A case study of multi-seam coal mine entry stability analysis with strength reduction method

In this paper,the advantage of using numerical models with the strength reduction method(SRM) to evaluate entry stability in complex multiple-seam conditions is demonstrated.A coal mine under variable topography from the Central Appalachian region is used as a case study.At this mine,unexpected roof conditions were encountered during development below previously mined panels.Stress mapping and observation of ground conditions were used to quantify the success of entry support systems in three room-and-pillar panels.Numerical model analyses were initially conducted to estimate the stresses induced by the multiple-seam mining at the locations of the affected entries.The SRM was used to quantify the stability factor of the supported roof of the entries at selected locations.The SRM-calculated stability factors were compared with observations made during the site visits,and the results demonstrate that the SRM adequately identifies the unexpected roof conditions in this complex case.It is concluded that the SRM can be used to effectively evaluate the likely success of roof supports and the stability condition of entries in coal mines.

Mathematical simulation and observation of ground subsidence basin in coal mining area

Based on a great amount of practically observational data and by computer simulation, a formula for estimating the ground subsidence caused by coal mining was derived. Meanwhile, an empirical mathematical model for ground subsidence basin in coal mining was given.

长春市羊草沟矿区地面塌陷现状及防治对策

随着煤炭资源的开发,曾经隐于地下的宝藏和财富得以显现,然而开采过程会伴随着严重的地面塌陷问题,对土地资源及地区经济发展带来了深远的负面影响。本文聚焦长春市羊草沟矿区,对其地面塌陷问题进行了细致研究。通过分析该矿区塌陷的分布特点、发育特征以及所引发的一系列问题,系统剖析了导致地面塌陷的多种因素,并基于此提出了坚持政策先行、加强监测预警、开展工程治理、土地利用调整等针对性的预防与治理对策,作为羊草沟及类似矿区矿山地质环境治理工作的参考依据。

厚硬岩层结构调控低损开采方法及机理研究

为探究厚硬岩层采动结构对上覆岩层下沉破坏影响及新的低损开采方法,采用相似模拟、离散元数值模拟方法分析了厚硬基本顶采动破坏结构演化和堆积特征对覆岩下沉破坏的影响。相似模拟及数值模拟结果均表明,随采随垮的直接顶岩层和周期性破断的厚硬基本顶分别呈现小块度破坏杂乱堆积和大块度破断整齐堆积;受采动结构特征影响,直接顶岩层采动破坏产生的体积膨胀显著大于厚硬基本顶。根据模拟得到的采动岩层破坏堆积特征构建了厚硬基本顶条件下采动覆岩下沉计算模型。根据采动作用下随采随垮直接顶岩层采动破坏膨胀量显著大于周期性破断厚硬基本顶的规律,提出对厚硬基本顶进行采前大规模水力压裂并借助采动超前支承压力进一步破坏厚硬基本顶,降低厚硬基本顶采动破坏块度,使其随采随垮、杂乱堆积并充分充填采空区以控制上覆岩层下沉破坏,实现低损开采。采用数值模拟验证了压裂弱化厚硬岩层调控其采动结构,增大采动破坏岩层体积膨胀量,降低上覆岩层下沉的有效性。提出的厚硬岩层结构调控低损开采方法可为煤矿绿色高效开采提供一定的参考。

半干旱矿区采动地裂缝发育对幼苗库及其建植因子影响

半干旱矿区煤炭井工开采引起的地表塌陷,造成水土流失强度增加以及植被生境损害等一系列生态干扰,其中采动地裂缝发育对坡面幼苗库特征及建植的影响仍有待深入研究。本文首先探明了榆神府矿区距采动地裂缝不同距离(0~1 m、1~2 m和2~5 m)幼苗库密度、组成和多样性特征,再结合土壤因子、地上植被群落及枯落物特征揭示裂缝发育造成影响幼苗建植的环境因子在空间上的差异性,最后采用物种相似性模型探究了裂缝发育区幼苗库对地上植被自然更新的影响。结果表明:①在未有裂缝发育的对照区,幼苗库组成以多年生草本为主(占比57%),裂缝发育后距地裂缝0~1 m和1~2 m范围,多年生草本比例分别下降至30%和35%,但一年生草本占比较对照区分别增加了28%和25%;与对照区相比0~1 m和1~2 m幼苗密度分别显著增加了92%和68%,幼苗库Margalef丰富度指数、Shannon-Wiener多样性指数和Simpson优势度指数分别增加了42%和24%、62%和40%、33%和18%,但Pielou均匀度相较于对照区分别降低了55%和38%;而距裂缝2~5 m范围,幼苗库生活型组成、密度和多样性与对照区已无显著性差异,因此裂缝发育对幼苗库特征影响范围在2 m范围之内。②地表裂缝发育后,距地裂缝0~1 m和1~2 m范围影响裂缝幼苗建植的相同因子包括土壤含水量、土壤有机质含量和枯落物厚度,但0~1 m范围除上述影响因子外还包括枯落物盖度、土壤结皮盖度与厚度、地上植被盖度与生物量等因子;随着距裂缝距离增加,距裂缝2~5 m范围限制幼苗建植的关键因子减少且与对照区相似,主要包括土壤含水量、地上植被盖度和枯落物盖度。③距地裂缝0~1 m和1~2 m以一年生为主的幼苗库物种组成与以多年生为主的地上植被物种相似性较低仅为0.42和0.48,加之一年生植物对植物群落演替促进能力较弱,因此可以得出受裂缝干扰较大的0~2 m范围幼苗库对植被群落恢复贡献有限,故该范围生态恢复中应在自然恢复的基础上,适当考虑人工植被建设以促进矿区塌陷地植被恢复进程,提高该区植被群落多样性和稳定性。随水平距离的增大,距裂缝2~5 m范围和对照区幼苗库与地上植被物种组成相似性接近,分别为0.67和0.68,表明裂缝发育后2~5 m范围植物群落恢复潜力并未受到影响,通过自然更新即可保证该区植被恢复。

多胞圆管夹芯组合板落锤冲击试验及数值仿真

为了应对煤矿巷道冲击地压下支架结构破坏严重的问题,提出了一种多胞圆管夹芯组合板。该组合板可与煤矿巷道金属支架结合,通过溃缩变形吸能共同抵御冲击荷载。共设计了4个不同芯层厚度夹芯组合板试件的落锤冲击试验,并建立了有限元模型,基于试验验证了该数值模型,开展了多胞圆管夹芯组合板的冲击响应和吸能特性的参数分析。研究结果表明,冲击作用下,多胞圆管夹芯组合板面板呈现圆盘状凹陷,芯层胞体和十字肋发生了褶皱和下陷变形,各个腔室协同工作、相互支撑,并通过塑性变形吸能。同时底部冲击反力的峰值总是滞后且低于落锤冲击荷载峰值,在多次冲击条件下,该组合板也能展现出良好的吸能缓冲效果。多胞圆管夹芯组合板可吸收超过90.00%的冲击能量,其中65.00%以上能量由芯层结构吸收。芯层厚度从0.5 mm增加到2.0 mm,芯层部分吸收能量的占比增大了24.17%,相反面板吸能效率递减,减幅为17.17%,芯层厚度减小可降低峰值冲击荷载,芯层厚度为1.0 mm时吸能效果较好。面板厚度对吸能性能影响较小,建议其厚度选择与芯层厚度相近。冲击能量一定情况下,改变落锤质量和冲击速度对结构动力冲击性能和吸能效率的影响很小。

地空瞬变电磁法在煤矿采空区中的应用效果分析

煤矿采空区一直是工程中难以解决的重点难题之一,现工程中一般是结合开采资料及煤层分布进行综合分析。由于大型煤矿多采用自然塌落法来处理采空巷道,而非金属类矿山的填充法,随着时间的推移,会出现非常多的塌陷,导致采空区内部情况非常复杂,难以查清。尤其是在老旧的煤矿当中,由于过去技术落后,矿洞测绘资料存在一定的失真,导致很难明确定义现采空区的具体范围,为工程的顺利开展提出了重大的课题。结合黑龙江依兰煤矿(日伪时期的开采老旧煤矿采空区),在地形地貌条件特别差,人难以攀登的条件下,应用地空瞬变电磁法,初步解决了该采空区的范围和规模。

浅埋近距离煤层过平行煤柱开采强矿压机理研究

为了揭示浅埋近距离煤层工作面过平行煤柱开采动载传递特征及强矿压机理,以榆家梁煤矿43207工作面为工程背景,采用现场实测、物理模拟、理论分析相结合的方法,研究了煤柱覆岩“倒梯形”结构随下部间隔岩层的运动及其载荷传递特征,分析了超前支承压力和支架载荷的转化规律,建立了“煤柱-间隔岩层台阶岩梁”耦合结构力学模型,得出了强矿压瞬间和顶板切落稳定后的支架载荷计算公式。研究结果表明:煤柱覆岩“倒梯形”结构的集中应力和载荷主要集中于煤柱后段,后段集中载荷是导致工作面过煤柱强矿压的根源;工作面进煤柱初期,煤柱应力表现为双峰;临近出煤柱时,应力集中为单峰,位于煤柱后段。工作面出煤柱4 m后,煤柱后区的超前支承应力系数达到峰值6.00,间隔层开始产生超前裂隙;出煤柱5 m时发生强矿压,煤柱应力下降43%。强矿压期间,煤柱应力传递至煤柱下7 m层位(间隔岩层关键层中部)下降了39%,表明顶板结构承担了相当大的载荷。基于间隔岩层台阶岩梁结构的理论计算,得出强矿压瞬间的支架载荷计算公式,按照煤柱平均应力计算得出支架载荷为22.9 MN/架,按照强矿压时刻煤柱后段应力计算得出支架载荷为24.1 MN/架;煤柱传递至支架的载荷仅为煤柱总载荷的12%~18%,仍超过现场支架额定工作阻力9.2 MN/架。因此,为防止压架,支架额定工作阻力需达到15 MN/架,或者对煤柱及间隔岩层结构进行处理,以保证安全开采。研究结果可为类似条件工作面过平行煤柱开采提供参考。

基于TOE框架的煤矿事故致因组态研究

为了深入探究煤矿事故致因因素及组态路径,预防煤矿事故发生;以40起煤矿事故为研究对象,运用扎根理论识别煤矿事故致因因素,基于TOE(技术、组织、环境)框架构建煤矿事故致因模型,应用模糊集定性比较分析法(fsQCA)找出煤矿事故致因的组态路径和核心条件;在组态类型和核心条件基础上,提出预防煤矿事故发生的建议。结果表明:只有组织因素中的安全管理和环境因素中的不安全环境是煤矿事故致因的必要条件;煤矿事故致因组态路径有8条;根据各组态路径中的核心条件归纳出的5种致因组态类型为安全监察主导型、安全管理主导型、组织管理综合型、组织环境联合型和安全认知缺失型。

厚煤层大采高综放工作面覆岩断裂演化规律研究

大采高综放开采易形成强烈的矿压显现,上覆岩层的断裂演化规律对工作面安全生产至关重要。以羊场湾煤矿160206工作面为工程背景,运用相似模拟试验、数值模拟和理论分析的综合研究方法,对大采高综放工作面覆岩的断裂过程与覆岩运移规律进行系统研究。研究表明:导水裂隙带内岩层随工作面推进表现为“台阶下沉”,同层岩层下沉趋势沿走向表现为“急剧下降—稳定(最大值)—快速上升—稳定(最小值)”。工作面覆岩运动场由两区分布(加速下沉区、缓慢下沉区)演化为三区分布(加速下沉区、缓慢下沉区、稳定区)。对离层演化与地表下沉规律进行了定量描述,运用理论计算表达式深入地剖析了地表的动态下沉机理及其相关因素。结合相似模拟与数值模拟的试验结果,提出了覆岩断裂演化的形态变化特征:覆岩断裂形态由“单等腰梯形”演化为“双等腰梯形”,表土层影响区由“矩形”演化为“倒梯形”。分析了覆岩中垮落区、离层区、压实区、裂隙富集区的动态演化过程:垮落区逐渐增大至一定程度,高度小幅度降低并趋于稳定,离层区由下至上逐渐发育并随工作面向前移动,离层区逐渐闭合形成压实区,且压实区逐渐增大并最终保持稳定,裂隙富集区位于采空区前后端部并随工作面向前移动。

D-InSAR技术与SBAS-InSAR技术在矿区地面沉降监测中的应用研究

为了对D-InSAR和SBAS-InSAR两种技术在矿区地面沉降监测中的应用能力进行对比分析,以山东省济宁市某采矿工作面为主要研究区,选取2022年11月2日—2023年8月29日期间26景Sentinel-1A数据,分别利用D-InSAR和SBAS-InSAR两种技术获取了该工作面的地面沉降信息,首先从沉降区域的时空演变特征和沉降面积分布等方面对两种技术进行了对比分析,进一步通过同期实测水准数据对两种技术得到的结果进行了精度验证。研究结果表明,D-InSAR和SBAS-InSAR两种技术监测到的研究区内最大累积沉降量分别为69 mm和59 mm,识别出沉降量大于10 mm的区域面积分别为0.60 km^(2)和0.87 km^(2),其中,沉降量大于30 mm的区域面积分别为0.10 km^(2)和0.17 km^(2)。与水准监测数据对比可知,两种InSAR技术得到的监测结果与真实沉降情况相吻合,在部分沉降漏斗中心区域,地面沉降量超过InSAR技术可监测形变梯度,两种技术的监测精度都大幅降低。相对于SBAS-InSAR技术,D-InSAR技术获取的累积沉降量值更大,但其抵抗误差干扰的能力较弱,而SBAS-InSAR技术能够更好地消除大气相位效应等误差的影响,得到的地面沉降结果在空间分布上更连续平滑。本文研究对利用InSAR技术监测矿区地面沉降具有一定借鉴意义。

祁连山国家公园煤矿修复对地表节肢动物多样性的影响

高寒山区煤矿覆土回填和种植草本植物能够快速改善环境,强烈影响地表节肢动物多样性及其生态功能,地表节肢动物对煤矿修复的响应还会因海拔及放牧扰动强度的变化而异。选择祁连山国家公园甘肃片区中部西营河和东大河保护站煤矿修复区和毗邻草地(对照区)为研究对象,利用陷阱法调查煤矿修复区及对照区地表节肢动物的种类组成和数量变化,解析地表节肢动物群落及关键类群对煤矿修复的响应模式,确定影响地表节肢动物多样性变化的关键要素。结果表明,煤矿修复缩小了修复区和对照区地表节肢动物群落差异,但煤矿修复区和对照区地表节肢动物群落组成明显不同并存在地域差异。西营河煤矿修复显著提高了地表节肢动物活动密度,而东大河保护站煤矿修复导致地表节肢动物活动密度略有降低,地表节肢动物类群丰富度、多样性和均匀度指数变化与活动密度相反。主要地表节肢动物科对煤矿矿区修复的响应模式不同并存在区域差异,西营河保护站煤矿修复显著提高了平腹蛛科、微蛛亚科和隐翅虫科的活动密度,但显著降低了硬体盲蛛科和象甲科的活动密度;东大河保护站煤矿修复显著提高了步甲科活动密度,但降低了蚁科和狼蛛科的活动密度。pRDA排序结果表明,海拔高度和全氮含量解释了西营河保护站煤矿修复区和对照区20.8%的地表节肢动物群落变异;草本地上生物量和海拔高度解释了东大河保护站煤矿修复区和对照区24.3%的地表节肢动物群落变异。总之,高寒山区人工覆土和植被建设引起的植被和土壤环境变化强烈影响地表节肢动物多样性,地表节肢动物对煤矿修复的响应存在明显的区域差异,地表节肢动物多样性可以指示和评估煤矿修复效果。

采煤沉陷区地裂缝对土壤含水率的影响

为了探究地裂缝对深层土壤含水率的影响,以陕北某煤炭基地煤矿区为研究对象,利用统计分析方法分析动态地裂缝和边缘地裂缝对浅层(0.1~0.3 m)和深层(0.5~6.0 m)土壤含水率的影响,并基于克里金插值法解析土壤含水率的时空变化规律.研究结果表明:①竖直方向上,深度为0~2.0 m时,动态地裂缝区和边缘地裂缝区的土壤含水率均低于未扰动区的值;深度为2.0~6.0m时,各区土壤含水率差异不明显,表明地裂缝对土壤含水率的影响深度约为0~2.0 m,即地裂缝对浅层土壤含水率的影响较大,对更深层土壤含水率的影响相对较小.②水平方向上,动态地裂缝区土壤含水率整体低于闭合区,而1年边缘裂缝区土壤含水率整体高于2年边缘裂缝区,表明地裂缝会对土壤含水率的空间分布产生较大影响.综合来看,地表塌陷与地裂缝的出现改变了土壤的结构状态,加速了土壤水分的蒸发,降低了土壤持水性.

煤矿地面变电站无人值守技术的研究与应用

针对煤矿地面变电站人工巡检周期长、巡视效率低,检测质量差等问题,提出了一种基于自动巡检机器人的井上变电站无人值守应用方案。该方案以智能机器人为载体,实现对站内一次设备温度、噪声、现场运行图像等核心数据的实时采集监测及站内运行环境感知,确保站内一次设备的可靠运行与环境安全,为设备检修及状态评估提供有效数据支撑,有效保障煤矿电力系统的安全稳定运行。

甘肃某煤矿采矿活动引发地面塌陷地质灾害预测及防治措施研究

煤矿开采最容易引发的地质灾害便是地面塌陷。为了准确反映出采煤带来地表移动和由此产生采空区地面塌陷范围变形的整体全貌,本文以甘肃省白银市某煤矿为例,采用国家有关部门近年推荐的并且在生产应用中较成熟的“三下规程”,利用充分采动条件下多煤层多工作面概率积分法预计软件和等值线绘制程序对该煤矿进行了地面塌陷预测。根据预测结果,对地面塌陷可能造成的影响程度及危害性进行了分析;通过总结历史治理经验,提出了综合防治措施建议,为矿山进一步开展地面塌陷治理提供了参考依据。

深井煤矿高地温高瓦斯浓度下TBM安全掘进关键技术研究

本文以陕西高家堡矿井西区辅助运输大巷项目为背景,对高地温高瓦斯浓度下巷道安全掘进施工展开了深入研究。文中针对高地温提出了考虑多条件的掘进工作面需风量计算方法,并为局部通风机的选型提供了指导;针对高瓦斯浓度问题,提出了可快速安装的施工监控系统;针对潜在的冲压问题,制定了微震监控系统和冲压防治措施,确保TBM在高温高瓦斯环境下实现安全高效施工,为TBM施工积累了丰富的经验,可以为未来类似工程提供有益参考。

陕西煤矿冲击地压发生规律与分类防治

随着煤炭资源开采区域不断向西部以及深部转移,西部地区冲击地压矿井数量呈井喷式增长。陕西省作为煤炭大省,煤炭开发供应规模稳居全国前列,但冲击地压灾害尤为突出,为了有效遏制本地区煤矿冲击地压频繁发生势头,并为类似条件矿区冲击地压防治提供借鉴,通过分析陕西煤矿10年来的24座矿井、85起冲击地压案例,基本厘清了冲击地压发生规律,并开展了基于主控因素的分类防治研究。研究结果表明:陕西省煤矿冲击地压具有灾害矿井集中、灾害程度严重、多灾害叠加影响显著、防治难度大等特点;冲击地压监测技术、防治技术与地方法规建设历程几乎同步,达到了起步晚,起点高,示范效应强的结果;基于冲击地压主控因素,将陕西省冲击地压划分为3大类,分别为:坚硬顶板主导型、地质构造主导型和宽煤柱主导型,并针对主控因素提出弱化坚硬顶板、转移煤柱高集中应力、释放构造应力的防治方法。通过10年来的工程实践,不断优化矿井开采设计,探索煤层厚硬顶板千米顺层钻孔区域压裂新技术,加大防冲卸压技术的落实,冲击地压显现逐年减少,成果显著。

基于有限元模拟的地热资源勘探及分析

在煤矿开采过程中,容易出现高温热害,直接影响了采矿工作的安全性。在避免矿井热害的同时,为了进一步有效利用区域内的地热资源,提出了一种地热资源勘探方法,并对区域内地热分布情况进行分析。以钻孔系统测温法为基准探测结果,并结合研究区域实际情况建立有限元模型。在确定上下边界、参数取值、网格划分方法后,通过数值模拟对区域内地热资源分布及地热产生原因进行了分析。研究结果表明,区域内地热资源量为2.30×10^(19)J,可采热能储量为2.55×10^(18)J,可转换成标准煤0.88亿t。这说明研究区域蕴含巨大的地热资源,具有较高的利用价值。研究成果为区域煤矿开发热害防治以及地热资源综合开发利用提供了地质依据,可进一步促进煤矿开采的可持续发展。

新疆天池能源南露天煤矿地面生产系统破碎站安全预警系统

针对新疆天池能源南露天煤矿地面生产系统破碎站安全管理中存在风险大、管控难,以往机械式安全管理不可靠等问题,设计了1套行之有效的安全预警系统;利用人像捕捉识别、区域电子围栏预警、设备联锁启停机、集控系统智能广播警示等一系列信息化、智能化管控手段不断提升安全管理水平。结果表明:在地面生产系统破碎站加装改造安全预警系统后,实现了破碎站安全管理的智能化,不仅改变了传统机械防护的安全不可靠性,还解决了人工盯防监控的工作强度,提升了安全管理可靠性。

复杂地质条件下煤矿冲击地压机理与控制技术

复杂地质条件下,煤矿冲击地压问题严重威胁矿井安全生产。通过系统分析煤层赋存环境、地质构造特征等因素对冲击地压的影响,构建一个综合性的冲击地压危险性评估模型。基于此模型,提出优化采矿方法、加强巷道支护、实施预防性卸压等防治策略。研究结果表明,采用所提出的控制技术,能够显著降低复杂地质条件下煤矿冲击地压的发生频率和强度。相关结论为提高矿井安全生产水平提供了重要的技术支撑,同时为深部煤矿开采中的地压控制提供了新的思路和方法。