Experiment and Simulation for Articulated Lifting Subsystem of 1000 m Deep Sea Mining System

The experiment system of 1000 m deep sea mining system is built up with the similarity theory. Sine mechanism is used to simulate mining ship to generate lateral shock excitation by ocean wave. Simulation and experiment of spherical joint connecting deep sea mining system has been done in band six marine conditions. The results indicate that the moment of spherical joint connecting deep sea mining is smaller than that of the thread connected ones, the lifting pipe of sphelical joint is ＂flexible pipe＂. The flexural torque of the articulated lifting pipe system in pump and buffer is generally periodic variation with some irregularity, the value is stable on 60 N·S, and it is obviously smaller than that of the fixed lifting pipe system; The total displacement exhibits cyclic variation pattern, and the periodicity of them is longer than that of sea current. The results of experiment and simulation are basically consistent. And the analysis in the paper offers theoretical foundation of 1000 m deep sea mining system in China.

深井软岩无机有机复合注浆加固材料研发与应用

千米深井软岩大巷围岩大变形、裂隙闭合和渗透性差等问题突出,要求注浆材料可注性好、凝结速度快、早期强度高,黏结性能强。为此,设计采用“组分优化+超细化+纳米增强+有机改性”协同制备无机注浆材料新方法,研发出硫铝酸钙、石膏、石灰三元胶凝体系最佳质量比为50∶40∶10的无机注浆材料。超细化后结石体4 h抗压强度提高163.0%,初步实现早强快凝;开发了具有纳米晶核诱导结晶和锂离子促溶协同作用的纳米锂铝类水滑石增强材料,使超细注浆材料2 h强度提高183.7%;合成了煤岩界面具有定向耦合效应的有机调节剂,通过与浆液和煤界面的键合作用形成桥梁,显著提高了浆液结石体与煤岩界面黏结。协同制备的无机有机复合注浆加固材料粒径小(D95<10μm),凝结快(<8 min),早期强度高(2 h强度11.5 MPa),黏结性能强(砂岩黏结强度3.12 MPa)。研究开发出了具有“高早强、高可注、高黏结”性能的深井软岩无机有机复合注浆加固材料。现场应用试验采用高压注浆方式,浆液可注入煤样大裂隙和微裂隙,连通孤立裂隙实现高压劈裂,松散煤体得到压实。煤壁表面裂隙漏浆和锚杆孔漏浆可以实现自封闭。微观观测表明高压注浆下浆液可以增加裂隙开度,注入更加微细的裂隙。最后,提出未来注浆材料的发展方向。

千米深井解放层开采卸压机理及效果分析——以华丰煤矿为例

解放层开采是煤与瓦斯突出、冲击地压等煤矿动力灾害防治的重要措施,以山东泰安千米深井华丰煤矿2613、2412工作面为背景,采用物理模拟与数值模拟相结合的方法,围绕解放层开采卸压机理、卸压效果评价等工程科学问题开展研究,明晰解放层开采后上覆岩层运动规律及矿压变化特征,厘清被解放层采动过程中采场应力与岩层位移演化规律,进而对解放层开采卸压效果和被解放层开采可行性进行指标化评价。结果表明:(1)解放层开采过程中,上覆岩层逐渐垮落形成漏斗状、非对称的多固支梁状结构,解放层开采结束后,采场左右两端分别形成对被解放层起永久性卸压保护的类悬臂梁结构,左右保护角分别为54°、60°。(2)解放层上覆岩层划分为“永久性卸压保护区”和“采空触矸压实区”,两种应力分布区对应解放层顶板应力最大值约20、36 MPa,对应被解放层内最大应力值约29、24 MPa,被解放层受两种应力区的叠加影响。(3)解放层开采结束后,工作面两端出现应力积聚,其他区域上覆岩层整体处于卸压状态,“采空触矸压实区”的持续发育已影响到被解放层,被解放层50~100 m区域沉降量约等于采高。(4)被解放开采过程中,覆岩板裂指数f为0.5,小于临界值0.7,不具有发生强矿压动力灾害的倾向,上覆岩层扰动范围较开采前变化极小,同时结合覆岩破坏形态,可知,被解放层开采始终处于解放层卸压范围内,解放层卸压充分,被解放层开采具有可行性。

煤矿千米深井巷道围岩支护-改性-卸压协同控制技术

针对煤矿千米深井、软岩、强采动巷道围岩大变形难题,以淮南新集口孜东矿350 m超长工作面运输巷为工程背景,分析了巷道围岩大变形、支护构件失效原因;采用理论分析、实验室试验和井下试验方法,从围岩物性劣化、偏应力诱导围岩扩容、软岩结构性流变及超长工作面采动影响等方面,揭示了高地应力与超长工作面强采动应力叠加作用下巷道围岩大变形机理。以此为基础提出千米深井、软岩、强采动巷道支护-改性-卸压协同控制理念,采用数值模拟对比研究了无支护、锚杆支护、锚杆支护-注浆改性、锚杆支护-注浆改性-水力压裂卸压4种方案巷道围岩应力、变形及破坏规律,阐述了巷道支护-改性-卸压协同控制原理。研发出CRMG700超高强度、高冲击韧性锚杆支护材料,研究揭示了锚杆受拉、剪、扭、弯及冲击复合载荷作用的力学响应特征;开发出微纳米无机有机复合改性材料及配套高压劈裂注浆技术;研发出分段压裂水力压裂卸压技术与设备,形成了巷道支护-改性-卸压协同控制技术。基于上述研究成果,提出口孜东矿示范巷道支护-改性-卸压布置方案与参数,并进行了井下试验与矿压监测。监测结果表明,巷道围岩协同控制技术应用后,巷道变形量降低50%以上,锚杆、锚索破断率降低90%,工作面采动应力明显减小,有效控制了千米深井、软岩、强采动巷道大变形。最后,对下一步的研究工作进行了展望。

千米深井软岩大巷围岩锚架充协同控制原理、技术及应用

针对煤矿千米深井高应力、软岩大巷围岩强时效大变形难题,以中煤新集口孜东矿软岩大巷为工程背景,根据井下实测数据与支护状况,分析了不同支护方式下巷道围岩大变形、支护构件破坏与失效特征。采用理论计算得出U型钢支架在均布载荷和不同类型集中载荷作用下的垂直反力、水平推力及弯矩,揭示了充填体对提高U型钢支架发挥其承载能力的作用机制;采用数值模拟分析对比了锚网喷、锚网喷+钢管混凝土及锚架充3种支护方式控制围岩变形与破坏的效果,阐明了千米深井软岩大巷锚架充协同控制原理。在引进与自主研发的基础上,形成了包括支护材料与构件、充填材料与系统、自动架棚机、单轨吊巷道锚杆支护平台的锚架充协同控制技术。基于上述研究成果,提出口孜东矿软岩大巷锚架充协同控制方案与参数,并进行了井下试验与推广应用。结果表明,锚架充协同控制技术能够有效控制千米深井软岩大巷围岩大变形,特别是强流变,保持巷道长期稳定。与原支护相比,巷道变形量降低90%以上,同时节约了巷道维护成本,为千米深井软岩大巷围岩控制提供了一条有效的途径。最后,对锚架充协同控制技术下一步研究工作进行了展望。

深井强冲击矿压煤层巷道控制技术数值模拟研究

为探索具有强冲击危险性的深井煤层巷道控制技术,以某矿7121工作面为工程背景,基于FLAC^(2D)数值模拟软件对4种巷道控制方案的围岩应力、位移及塑性区等特征进行分析。数值计算结果表明:方案3巷道应力峰值最小,其最大应力值为30.68 MPa,应力峰值降低约5 MPa;方案4巷道变形量最小,两帮收敛量为21.36 mm,顶底板移近量为16.70 mm;大直径钻孔使围岩提前产生塑性区,释放积聚在煤岩体中的弹性能。"三结构"控制技术的卸压效果好、围岩变形量小、能量释放多,破坏了发生冲击矿压的强度和能量条件。工程实践表明,现场巷道围岩变形控制效果明显,验证了数值模拟结果的合理性。研究成果可为深井煤岩强动力灾害防治提供借鉴和指导。

煤矿千米深井巷道松软煤体高压锚注-喷浆协同控制技术

针对煤矿千米深井巷道松软煤体大变形难题,以中煤新集口孜东矿大采高工作面运输巷为工程背景,分析巷道松软煤帮变形破坏特征及支护结构破坏、失效形式;采用井下试验和数值模拟相结合的方法,从锚杆锚索锚固力衰减、风化作用下煤体劣化及强流变性等方面,揭示出千米深井巷道松软煤帮大变形机理。提出千米深井巷道松软煤帮高压锚注-喷浆协同控制理念;采用数值模拟对比研究了锚杆锚索支护、锚注、锚注-喷浆3种方案巷道煤帮变形、裂隙及应力演化规律,阐明了巷道煤帮高预应力、高压锚注-喷浆协同控制原理。研发出高强度、高压、组合式注浆锚杆与高压注浆锚索,研究了注浆锚杆、锚索及注浆材料性能与锚注效果,形成了高预应力锚杆、锚索支护-高压劈裂注浆改性-表面喷浆协同控制技术。将研究成果应用于中煤新集口孜东矿,提出试验巷道锚注-喷浆协同控制方案及参数,并进行了矿压监测。监测数据表明,采用提出的高压锚注-喷浆控制方案后,煤帮结构、完整性与强度得到显著改善,锚杆、锚索锚固力大幅提升,充分发挥了高强度锚杆、锚索主动支护作用。巷道两帮收缩量降低86%,锚杆、锚索破断率大幅减少,有效控制了千米深井巷道松软煤帮大变形,为此类深部巷道大变形控制提供了有效途径。

千米深井强突出煤层群井筒快速揭煤技术

针对淮南矿区深部煤层具有低透气性、强突出的特点,且揭煤过程具有很强的危险性,以潘一矿东井二副井的近距离强突出煤层群为研究对象,依据前探基础资料,以及强突出煤层群井筒揭煤的特点,增加2圈减压孔,优化设计与施工,实施多煤层联合抽采消突措施,过煤段下花管护孔并下铁管作为金属骨架等措施确保抽采量,提前完成抽采任务并实现了数据的在线监测。井筒揭5-2、5-1、4-2、4-1煤层从施工钻孔、抽采评价到揭煤结束,比预期时间缩短25 d,实现了安全、快速井筒揭煤。

千米深井锯齿形断层煤柱群应力分布及微震活动规律

上部遗留煤柱存在较高的应力集中,会导致下部工作面或巷道应力升高。对于形状不规则煤柱,应力分布更加复杂,从而使下方工作面过煤柱不同阶段的矿压显现规律不同。针对赵楼煤矿千米埋深7301强冲击危险工作面上部存在锯齿形断层煤柱群的实际情况,采用数值模拟和现场监测手段,研究了各煤柱对工作面应力集中的影响范围及工作面过煤柱群下方的微震活动规律。结果表明:①煤柱内应力峰值及煤柱与工作面相对位置是决定其对工作面影响范围和强度的重要因素,煤柱应力峰值较小及煤柱距工作面较远时均对工作面影响较小;②工作面回采接近煤柱边缘及煤柱交界处时,微震能量和频次均会达到峰值,相应微震大能量事件的振幅增加,主频降低,能量主要集中在低频区,此时工作面的冲击地压危险性最高;③根据震源定位及现场卸压情况,确定煤柱边缘及交界处是高应力集中区,需采取大直径钻孔卸压,以达到降低应力集中的目的。

千米深井井下矸石分选及充填技术研究

为了降低原煤灰分、减少矸石堆积对环境的破坏,同时解放"三下"呆滞煤炭资源,邢东矿建立了一套井下原煤洗选—矸石充填系统。以邢东矿首个矸石充填工作面12212为例,详细介绍了井下矸石分选及充填技术。现场应用表明,井下矸石分选及充填可实现矸石减排、地面沉降控制,具有可观的经济效益和社会效益。

千米深井首采工作面动静载荷分析及抗冲能力评价

结合某千米深井首采工作面(6305工作面)的实际情况,对工作面动静载荷进行了计算,分析了工作面皮带顺槽支护系统和轨道顺槽支护系统防冲能力,为工作面安全开采提供理论依据。结果表明:6305工作面冲击危险受动静载耦合影响,其中静载为主要影响因素,动载为诱发因素;6305工作面巷道的锚杆支护系统能够满足抗冲的要求。

千米深井硐室群支护设计研究

为确保千米埋深条件下井底车场及硐室群的稳定,在对工程地质条件进行充分分析基础上,结合煤矿巷道调研成果,对车场水平标高和巷道间距进行优化设计,并提出分区治理关键技术,对车场巷道及硐室群进行了针对性支护设计。实践表明,车场巷道及硐室维护情况很好,为类似矿井支护设计提供借鉴意义。

千米深井厚硬顶板直覆沿空留巷围岩结构优化

针对深部沿空留巷厚硬顶板大面积悬露及采空侧顶板长悬臂劣化围岩应力环境难题,分析了千米深井厚硬顶板直覆沿空留巷矿压显现特征,提出了该条件下沿空留巷超前工作面采场顶板深孔预裂爆破放顶优化与采空侧顶板结构破断卸压相结合的围岩结构优化控制技术;同时基于理论模型与树脂模型结果,分析了厚硬顶板条件留巷充填墙体上方载荷与采空侧顶板悬臂长度的相互关系,指出利于留巷围岩长期稳定的采空侧顶板悬臂长度不大于12 m。相关研究成果成功应用于平煤集团12矿己14-31010工作面沿空留巷,为同等条件下的实施沿空留巷提供了借鉴。

千米深井沿空留巷复合充填体研制与应用

针对千米深井沿空留巷存在的问题,以山东某矿为试验场所,开展了沿空巷旁复合材料充填试验及其应用的研究。通过对沿空留巷覆岩结构模型和岩层运动的分析,认为留巷围岩结构要经历4个主要动压阶段:巷旁围岩破碎圈扩大阶段、不对称结构形成阶段、蠕变与稳定阶段以及二次回采超前影响阶段;根据岩层运动及矿压理论建立了巷旁充填体最大压缩量和矸石砖的最小抗压强度计算模型,得出充填体最大压缩量和最小强度分别为0.3 m和6 MPa;基于此提出了基于复合充填材料的分段分级施工、承载理论,并进行了主副墙体的参数和性能设计;最后,研究了主墙体矸石砖的制作过程,包括配比的优化、生产的工艺流程等参数。该矿工程实践表明,沿空巷旁复合材料(主副墙体)充填技术能够适应顶板岩层的运动规律,发挥了主副墙体的各自功能,满足支撑顶板、维护巷道稳定等需求,达到了预期效果。

抗弯强化型钢管混凝土支架支护技术研究

千米深井巷道支护中钢管混凝土支架的各种破坏形式中,拱结构的压弯破坏是主要破坏形式。为解决钢管混凝土支架压弯破坏问题,采用理论分析和室内试验研究抗弯强化的作用机理。理论分析证明,增加强化圆钢直径可有效提高钢管混凝土结构的抗压刚度和抗弯刚度。室内试验表明,抗弯强化措施使中性层向圆钢侧移动,增大压应力分布面积,充分发挥出约束混凝土抗压性能和高强圆钢抗拉性能,提高复合结构整体承载力。抗弯强化型钢管混凝土支架在现场的应用也证明了支架能够有效支撑来自围岩的载荷,支架整体变形量较小,巷道支护稳定。

深井沿空掘巷围岩变形破坏特征及控制技术研究

针对深井高应力软岩巷道变形量大、变形持续时间长、巷道难支护等问题,以口孜东矿沿空巷道为工程背景,通过现场调研、地应力测试、矿物成分分析及巷道围岩力学性能测试等手段,揭示高地压、强扰动是巷道产生大变形破坏的主要动力源,低抗载性围岩破裂加剧了巷道围岩的结构风化和强度劣化,加剧了巷道扩容变形,构成巷道产生大变形的主要内因;巷道断面不合理,支护强度低,加剧了巷道围岩扩容变形,构成巷道大变形的主要外因。从巷道破坏模式方面分析巷道5种典型变形破坏特征及发生机制;通过现场观测,揭示巷道表面变形的空间非对称性、不同深度围岩变形的跳跃性,以及巷道围岩内部结构劣化的非均匀性和跳跃性;总结了巷道大变形机理是高应力驱动下塑性区劣化后的围岩产生显著的流变与强烈的扩容变形,加速了巷道的变形失稳。提出口孜东矿沿空掘巷以“高预应力主动支护、注浆改性加固、强帮护顶”为核心的沿空掘巷支护技术,现场监测表明,该支护方案可有效控制深部高应力软岩巷道变形。