Waste-filling in fully-mechanized coal mining and its application

A fully-mechanized coal mining (FMCM) technology capable of filling up the goaf with wastes (including solid wastes) is described. Industrial tests have proved that by using this technology not only can waste be re-used but also coal resources can be exploited with a higher recovery rate without removing buildings located over the working faces. Two special devices, a hydraulic support and a scraper conveyor, run side-by-side on the same working face to simultaneously realize mining and filling. These are described in detail. The tests allow analysis of rock pressure and ground subsidence when backfilling techniques are employed. These values are compared to those from mining without using backfilling techniques, under the same geological conditions. The concept of equivalent mining height is proposed based on theoretical analysis of rock pressure and ground subsidence. The upper limits of the rock pressure and ground subsidence can be estimated in backfilling mining using this concept along with traditional engineering formulae.

建筑物下特厚煤层镁渣基全固废连采连充开采技术与实践

我国建筑物下压煤量巨大,同时煤矸石、粉煤灰等煤基工业固体废弃物排放量日益增加,严重制约地方经济社会发展。以榆林麻黄梁煤矿为试验矿井,针对其特厚煤层、建筑物下压煤、充填成本高等问题,提出了特厚煤层全固废连采连充开采技术。采用四阶段工序并将特厚煤层分为上、下2部分二次回采压覆煤炭,最大程度控制地面沉降。为降低充填原材料成本,采用化学优化剂对镁渣进行源头改性,抑制镁渣冷却粉化,稳定水化活性,协同粉煤灰、脱硫石膏等煤基固废,研发了改性镁−煤渣基胶凝材料。采用改性镁−煤渣基胶凝材料胶结煤矸石、粉煤灰制备了全固废充填材料。针对麻黄梁煤矿四阶段强、弱充填强度要求,设计不同配比的改性镁渣基充填材料试验,优选配比并应用于井下充填。论述了膏体充填系统与充填接顶方法。麻黄梁煤矿全固废胶结充填工艺试验显示,井下28 d龄期充填体钻芯平均单轴抗压强度超设计强度27%,钻芯浸出毒性满足相关国家标准要求,成功回收了建筑物下压覆煤炭资源,社会经济效益显著。麻黄梁煤矿特厚煤层全固废胶结充填开采实践为国内类似矿井提供了有益借鉴,同时为我国大型煤炭基地的“煤−电−化−冶”固废大规模资源化利用提供了新的思路。

鄂尔多斯盆地北部直罗组古河道砂体分布区矿井涌水模式

近十几年来,鄂尔多斯盆地北部煤矿开采频频受到了直罗组地下水的威胁,甚至出现了突水事故。区内以直罗组地下水为充水水源的大水矿井连片分布,且与直罗组古河道砂体关系密切。为阐释神府南区直罗组古河道砂体分布区矿井涌水模式,在直罗组古河道砂体空间分布及其对地下水赋存控制作用研究的基础上,从研究区尺度、井田尺度和工作面尺度,分析了直罗组古河道砂体与矿井涌水的关系,提出了直罗组古河道砂体下矿井涌水模式。结果表明:神府南区直罗组古河道冲刷带沿红碱淖—尔林兔—锦界一线发育,冲刷带内延安组第5段几乎被冲刷剥蚀殆尽,在局部地区延安组第4段也遭受了冲刷。根据砂分散体系分析和隔水岩组发育特征,将冲刷带内充填沉积的古河道砂体分为3级。直罗组古河道砂体富水性的强弱主要受控于砂体规模、物性特征和风化作用,一级砂体(主河道)区域富水性强于二级砂体(分支河道)及三级砂体(三角洲间湾、分流间湾)区域,当砂体遭受风化后,其富水性将进一步增强。基于不同尺度下砂体分级、风化砂体厚度与矿井涌水关系的分析,提出了研究区东部现阶段古河道砂体下生产矿井的3种涌水模式。强涌水模式,主要位于一级砂体分布区,风化砂体厚度一般≥30 m。中等涌水模式,主要位于一级砂体的边缘或二级砂体区域,风化砂体厚度一般10~30 m。弱涌水模式,主要位于三级砂体区域,风化砂体厚度一般<10 m。

连采连充膏体充填工艺系统设计与应用

针对查庄煤矿工业广场下压煤开采问题,设计了连采连充膏体充填工艺系统,给出了参与灰浆制作与矸石破碎处理设备的各项参数,在保证膏体质量的基础上实现了绿色充填。采用充填工业泵对膏体进行泵送,充填巷道上端口采用喷射机进行上三角密封,从而保证了接顶率。在进行采动影响分析时发现,膏体充填后顶板最大离层量为20.5 mm,地表最大下沉量为27 mm,地表建筑在I级建筑物损坏等级之内,证明了方案的可行性,有效解决了该矿“三下”压煤开采问题。

智慧矿山工业广场三维自动建模技术研究

为打破煤矿工业广场建模模式目前存在的高度依赖人工操作的现状,实现数字矿山规模化规范化建设、煤矿地面建筑设备模型量产化。本文对煤矿工业广场生产建筑群进行空间结构分析,着重分析煤矿井口、煤矿车间、煤矿办公楼的几何空间结构及生产设施的空间几何构型元素,提出一种分体分面组合模型自动建模技术。首先,通过将复杂的生产建筑群进行个体解构和几何拆分,将整套地上生产线设备及建筑拆分为最小规则(不规则)几何单元体,构建顶视投影弧段索引拓扑图;其次,通过线性封闭弧段环高程拉伸生成几何体空间组合关系构建建筑群;最后,以灵新煤矿为实验区域进行验证。结果表明:本文方法能够模拟建筑结构与设备的几何独特性,且纹理外观满足数字化要求;总建模工时由原来的每10栋建筑3.25人天降低到0.78人天,产能提升达到预期。

薄煤层短壁连采连充开采技术研究与实践

针对薄煤层“三下”压煤资源开采难题,对中等稳定围岩条件下的薄煤层短壁连采连充开采技术进行了研究,采用遥控薄煤层连采机结合单体液压支架进行长条带开采,采用膏体采空区充填法,实现顶板稳定控制,有效提升开采安全性和开采效率,显著降低开采成本。该技术首次在某煤矿进行了应用,每月回收煤炭资源超过1.5万t。

条带充填开采巷道围岩变形及顶板导水裂隙带实测研究

以常村煤矿条带充填巷道群集中开采为宏观技术背景,依托常村煤矿CTS2-01工作面充填开采工程实践,对现场充填体强度、顶底板移近量和导水裂隙带发育高度进行实测。结果表明,充填膏体试件强度随养护时间增加而增加,井下充填体试件不同期龄的平均抗压强度比地面充填站的更高,且标准差和方差也更大;巷道变形最大为67 mm,平均变形量不超过0.5 mm/d,说明条带充填开采后工作面主巷道变形量很小,不影响正常生产;综合顶板窥视及注水试验结果判断认为,条带充填开采后,工作面顶板最大导水裂隙带发育高度小于4.0 m。研究成果可为条带式充填开采技术的推广应用提供一定的技术参考与经验借鉴。

小浪底水库下采煤导水裂隙发育监测与模拟研究

新安矿有8.00×107 t煤炭资源处在小浪底水库水体之下,煤厚变化大(0.0～18.8 m),现有的导水裂隙高度计算方法不能满足水体下采煤安全评价的要求,水体下采煤存在突水隐患。为确定开采过程中覆岩破坏上限及其是否导通地表水体,研究区在5个地面钻孔中进行超声成像观测,在5个井下钻孔中进行并行网络电法CT观测,并通过物理模拟和数值模拟进一步研究各种不同开采条件下的覆岩破坏过程。观测及模拟结果表明,导水裂隙发育最大高度主要取决于煤层采厚,两者之间为非线性关系,在此基础上给出相应计算公式,为结合其他突水影响因素确定安全可采分区提供可靠依据,并得到3个位于安全可采区内的工作面工业性试采成功的验证。

煤矿含水体瞬变电磁探测技术研究进展

老窑采空区、顶底板含水层、陷落柱、溶洞、裂隙等潜在含水体,是煤矿开采中的主要致灾因素,严重影响矿山安全生产。随着煤炭开采规模和深度的逐渐加大,地质条件和观测环境日趋复杂,此环境下含水体探测成为保障煤矿安全生产过程中遇到的巨大难题,亟需创新电磁精细探测理论与技术。瞬变电磁法能够获得地下介质的电阻率分布,由于煤矿含水体与围岩具有明显的电阻率差异,该方法成为探测含水体的主要方法之一。首先总结了煤矿含水体的赋存特征及其电磁法探测的物理基础。然后,综述了近年国内瞬变电磁探测理论、方法和技术等方面研究新进展,及其在煤矿含水体探测中的应用和前景。理论方面,重点介绍了近年被引入瞬变电磁场数值模拟的时变点电荷载流微元近场理论和矿井瞬变电磁法的物理基础——地下全空间电磁理论,这2项理论都得益于数值模拟手段的发展,近年取得了较大的发展。在方法方面,对修正式中心回线装置、电性源瞬变电磁法、半航空瞬变电磁法和矿井瞬变电磁法等新型瞬变电磁法装置进行介绍。随着相关数据处理和反演技术的发展,这些新装置开始在煤矿含水体中得到应用,并展现出与传统方法截然不同的技术特点。最后,指出瞬变电磁多分辨探测方法技术、大数据技术、煤矿多层采空区精细探测技术和瞬变电磁高分辨数据采集装备研发是近年煤矿复杂含水体探测的研究方向。

我国条带开采的研究现状与主要问题

条带开采作为“三下”采煤的主要技术措施之一 ,在我国煤矿区被广泛采用。在综合分析大量文献的基础上 ,从条带开采岩层与地表移动机理、地表移动和变形预计、条带煤柱稳定性、条带开采设计研究等方面对我国条带开采的研究现状进行了论述 。

地表水体下煤炭资源开采研究

在地表水体下进行煤炭资源开采的研究课题是一个跨煤炭、水利、地质和环境保护行业的综合性研究课题。随着《中华人民共和国水法》的颁布实施和国家对环境保护重视程度的加强,其研究内容应扩大,需把资源开采、保证水工结构安全和环境保护结合起来进行研究,真正达到各系统“多赢”的局面。近年来,许多大型水利工程的建设将不可避免地遇到穿越煤系地层的问题,比如,南水北调中线总干渠由南至北依次穿越禹县、新郑、焦作、邢台等矿区的14个矿井,压煤1.8502×108t。因此,在地表水体下进行煤炭资源开采的研究具有重大的理论和现实意义。地表水体下进行煤炭资源开采至少应关注以下几个问题:(1)煤层开采引发地表塌陷对水工结构稳定性及安全运行的影响;(2)煤层开采引发地表水体渗漏及水位骤降的问题研究;(3)煤层开采对研究区渗流场变化、水工结构安全的影响研究;(4)煤层开采对研究区环境破坏的影响研究等。结合申家庄煤矿扩大区在岳城水库库区下采煤的工程实例,采用理论计算、数值模拟、现场测量和工程类比相结合的方法对上述问题进行详细研究,论证在岳城水库下进行煤炭资源开采的可行性,从而为相关部门进行决策提供重要的科学依据。

矸石充填采煤中的矿压显现规律分析

井下矸石直接用于充填置换"三下"压煤,是绿色开采体系中的重要内容之一.本文简单介绍了综采矸石充填采煤和普采矸石充填采煤方法;在大量矸石碎胀与压实特性试验基础上提出了矸石充填开采等价采高的概念,因而可以用传统矿压理论和地表沉陷预计的方法分析矸石充填开采中的采场矿压和地表沉陷的极限量;通过理论分析和现场实测等得到,矸石充填开采与同类地质条件下非充填开采相比,可显著降低采场矿压与地表沉陷显现的剧烈程度及绝对值,能开采用传统采煤方法无法采出的"三下"压煤.

机械化开采条件下导水裂隙带发育高度研究

导水裂缝带高度是保证水体下采煤安全的重要参数,为了能够科学的预测机械化开采条件下导水裂隙带发育高度,对影响导水裂隙带发育高度的因素进行分析,并在之前专家学者大量观测数据基础上进行归纳总结,采用线性拟合的方法给出机械化开采条件下导水裂隙带发育高度的预计公式。预计公式与《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中给出的相应的预计公式进行比较,发现通过规程中给出的公式进行预测导水裂隙带高度值小于实测值,对这一问题进行具体分析,给出造成规程中预计值偏小的具体原因。同时,所得出的预计公式是通过全国大量开采实测数据得出,源于实际故更适用于对机械化开采条件下导水裂隙带发育高度的预计。

水体下急倾斜煤层采空区矸石充填顶板控制

采用数值计算和物理模拟方法,分析了水体下急倾斜煤层开采采空区矸石自溜充填顶板控制效果。结果表明:采空区矸石充填可以有效降低工作面顶板下沉挠度,减小区段平巷围岩变形;矸石充填限制了相邻分带煤柱的横向变形,减小其变形破坏程度以及降低相邻分带回采时的矿压显现;矸石充填使覆岩内的应力发生转移和重新分布,有效降低了覆岩导水断裂带的高度,减少了防水煤柱的塑性破坏范围。

水库下厚煤层综放开采的透水危险性的地质分析

为了评判水库下厚煤层综放开采采动裂隙是否相互连通并波及水体,以大平矿区井田范围内钻孔揭露的地层资料及工作面布置方式为基础,采用弹性理论获得了采动地表裂缝深度为6.59 m,以大平矿区水库范围外的导水裂隙带高度实测数据作为预测接近样本,选取导水裂隙带高度的可测影响因素,结合主观的层次分析法和客观的熵值法对指标权重值进行综合确定,通过Matlab编程获得水库范围内各工作面采动后钻孔位置处的导水裂隙带高度的预测值及各影响因素的权重,同时采用Surfer软件的克里金插值法获得了地表裂缝和导水裂隙带之间的覆岩厚度及各组分岩性的厚度等值线,并进行了透水安全评估。

采煤驱动下潘谢矿区水体演变及其景观生态效应

基于Landsat数据利用水体指数、波段运算和阈值法提取了淮南潘谢矿区1979、1987、2000及2006年水体信息,结合矿井采掘工程布置识别了塌陷水体与自然水体。面积统计结果表明1979年自然水体、塌陷水体面积最小,1980年后农田水利工程、开挖鱼塘、取土烧砖等人为活动导致后期自然水体面积增大;矿区内井工采煤导致塌陷水体逐年增多,2000年至2006年增长最快,同一时期内的煤炭开采强度也最大。基于景观生态学计算了各年份水体景观格局指数,结果表明水体景观破碎程度逐渐增大,区域景观由连续变化结构向斑块镶嵌体结构转变,塌陷水体周边水陆交错带面积逐渐增加,在一定程度上提高了区域生物多样性。预计将来塌陷水体将成为潘谢矿区水环境的重要组成,应当进行水产养殖、农业灌溉供水、工业供水、人工湿地公园等综合开发利用。

兴隆庄煤矿3煤顶板岩层富水性分区

分析了矿井顶板水害及防治现状 ,以兴隆庄煤矿 4 31 8工作面为例 ,用信息拟合方法对顶板富水性进行分区 ,应用模糊评判预测方法进行了顶板水量预测计算 :涌水量等级为 3级 ,正常涌水量为 0 .5～ 1 .5m3/ min,最大涌水量为 2 .2 5m3/ min,与实际涌水量一致。

高压输电线铁塔采动损害与保护技术现状及展望

为了全面了解采动影响下高压输电线铁塔变形特征,解决煤矿面临的高压输电线铁塔压煤开采问题,从地表沉陷控制研究、高压输电线路铁塔下采煤实践、采动对高压输电线路及铁塔影响、高压输电线路铁塔保护技术等方面,总结分析了国内外高压线铁塔采动损害与保护技术的研究现状。分析结果表明:高压输电线路铁塔不是单一孤立的构筑物,而是由地基、基础、铁塔结构和导线等组成的空间结构体系,其变形规律与一般高耸建(构)筑物存在差异,现有采动区建(构)筑物损害评价及保护理论不适合。指出应研究建立基于地基基础、铁塔结构、线路协同变形理论的高压线铁塔下采煤安全防护理论和技术措施。

河下分层采煤导水断裂带发育规律研究

兖州矿区某煤矿部分煤炭资源位于河流下方,采用分层开采。为提高其开采上限,以该矿5304-1工作面开采实际为背景,根据现场地面钻孔成像观测结果分析,确定其导水断裂带高度为51.7 m;以工作面实际地层资料为基础,通过对煤层顶底板岩层组合和结构特征的分析,运用FLAC3D数值模拟方法,通过反复试算和修正,以及对煤层顶板导水断裂带的发育特征进行分析,得出厚煤层分层开采后导水断裂带的空间发育特征及发育高度;采用现场钻孔观测和数值模拟相结合的方法,确定出厚煤层分层开采顶板导水断裂带发育高度为52 m,为河下开采提高开采上限和防水煤柱的留设提供重要的参考依据。

矸石充填工作面关键技术研究与应用

为了提高充填开采效率,基于翟镇煤矿固体充填开采实践,提出解决矸石充填端头充填效果差、捣实回拉带矸、充矸刮板输送机限制落矸量、沿空留巷变形严重等问题的方法,并对关键技术进行分析。结果表明:通过设计加工端头旋转捣实和溜头溜尾起高平台,实现了端头的机械化密实充填,全断面捣实充填,充实率从80%提高到95%,实现采充比100%;自主研制的可调节自溜式扇形漏矸孔可实现粒径50~120 mm矸石块连续充填,生产效率提高50%,充填开采单位成本下降至26.5元/t;同时采用垒砌矸石袋和锚索联合支护的措施,对充填工作面沿空留巷进行有效支护,确保了留巷不变形。