三软煤层沿空留巷顶板结构模型及合理支护研究

为了揭示三软煤层沿空留巷围岩变形机理,探索适用于三软煤层巷道围岩控制的新技术,通过切顶沿空留巷物理相似模拟实验,研究了不切顶普通支护、切顶高强支护和切顶普通支护3种条件下顶板岩层断裂演化过程,构建了三软煤层切顶留巷顶板结构力学模型,给出了支护阻力计算方法,在韩城矿区象山煤矿进行了现场工业性试验验证。研究表明:切顶技术切断了顶板的应力传递,巷内采用高强支护,使顶板形成稳定的“短悬臂-砌体梁”结构。现场监测结果显示,不切顶普通支护的留巷顶底板平均移近量1000~1200 mm,两帮平均移近量600~700 mm;切顶高强单体支护的留巷顶底板平均移近量200~300 mm,两帮平均移近量200~300 mm;切顶组合式支架支护的留巷顶底板平均移近量50~100 mm,两帮平均移近量100~200 mm。组合式支架高强支护能够较好地控制三软煤层沿空切顶留巷围岩变形,可实现留巷二次复用无返修。

软硬交错倾斜煤层下煤矿钻孔机器人钻杆系统振动特性研究

煤矿钻孔机器人钻杆系统振动特性的研究是钻进轨迹预测及控制的重要前提。考虑水平钻进过程中钻杆系统与煤层交互约束的复杂机制,搭建煤矿钻孔机器人钻进实验平台及振动监测系统,开展不同软硬煤层及煤层倾斜角度下的水平钻进实验;采用经验模态分解方法对采集数据进行分解、滤波和重构处理,以消除噪声干扰,进而研究软硬交错倾斜煤层下钻孔机器人钻杆系统振动特性。研究结果表明:钻孔机器人无论是在硬→中硬→软煤层还是软→中硬→硬煤层中钻进,钻杆系统的纵向、横向、扭转振动幅度均随煤层倾斜角度的增大而增大;同一煤层倾斜角度下,钻孔机器人在软→中硬→硬煤层中钻进较在硬→中硬→软煤层中钻进时,钻杆系统的纵向、横向及扭转振动幅度更大;煤层倾斜角度较小时,软硬交错煤层对钻杆系统振动特性的影响较大,煤层倾斜角度较大时,煤层倾斜角度对振动特性的影响大于软硬交错煤层的影响;较大的砂石对钻杆系统振动产生一定影响。

综采面片帮冒顶机理及处理技术现状与展望

综采工作面片帮冒顶后,为保证综采工作面安全快速通过片帮冒顶区域,采取高效的片帮冒顶处理技术是确保冒顶区域得到安全处置的重要手段。现有研究表明,采煤工作面片帮冒顶是受到煤岩应力分布、采动矿压分布、支架设备性能等多方面因素的影响。总结了大倾角、大采高及松软煤层工作面片帮冒顶机理,分析归纳了片帮冒顶处理技术,分析了基于视觉感知、机器人的创新处理技术。总结现阶段学者研究成果中存在的问题,提出未来研究中需要突破的技术难点、需要深入研究的方向。

松软厚煤层超高巷道围岩失稳因素分析与控制技术

安阳主焦煤矿2301综放工作面回风巷沿煤层顶板布置,但在回采过程中,存在上端头三角煤损失和巷道底板煤层无法回收问题。为此,提出了回风巷超前底煤回收工艺,但面临着超前超高回采巷道围岩控制问题。支承压力高、煤体软弱、巷道超高和超前架反复支撑等因素导致超高巷道变形严重;结合回收底煤工艺和巷道变形破坏特征,提出了主被动联合支护、强化巷帮支护的控制策略和强力锚网索+超前超高液压支架联合支护方法。采用离散元数值模拟方法,分析了不同支承压力下巷道围岩塑性区、位移和应力场分布特征,验证了支护方案的合理性。现场工业性试验表明,补打锚杆、强化超前支架护帮等措施,能够有效控制巷道片帮现象。采用超高巷道围岩控制方法可多回收煤炭资源2.44万t,直接经济效益2.19亿元,具有较强的技术经济前景。

倾斜厚煤层覆岩瓦斯高渗区应力场-渗流场联动演化采高效应

倾斜煤层开采后覆岩应力场分布特征与水平、近水平煤层存在着较多的不同点,其上覆岩层瓦斯高渗区域及其裂隙演化规律也有所差异,同时受煤层采高的影响较为明显。为掌握倾斜厚煤层覆岩瓦斯高渗区应力场-渗流场联动演化规律,基于数值模拟方法,以新疆昌吉硫磺沟煤矿的主采工作面为原型,研究倾斜厚煤层采动覆岩裂隙演化规律的采高效应,揭示不同采高条件下覆岩裂隙高渗区的时空演化规律。结果表明:倾斜煤层的覆岩应力场总体上呈采空区下端应力高、上端应力低的非对称“蝶形”分布,采空区下端瓦斯高渗区以横向延展为主,采空区上端瓦斯高渗区以纵向扩大为主;此外,煤层开采引起的瓦斯渗流场变化和应力破坏形成更多瓦斯运移通道的耦合作用是采动瓦斯渗压改变的原因,而瓦斯高渗区为阻断瓦斯并且控制瓦斯贯通的重点区域。因此,将瓦斯抽采系统布置于瓦斯高渗区内可从最大程度上降低整个采动裂隙场的瓦斯浓度,有效地控制生产期间瓦斯浓度异常的风险。

大倾角煤层综采工作面回采实践

综采是一种煤炭高效开采技术,适用于倾角较小煤层的开采。为了提高开采效率,煤矿开始使用综采技术进行大倾角煤层开采,这使得综采技术的应用面临许多问题。首先,分析了大倾角煤层综采工作面回采关键技术问题,主要有液压支架稳定性、运输机稳定性和回采工艺工序等方面。然后,结合具体情况探讨了大倾角煤层综采工作面回采情况。可以为实现大倾角煤层的高效开采提供一定的技术参考。

松软煤层水力割缝缝槽形态控制技术研究及应用

为解决松软煤层(f>0.2)超高压水力割缝期间缝槽发育难控制、易垮孔等问题,通过理论分析手段,分析了割缝缝槽周围煤体应力分布规律,获得了割缝缝槽周围煤体塑性区分布影响因素。研究了高压水射流破煤规律,得到了影响割缝缝槽形态的主要因素为割缝压力、喷嘴直径及煤体自身硬度。提出了基于松软煤层特点的超高压水力割缝缝槽形态控制技术,获得了控制松软煤层缝槽深度、宽度以及发育速度的关键参数为割缝压力、喷嘴直径及压力调节速度。通过现场应用表明,针对松软煤层其缝槽形态控制合理参数为:割缝喷嘴直径2.5~3.0 mm,割缝压力70 MPa,割缝调压间隔3~5 min。验证了松软煤层水力割缝缝槽形态控制技术适用性,可效提高松软煤层水力割缝施工成功率及安全性。

碎软煤层高速螺旋钻探装备研制与实践

针对王坡煤矿碎软煤层钻孔施工排渣难、事故率高、成孔难等问题,设计了高转速履带式钻机、配套螺旋钻杆及三角梯齿钻头,能够有效地解决在钻进过程中出现的卡钻、塌孔等问题。现场工业性试验表明,该套钻探装备有效解决了施工过程中存在的排渣难、喷孔顶钻等问题,提高了钻孔成孔率,为矿井本煤层瓦斯抽采提供了重要支撑。

倾斜软煤层综放工作面初次“见方”回风巷矿压显现研究

孟家窑煤业于11501工作面开展倾斜软煤层赋存条件下留设15 m区段煤柱试验,自工作面初次“见方”后,该工作面回风巷超前工作面一定范围内变形异常,且时常伴有异响。针对这一问题,以11501工作面初次“见方”期间工况为研究背景,采用3DEC数值模拟软件建立11501工作面回采数值模型,分析了11501回风巷在工作面初次“见方”前后的矿压显现规律,从矿压角度解释了工作面初次“见方”期间回风巷内异响来源。结果表明,11501工作面超前支承压力影响范围为50~70 m,在来压期间回风巷下帮、顶部、上帮变形速率明显加快,并且出现非均匀变形;工作面“见方”期间,受采动影响采空区已破断直接顶再次破裂是回风巷异响的主要原因,受其影响11501回风巷出现下帮顶角下沉、下帮外鼓变形、托盘内陷于煤体、钢带崩断等现象。针对该问题,提出了11501回风巷非均化补强支护措施,并取得较好的应用效果。研究成果为11501工作面后续回采工作中维护回风巷提供了科学依据,可为相似倾斜软煤层赋存条件矿井提供借鉴。

适应煤层倾角的不同放煤方式研究

我国存在大量的大倾角煤层,这些煤层的倾斜较大,受到的重力及矿压作用不同,因此,采用不同的放煤方式开采倾斜煤层会产生不同效果。为了研究不同倾斜度煤层的开采效果,采用PFC 2D仿真分析的形式对不同倾角煤层3种放煤方式的放煤过程进行模拟分析,并统计分析顶煤的放出率。结果表明,当煤层倾角小于35°时,单轮顺序放煤的效果最佳,当煤层倾角大于35°时,双轮顺序放煤的效果最佳。

高应力区软岩煤层巷道掘进支护优化

基于长平煤矿53101巷掘进期间受地质构造应力影响,围岩出现破碎、巷帮垮落现象,分析了围岩破碎机理,对垮落巷帮采取柔性注浆加固技术,对顶板采取“桁架锚索+L型拉棚+梯形钢棚”联合支护,从现场实际应用效果来看,通过对巷帮及顶板采取联合支护技术后,提高了巷道围岩稳定性,两帮最大收缩量为0.32 m,顶底板移近量为0.21 m,取得了显著应用成效。

软煤厚煤层工作面底三角煤高效回收技术

针对软煤厚煤层沿顶掘进顺槽底三角煤丢失严重问题,设计2次落底、2次顶部充填工艺,采用速凝早强高水充填材料,混合浆约15 min失去流动性,30 min完全固化,3 d达最终强度3.8 MPa。效果考察表明:每天一班充填,可以满足5 d的推进需求,实现了底三角煤安全高效回收,实际经济效益达到1610万元,延长了矿井服务年限,缓解了采掘衔接紧张。

极松软厚煤层超高巷道顶部高泡材料充填体强度确定

极松软厚煤层超高巷道采用顶部充填方式控制围岩稳定已取得了显著的技术效果,已有实践表明,顶部充填体强度对支护效果影响重大。为进一步提升该技术的综合经济效益,增加矿井焦煤产出率,提出采用高泡材料进行顶部充填,以减少材料用量和优化支护效果。通过建立超高巷道顶部充填体受力模型,得到了巷道顶部充填体水平及垂直方向的受载强度,确定了顶部充填体所需的强度及变形能;根据不同水灰比、发泡剂含量条件下高泡材料的力学特性,采用数值模拟方法确定了高泡材料的最佳配比,通过工业试验验证了支护效果。研究结果表明,巷道高度为3~6 m时,顶部充填体水平及垂直方向最大受力载荷分别为0.48 MPa和1.37 MPa;巷道高度为6 m时,顶部充填体所需变形能应大于1.17 MPa;将水灰比为3∶1、发泡剂含量为0.03%的充填体充填至巷道顶部,数值模拟及现场的巷道两帮最大位移分别为220 mm和163 mm,满足工作面安全开采要求。研究结果可为类似条件的巷道围岩控制提供借鉴。

急倾斜松软厚煤层智能化综采液压支架优化研究

为解决川煤集团急倾斜松软厚煤层综采存在的问题,在原大倾角、大采高支架可靠防倒、防滑和防飞矸的基础上,对分体运输搬家倒面安装困难导致开采效率不高的问题进行分析研究,优化设计了ZY5400/18/48JD大采高大、伸缩比支架,实现整机安全运输,适应软底开采;依托智能化综采技术,实现急倾斜综采支架防倒、防滑精准控制和支架姿态管理;优化支架适应性,采取伪俯斜开采工艺,减少煤壁片帮和工作面飞煤、飞矸,保障工作面人员及设备安全,实现安全高效开采。

碎软煤层超高压水力割缝增渗技术及应用

为了解决矿井高构造应力区域瓦斯抽采效果差、钻孔垮孔严重、瓦斯抽采浓度低等问题,以赵家寨煤矿14201工作面为研究对象,在预抽煤层瓦斯时采用水力割缝增渗技术,分析了该技术的增透原理,并在14201工作面回风巷进行了对比试验。结果表明:水力割缝增渗技术明显比未割缝抽采技术的渗透性好,增渗区域瓦斯含量明显降低,提高了瓦斯抽采浓度和抽采效果。采用水力割缝工艺后,瓦斯抽采日纯量平均为130 m^(3)/min,是未割缝区域钻孔的瓦斯抽采纯量51.42 m^(3)/min的2.5倍,同时割缝抽采28 d后,瓦斯含量由8.91 m^(3)/t降低到5.74 m^(3)/t,达到了突出煤层消突的目的。

松软厚煤层留顶煤动压巷道支护技术研究

针对松软厚煤层留顶煤动压巷道,在前期巷道地质力学参数测试基础上,分析巷道变形破坏的影响因素,通过围岩应力数值模拟分析,提出了针对性的松软厚煤层留顶煤巷道的高预应力注浆锚杆锚索支护方案。井下实践表明,采用高强度、高刚度、低密度的注浆锚杆锚索组合支护技术,可有效地控制巷道围岩变形,实现工作面安全回采。

倾斜软硬交互岩层双基本顶切顶留巷围岩控制技术研究

对倾斜软硬交互岩层双基本顶切顶留巷围岩控制难题,阐明了该地质条件下采空侧-顶板-实体煤帮综合护巷机理,针对性地提出了采空区侧“U型钢插顶插底+高强锚索补强+金属网挡矸护帮”、留巷顶板“槽钢桁架锚索+切顶锚索+单体柱撑顶”、实体煤帮“槽钢桁架锚索强力锚固”的综合控制技术;提出了布孔形式、布孔间距及角度、布孔深度、装药参数及封泥长度等爆破切顶参数。现场结果表明:9.5 m深度的切顶孔利于倾斜软硬交互岩层切顶留巷围岩控制,切缝侧顶板与实体煤帮稳定后的最终变形量约为192 mm与119 mm,保证了下工作面安全回采。

大倾角碎软低渗煤层下向长钻孔工艺研究与应用

针对新疆艾维尔沟矿区大倾角碎软低渗煤层,设计了一种高性能三棱螺旋钻杆,其转矩性能更优,同时具备更大的排渣通道与更佳的孔壁稳定性,三棱螺旋结构既提高了钻杆的排渣效率,又可在钻遇碎软煤层时通过旋转钻杆、反复洗孔等方式有效解决由于垮孔、塌孔造成的卡钻、埋钻问题,可有效提高碎软煤层钻进深度。揭示了螺旋型三棱钻杆不同孔深段所需风压:孔深0~50 m时风压为0.44 MPa、孔深50~100 m时风压为0.53 MPa、孔深100~150 m时风压为0.61 MPa、孔深150~200 m时风压为0.67 MPa,并提出一套适用于大倾角碎软低渗煤层下向长钻孔钻进施工工艺。针对2130煤矿25222运输巷,在下帮施工20个下向长钻孔并开展了下向长钻孔排采试验,在排采的60 d内,甲烷抽采纯流量前10 d由0.10 m^(3)/min快速降低至0.04 m^(3)/min、之后30 d由0.04 m^(3)/min缓慢降低至0.02 m^(3)/min、最后20 d由0.02 m^(3)/min缓慢增加至0.04 m^(3)/min,达到了排采试验目标。试验结果表明,采用三棱螺旋钻杆+中风压排渣钻孔工艺能够有效解决常规回转钻进成孔率低、孔深浅、工期长的问题,利用下向长钻孔解决工作面条带瓦斯抽采在新疆艾维尔沟矿区的推广应用奠定了基础。

大倾角“三软”煤层巷道围岩控制技术研究与应用

通过对某煤矿202运输顺槽的顶底板、应力环境及煤层的岩性特征进行分析,结合该矿的支护现状,采用理论分析和数值模拟的手段,对回采巷道支护提出了优化方案。理论分析表明,巷道顶板垂直应力通过岩层间传递作用于巷道底板,造成底板出现持续性底鼓现象,同时顶板各岩层界面处容易发生离层现象。数值模拟结果表明,巷道开挖后拉应力区的范围为1.8 m,若支护范围选择不合理的话巷道容易发生整体变形。针对上述情况,提出高强高预应力支护设计思路,确定锚杆长度选择为2.6 m,同时对该工作面的运输顺槽进行锚网索+W型钢带+喷浆的支护改进。经现场实测,采用该种方案对巷道进行支护,煤层工作面在高应力环境下回采巷道较为稳定,能够保证工作面安全回采。

高瓦斯低透气性松软煤层瓦斯治理技术研究

高瓦斯低透气性松软煤层是煤炭开采中的一大难题,这类煤层具有显著的瓦斯富集特点,瓦斯储量大,但由于其透气性极差,使得瓦斯难以有效排放。同时,松软的煤体结构使得煤层在开采过程中容易产生大量瓦斯,增加了矿井安全的隐患。低透气性往往与煤体内部的裂隙发育不良、孔隙结构闭合等因素有关,导致瓦斯不能顺利通过煤体排出。这种煤层的开采既需要高效的瓦斯抽排技术,又需确保煤层的稳定性,防止瓦斯与空气混合达到爆炸范围。