（IPC-MS）详细研究了准格尔煤田石炭系太原组中高铝煤层夹矸的稀土元素地球化学特征.研究表明：样品稀土元素总量（ΣREE）为3.63～345.56μg/g,平均值为61.83 μg/g,轻、重稀土元素的含量比值（LREE/HREE）为0.56～25.64,平均值为5.56,相对富集LREE;Eu负异常显著;δCe与δEu、（Dy/Sm）N、∑REE三者之间相关性表明：该区高铝煤层夹矸的成岩作用对REE影响不明显;δCe和Ceanom值的变化反映了研究区高铝煤层夹矸形成于陆相环境,高铝矿物形成于氧化环境;稀土元素分配模式显示高铝煤层夹矸物源主要为盆地北缘阴山古陆的加里东海西期的花岗岩（斜长花岗岩、二长花岗岩、钾长花岗岩和细晶花岗岩）,以及早期沉积的本溪组铝土矿.

基于离散元分析的夹矸煤层硬岩掘进机载荷分析

考虑到硬岩掘进机作业时经常会穿越一些多种地质条件共存的工况环境,使得传统的分析方法得不到更为准确的刀盘载荷,文中使用EDEM三维离散元仿真软件建立夹矸的复杂地质条件,并使用ANSYS与EDEM联合仿真方法得到硬岩掘进机的刀盘受力情况,采用黏结模型Hertz-Mindlin来模拟煤岩的物理状态。同时用Archard模型来模拟颗粒和外壳接触模型,借助于Add-in在有限元分析软件中所嵌入的耦合接口,在有限元分析软件读入截割载荷的过程中,同步构建与结构分析模型的联系。最后通过不同地层条件下的刀盘载荷仿真可知,随着夹矸层比例的增大,硬岩掘进机刀盘承受的载荷越大,即需要提供的驱动载荷越大;随着夹矸层位置越靠近刀盘中心,硬岩掘进机刀盘承受的载荷越小,即需要提供的驱动载荷越小;当夹矸层由竖直变为水平时,硬岩掘进机刀盘承受的载荷逐渐增大,即需要提供的驱动载荷逐渐增大。

含夹矸煤层回采设计综述

随着煤炭资源不断枯竭,开采含夹矸煤层逐渐成为煤矿维持产能的一个重要保证,文章针对薄煤层、中厚煤层、厚煤层中的煤矸组合,提出不同的机械化回采工艺;并进一步对含厚夹矸的厚煤层,甚至是特厚煤层,提出了厚夹矸煤层分采分运技术,解决了薄煤层接续困难的问题,同时保证了矿井的产能。