煤矿负碳高效充填开采理论与技术构想

矿山安全高效绿色低碳开采是永恒的主题,近零冲击地压、近零生态损害以及低碳、零碳、负碳的绿色开采将成为保障我国能源安全供应与绿色低碳发展的新要求。充填开采是实现这一要求的必然途径。然而,现有充填开采原理与技术装备体系难以突破高产高效、低碳开采的技术瓶颈,对充填材料及充填模式进行变革已势在必行。针对“千米深井资源开发和千万吨产能矿井充填(两个一千)”与“近零生态损害和近零冲击地压(两个近零)”的煤炭绿色低碳开采战略目标,提出了负碳高效充填开采技术全新构想,系统阐述了负碳高效充填开采的定义与科学内涵,提出和建立了由CO_(2)、矸石与快速胶结物混合而成的负碳高孔隙充填材料结构CGIF(CO_(2)Gangue Inorganic Framework)拓扑构型与强度理论以及CGIF混合物充填体固碳理论、快速黏凝胶结材料反应动力学理论、矿区充填开采防治冲击地压等负碳高效充填理论构想;提出了矸石快速高效胶结高孔隙充填材料制备技术、快速黏凝胶结材料绿色高效制备技术、CGIF充填体负碳高效充填开采技术、多面并采高效充填开采技术与工艺、全周期立体高效充填开采防冲技术等关键技术体系。在此基础上,明确了煤矿负碳高效充填开采“基础研究—技术攻关—工程示范”的“三阶段”发展规划,构建了煤矿负碳高效充填开采理论与技术体系构想;评估了煤矿负碳高效充填CO_(2)封存能力,可望实现煤炭负碳开采、低碳利用的煤炭开发利用全过程自身实现碳中和的新格局。

巷帮煤体整体滑脱型冲击地压锚杆防冲支护原理及工程实践

冲击地压是目前严重影响煤炭安全有效开采的灾害之一,研究锚杆防冲支护原理和技术对防治巷道冲击地压灾害具有重要意义和价值。通过对巷帮煤体整体冲入型冲击地压发生的地质条件以及破坏特征进行总结分析,认为坚硬顶板与坚硬煤层是此类型冲击地压的重要地质特征,而巷帮煤体整体滑脱是其主要冲击破坏特征。在此基础上,以巷帮滑脱煤体为研究对象,建立了顶板-巷道-底板复合结构体力学模型,建立了巷帮煤体发生水平滑移的极限平衡方程,并对各个参数进行分析。结果表明:由于顶板反弹使巷帮煤体竖直方向压力降低,巷帮煤体被构造应力推入巷道发生冲击地压。基于该发生机制模型,认为目前的锚杆支护设计体系在防治巷帮煤体冲入型冲击地压存在不足,并基于其发生和破坏特征,建立了针对巷帮煤体整体滑脱型冲击地压的锚杆防冲支护设计原则,即将顶和底帮锚杆锚固端分别穿层打入稳定的顶底板内,并使用长锚索取代中部帮锚杆,提供锚杆支护的防冲作用。基于新建立的锚杆防冲支护设计方法,以大屯矿区孔庄煤矿7305工作面防冲支护为工程背景,在宽煤柱段巷帮锚杆支护采取了防冲设计,帮顶、底部锚杆及补强锚索均锚固于顶底板内部,能够有效吸收煤体滑动动能,提高安全性。

防冲击地压薄壁吸能构件的压溃吸能机理分析

当煤矿井下发生冲击地压时,矿用液压支架的冲击性失效,常常会引起巷道支护系统的破坏,进而引发巷道坍塌,造成矿难。当前通过添加吸能构件来提高支架的防冲击性能是防治巷道冲击地压的有效途径之一。而不同类型吸能构件的压溃变形模式不同,表现出的吸能特性和力学特性也不同。本文采用数值方法对不同类型、支座和壁厚的吸能构件进行了冲击压溃模拟,通过对各相关防冲吸能参数的对比分析可知:预折纹吸能构件支撑反力最大、具有良好的吸能能力,但变形过程稳定性较差;外翻式吸能构件的塑性变形能力强,有效让位行程最大,但支撑力较小,不适合单独使用;扩径式吸能构件变形过程稳定性最好,其塑性变形后的径向位移较小,节省工作空间,但支撑能力较差,适用于小型液压支架或用作其他特殊用途。

我国深部冲击地压防控工程技术难题及发展方向

随着煤矿开采深度不断加大,我国深部冲击地压发生及其防治变得常态化,为了提高深部冲击地压防控技术成效,从深部冲击地压防控现场工程技术难题出发,结合灾害防治工程实践数据统计,分析了我国深部冲击地压防控因自身地质赋存地应力高,人为开采扰动范围大,灾害防治过程围岩卸压后应力恢复快,冲击地压防治成效低下原因归结于防冲卸压工程实施与浅部开采相比,面临“三高一低”防控技术新要求,包括高强度的大尺寸钻孔卸压,以解决厚硬煤层不容易塌孔问题;小间距高密度施工钻孔,以解决钻孔卸压范围不联通问题;多轮反复高频度施工,以解决深部煤层卸压后应力恢复快问题;采掘工作面进尺低速度推进,以解决开采扰动强度大问题。针对深部冲击地压“三高一低”防控新要求模式,为了进一步提高冲击地压防控安全可靠性,以常规源头防控冲击地压采用优化开拓开采部署的局限性为背景,提出了深部冲击地压上覆岩层结构与载荷主动调控区域防控冲击地压技术,并提出了进一步需要解决的科学问题;以近年来几起典型的冲击地压事故存在防治方案“漏靶”问题为背景,开发了深部冲击地压采掘空间局部靶向防控技术,并指出了下一步还需要解决的科学难题;以煤矿冲击地压防治措施实施后,难以评判安全性问题为背景,提出了深部冲击地压防治卸压达标评判技术,并指出了下一步还需要解决的科学难题;以煤炭行业大力推广开采智能化,治灾仍需靠人工,人员处于高危环境作业问题,探索了深部冲击地压防治过程智慧智能化新兴研究方向及其面临的科学难题。最后,客观的指出,冲击地压防控绝不纯粹是理论与技术问题,人类对专业问题的认知也是酿成事故的重要原因之一,结合现场工程实践,讨论了冲击地压概念、冲击地压机理是否清楚、冲击地压能否预测、冲击地压能否防治以及冲击地压矿井怎么办等行业焦点专业问题,指出冲击地压工程难题是人类与自然界作斗争,需要从业人员客观认知,客观接受并深入研究,成效是显著的。

基于光子爆发计数的双链DNA抗体均相分析方法研究

本文报道了一种基于共振散射光子爆发计数技术的双链DNA抗体(Anti-dsDNA antibody)分析新方法。基于金纳米粒子(Gold Nanoparticles, GNPs)极强的共振光散射性质,以GNPs为探针,通过激光强度、金纳米颗粒表面结合双链DNA数目、探针浓度、反应时间等实验条件的优化,建立了双链DNA抗体的均相免疫定量分析方法。最优实验条件下,该方法的线性范围为1.0×10^(-8)mol/L~1.0×10^(-7)mol/L,检测限为5.2×10^(-9)mol/L。与目前已有的方法相比,该方法具有快速、简单、灵敏度高和特异性好等优点,在临床诊断和生命科学中具有广阔的应用前景。

综采工作面冲击地压危险性评价及防冲方案

九鑫煤业2号煤层不存在冲击地压危害,已回采工作面未出现冲击地压危险。但因204综采工作面相邻三面均为采空区,根据相关规定,必须进行冲击危险性评价并制定防冲措施,论证后方可开采。为预防204综采工作面回采作业时受冲击地压影响,保证回采作业安全,对冲击地压危险性进行评价,并制定防冲方案。

厚松散层底部土层抗渗透破坏突水溃砂研究

为了探究厚松散层底部土层抗渗透破坏特征,以兴隆庄煤矿巨厚松散层薄基岩下开采四采区浅部资源为工程背景,通过对上、下2组土样进行颗粒级配、微观测试、抗渗透试验、安全临界水头高度理论计算等综合分析,探究山西组3煤层上覆含水层发生突水溃砂的临界条件。研究发现:土样的颗粒级配及颜色变化差异较大,粒径小于0.075 mm的细粒土的质量分数,上组的不到30%,而下组的高达70%;上组土样以长石为主,长石质量分数超过90%,结构疏松,SiO_(2)质量分数高,属于典型的砂性土类;下组土样以高岭石为主,质量分数超过70%,结构致密,Al_(2)O_(3)质量分数高,属于典型的黏性土类;确定了不同裂缝宽度下临界水压及临界水力坡度量化取值,随着裂缝宽度不断增加,临界水压和临界水力坡度均呈现逐渐下降的趋势,当裂缝为20 mm时,均出现明显拐点;理论类比计算了安全临界水头高度,初步确定了研究区第四系底部含水层允许安全水头高度为54~70 m,通过与实际水头值对比,分析认为正常开采条件下该区域不会发生突水溃砂渗透破坏事故。

巷道冲击地压载荷特征及防冲支护装备研究

针对冲击地压事故频发致使液压支架发生结构性破坏,造成煤矿安全事故的问题,通过分析基于冲击地压释放的能量,获取了典型冲击地压下的载荷谱特征,提出了对支架防冲装置的工作性能要求,研究了六边形管排列的蜂窝吸能结构,构建了防冲装置的有限元模型和载荷(岩层)—防冲装置—液压支架整体应力耦合系统动力学模型,分析了典型冲击载荷特征下的支架动力学响应。研究结果表明,蜂窝结构防冲装置的应用可使活塞受力减小约40%,液压支架活塞与顶板连接处受力更加稳定,可以起到很好的防冲减压作用,对促进冲击地压灾害的防治具有重要意义。

近直立煤层上覆煤柱下巷道冲击地压防治研究

以近直立特厚煤层终采线保护煤柱下掘进过程中遇到冲击地压问题为工程背景,通过数值模拟、理论分析和现场实践的方法,研究了保护煤柱下方掘进面开采过程中冲击危险程度的变化,提出了相应的防治手段和检验措施,得出如下结论:巷道掘进影响了煤柱区域应力状态,增加终采线煤柱区域应力集中区的范围及冲击危险性;掘进工作面经过煤柱边缘应力集中区时,前方应力峰值较大,围岩冲击危险性较高。根据PDCA管理模式提出了理论分析→实施解危→效果验证→掘进实践→优化调整→效果验证的双循模式管控,通过实施掘进面密集大孔径卸压孔和全方位高压注水软化等系统性防治工程,并采用微震、地音、电磁辐射等技术进行效果验证,实现了掘进工作面安全的通过煤柱影响区域。这为矿井冲击地压防治提供了参考和借鉴。

下沟煤矿煤柱回收工作面冲击地压防治技术

冲击地压是世界范围内井工煤矿开采遇到的严重动力灾害,对煤矿安全高效开采构成严重威胁,我国是煤矿冲击地压最严重的国家之一,彬长矿区也是冲击地压在内多种灾害叠加区域。经过多年的探索和研究,我国在冲击地压理论及预防技术和装备方面取得了一定的研究成果,冲击地压得到了一定的控制,说明目前的防治措施具有一定有效性。但是,彬长矿区冲击地压事故仍时有发生,没有得到根本遏制。因此,开展煤柱回收工作面防冲技术研究及安全高效回采关键技术研究具有重要的现实意义。通过对下沟煤矿煤柱回收工作面进行简要分析,对防冲的治理工作提出一些看法。

断层群影响下工作面冲击地压致灾机理研究

为了深入研究工作面开采扰动下过断层群时诱发冲击的致灾机理,选取屯宝煤矿M4-5煤层WII02040501工作面为研究对象,研究断层群在工作面开采扰动过程中对工作面冲击致灾机理的影响,采用数值模拟研究工作面过断层群时围岩应力和能量演化规律,结合PASAT探测煤体应力研究工作面过断层群区域时应力演化,得出工作面在断层群“多场”影响下的演化特征,揭示断层群区域的滑移失稳及冲击致灾机理。研究结果表明,工作面回采前、后断层群对工作面应力分布均产生明显影响,工作面过煤层群时应力及能量产生“卸压”效果,呈现出提前活化现象,当过大落差断层群时应力及能量升高产生突变现象,断层损伤整体呈现出“由上到下、由中间到两侧”的特点,冲击危险明显增大;结合现场PASAT实测得出断层对煤层应力集中程度影响明显,验证了冲击危险区域分布特征受断层群煤体应力集中程度影响较高,为工作面过断层群冲击地压灾害预测提供了理论指导。

大采高回撤通道“高+低位”断顶爆破实践

大采高冲击地压工作面末采期间面临的冲击地压风险极高,为了解决此类工作面的冲击地压防治难题,针对纳林河二号矿大采高工作面末采阶段顶板的处置问题,从覆岩冲击层位应力阻断和正面保护回撤通道的角度出发进行爆破方案的设计、对比及优化,初步证实“高+低位”具有2个方面明显的技术优势。一是爆破对覆岩的致裂破碎方面,串联一次起爆增强了爆破致裂的效果和对爆破区域块体的破碎作用,与此同时该区域的应力变化梯度Δσ显著降低,更好的起到阻断高应力传递的作用;二是爆破覆盖的尺度方面,实现全层位的应力阻断,避免了卸压盲区。在此基础上,末采阶段工作面压力峰值分布范围、集中程度明显减小,同时末采阶段液压支架阻力正态分布中均值、标准差均减小,且10%~37%应力计不同程度出现卸荷状态,证实“高+低位”爆破对末采阶段、回撤通道及孤立煤体形成了正面保护作用。

基于三维负泊松比蜂窝结构的防冲支架性能研究

提出一种应用于支架顶梁上方的吸能缓冲装置,该缓冲装置采用轻质、吸能量高的负泊松比材料,旨在将冲击地压带来的能量快速让位、缓冲吸收。对缓冲装置的构型进行设计并进行准静态压缩仿真;对缓冲装置施加低速、中速、高速进行抗冲击特性研究。结果表明:胞元角度为θ=70°的胞元具有良好的负泊松比效应、更长的压缩行程、更高的吸能量,适宜于做缓冲结构的胞元结构。对缓冲结构施加不同的速度,得到随着冲击速度的增大,缓冲结构的比吸能越大。

轴向冲击与偏载下吸能防冲构件吸能特性研究

针对液压支架中吸能构件吸能防冲性能不足以及在偏载下易出现冲击性失效等问题,利用数值方法探究不同类型防冲构件在轴向冲击和偏载下的吸能特性。研究结果表明:普通圆管和方管变形模式不稳定、能量吸收较低,增加肋板后变形分别转为混合模式与渐进叠缩手风琴模式,变形中反力初始峰值、反力均值与吸能量均明显提高;偏载作用下构件易产生非对称变形和失稳,非对称变形下构件初始峰值损失严重,吸能防冲作用基本失效,且失稳下构件初始峰值降低,吸能量减少,反力均方差增大,吸能防冲效果较差;平台有倾角的偏载下构件吸能特性与轴向冲击下几乎相同,吸能防冲效果理想。研究结果可为进一步提高液压支架吸能防冲性能提供理论支撑。

巷道吸能支护的减震防冲效应分析

冲击地压是煤矿开采的主要动力灾害,巷道吸能支护是防御冲击地压灾害的新型支护方式和有效手段。吸能支护是在刚性支护基础上附加阻尼耗能构件形成的巷道支护,基于巷道顶板与支护相互作用的动力学模型,分析了在巷道刚性支护与吸能支护作用下的顶板-支护系统动力响应,同时就阻尼构件在吸能支护上的分布特征对减震防冲效应的影响进行了分析,研究了阻尼构件在支护中的串联、并联、混联3种分布特征下的支护吸能减震防冲效应。结果表明:相比于刚性支护,吸能支护不仅能有效抑制顶板的冲击响应,还对支护体的冲击响应具有自保护能力;串联吸能支护模式与混联吸能支护模式对顶板冲击位移的控制及支护体加速度的抑制作用相当,且均优于并联吸能支护模式,其中,在串联吸能支护模式下,顶板冲击位移可下降约89%,支护体加速度可下降约55%。进一步优化串联吸能支护模式可知,当采用支护体上端串联布置吸能构件时,构件吸能效果发挥的最好,并且支护体的变形、应力、等效塑性应变变化平稳且幅值较小,同时相比于在下端以及两端串联吸能构件时支护等效塑性应变分别下降约77%和96%。该研究为冲击地压动力灾害的防冲吸能支护动力可靠性设计提供思路。

感应熔覆过程中氧化皮对锅炉管内壁力学性能的影响及其抑制技术研究

高频感应熔焊技术代表了锅炉四管受热面高温防腐技术的发展方向。但由于高频感应线圈对管外壁涂层加热重熔时,管内壁也随之被加热,使管内壁表面产生氧化皮。通过检测表面硬度和脱碳层深度等指标,对于氧化皮对管内壁性能的影响进行了评估。结果表明:当重熔温度升高使得管内壁温度超过580℃时,由管内壁基体表面起向外依次排列为FeO、Fe3O4、Fe2O3等三层氧化膜,厚度比约为1∶10∶100。FeO虽然较薄但结构疏松,晶格缺陷多,不稳定易分解,易从管内壁表面脱落,是造成爆管事故的主要因素。利用氮气保护的方法对感应重熔过程产生的氧化皮进行了有效抑制,该方法也抑制了管排背面氧化皮的产生,实验证明其效果显著。

济三煤矿坚硬顶板下回采巷道支护系统抗冲击能力分析

煤矿开采面临的煤岩冲击危险直接影响矿井的安全高效生产和工人的生命安全,对现有巷道锚杆支护系统的抗冲击能力提出了更高的要求。以济三煤矿183下05工作面胶运巷为工程背景,结合工作面回采过程中微震监测结果及防冲措施等,采用动静载能量平衡原理和围岩体能量衰减特征相关理论,对不同顶板条件下胶运巷的初始支护强度开展了抗冲击能力分析,并提出了冲击地压巷道支护方案的优化建议,可为类似冲击地压巷道围岩安全稳定控制提供了借鉴和参考。

孤岛工作面掘进期间冲击危险性分析及防治

禾草沟煤矿50113工作面为501盘区东翼两侧跳采所形成的孤岛工作面,煤岩体应力集中程度较高,上覆100 m范围内顶板岩层存在多层厚度较大的砂岩顶板,其破断运动有可能诱发冲击地压。根据50113工作面两侧采空区地面坍塌情况,该工作面顶板有可能形成短臂“T”覆岩结构,工作面开采时矿压显现较为剧烈,冲击危险性较大。通过综合指数评价、多因素耦合评价确定了孤岛工作面开采冲击危险程度,提出了区域与局部相结合的冲击危险监测方法,同时结合矿井实际,提出利用顶板定向水力致裂对上覆坚硬顶板进行弱化的方法。针对预卸压后的应力异常区,采取大直径钻孔、煤体爆破进行补强卸压,确保了孤岛工作面安全开采。

近直立特厚煤层上覆煤柱下巷道掘进冲击地压防治实践研究

以近直立特厚煤层终采线煤柱下掘进过程中遇到冲击地压问题为工程背景,通过数值模拟、理论分析和现场实践的方法,研究了保护煤柱下方掘进面开采过程中冲击危险程度的变化,提出了相应的防治手段和检验措施。研究发现,巷道掘进影响了终采线煤柱区域应力分布状态,增加了终采线煤柱区域应力集中范围及冲击危险性;掘进工作面经过煤柱边缘应力集中区时,前方应力峰值较大,围岩冲击危险性较高。根据PDCA管理模式提出了理论分析→实施解危→效果验证→掘进实践→优化调整→效果验证的双循模式管控,通过实施迎头密集大孔径卸压孔和全方位高压注水软化等系统性防治工程,并采用微震、地音、电磁辐射等技术进行效果验证,实现了掘进工作面安全通过煤柱影响区域,为矿井冲击地压防治提供了参考和借鉴。

深部小煤柱沿空布置工作面高强度开采下的防冲管控

为了确保纳林河二号煤矿深部小煤柱沿空布置工作面的安全高效回采,通过深入分析3-1煤层上覆岩层关键层结构、见方期间采场出现的高静载、强动载冲击要素后,重点采用地表沉降手段对控制地表沉降的主关键层7的破断问题进行观测,同时采用微震监测系统对控制临空顺槽的近距离的亚关键层1和亚关键层2的破断事件进行监测,形成了“高位防震、低位消冲”的冲击风险管控模式。在10刀/d的高强度开采工程背景下,“高位防震”管控中发现了最大下沉值的移动速度V_(ΔH-max)和最大下沉速率的移动速度V_(V-max)两项关键指标与工作面回采速度基本一致,消除了高位矿震风险。“低位消冲”中发现了近距离岩层破断基本呈现“能频同步”的现象,确保了顶板岩层能量处于均衡平稳的释放状态,为今后类似条件下的冲击地压回采工作面煤矿采空区矿震、冲击风险管控、产能调控提供了一条新的路径。