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。

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。

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。

洪水灾害诱发煤矿水害事故风险评估模型研究

煤矿作为承灾体,面对洪水灾害的冲击威胁,脆弱性凸显。洪水不仅会直接导致淹井事故、工业广场破坏等,还会间接诱发井下涌水异常、突水、透水、地下水污染等链生灾害事故。为了定量评估洪水灾害诱发煤矿水害事故风险大小,加强煤矿洪水灾害防治工作,基于灾害风险科学致灾因子、孕灾环境、承灾体三要素经典理论和煤矿洪水灾害防治现状,构建了煤矿洪水灾害设防情况调查指标体系,建立了洪水灾害诱发煤矿水害事故风险评估模型,并在遵义市桐梓县某煤矿进行了应用验证。研究结果表明:洪水诱发煤矿水害事故风险评估涵盖了致灾因子危险性、孕灾环境稳定性(敏感性)、承灾体脆弱性等灾害风险关键要素。其中,致灾因子危险性评价主要考虑致灾因子的时间分布、空间分布和强度等;孕灾环境稳定性评价主要考虑地形、水系等因素评价孕灾环境对致灾因子的敏感性;承灾体脆弱性主要2两方面因素决定:(1)承灾体对洪水灾害的设防水平,设防水平越高,承灾体脆弱性越低;(2)在孕灾环境中暴露于致灾因子的人员、资产数量,数量越大,承灾体脆弱性越高。通过对该煤矿应用所提出的风险评估模型,得出该煤矿洪水诱发煤矿水害事故的风险等级为低风险。风险评估模型的建立为定量评估洪水诱发煤矿水害事故风险提供了方法,为煤矿做好洪水灾害防治工作提供了新参考。

麻黄梁矿充填开采对地表环境的影响规律研究

为了保证“三下”压煤的安全、高效开采,降低“三下”开采对地表设施和生态环境的影响,以麻黄梁矿为背景,基于UDEC数值模拟与实际观测对建筑物下条带充填开采的可行性进行了分析,并对地表建筑物和地表生态环境的影响作用进行了分析。结果表明:目前采用的“采8留24”条带充填开采技术可以满足矿山安全高效的生产;充填开采对麻黄梁矿区地表建筑物以及工业场地的影响较小,下沉量约10 cm,与实际监测结果相近,保障了开采安全。研究成果将对提高煤炭资源采出率,延长矿井服务年限,促进矿区的可持续发展具有重要的指导作用。

山东巨野龙固煤矿地表水体范围提取设计及演变分析

高潜水位煤矿区开采后极易形成的积水区,对其进行提取设计以及演变分析具有重要科学意义。本研究基于Landsat系列影像数据,利用遥感云计算平台GEE,采用水体指数法提取巨野龙固煤矿2001—2020年的水体面积变化,同时与GSW数据集提取的水面进行辅助验证以及利用Sentinel-2数据监督分类提取水体进行精度验证,然后对其演变进行分析。结果表明:研究区20年来水体范围一直在呈稳定增长的趋势,2001—2014年呈缓慢增长趋势,2015—2020年呈现出迅速增长的趋势,造成矿区水体范围面积在2015年迅速扩大的原因主要为煤矿开采活动。

综采工作面矸石膏体充填技术应用

为解决“三下”压覆煤炭资源开采问题,以柴里煤矿3306东工作面为工程背景,系统介绍综采膏体充填开采的膏体材料配比及采-充工艺流程,并通过测点监测方法得出工作面回采对上覆地表铁路、公路及村庄、校舍等建(构)筑设施的影响均在I级损坏范围以内,验证了综采膏体充填工艺对“三下”压煤区域保护回采的实践效果。

6.0 Mt/a矿井改造主要问题方案探讨及对策

基于“提质增效”“稳产保供”,对矿井扩能改造至6.0 Mt/a进行研究。通过“三下”压煤实地调研,分村庄搬迁与否进行了矿井服务年限测算,得出实现6.0 Mt/a生产能力可行,但仅有8~11 a的产量保持期;对比计算了“峰谷”与均衡生产两种组织方式利润差达52.3亿元;就矿井主提能力“卡脖子”的问题进行了方案优选;研究分析了井下选矸方案的“路线”风险,形成了用于决策的若干建议。

门克庆矿31201工作面复合水体下安全开采技术研究

为评估门克庆矿31201工作面顶板复合水体下煤层开采的安全可靠性,采用理论计算、数值模拟和理论分析的方法,研究了工作面顶板水充水规律和疏降开采的渗流场演变规律,给出了合理的开采技术方案。研究结果表明,3-1煤层覆岩均属于中硬类型,覆岩破坏高度可以按照裂采比15、垮采比6进行预计;门克庆矿首采区工作面直接充水含水层是可疏、可降的;且采前钻孔疏放水使31201工作面初采区域采动裂隙发育高度范围内的含水层水位降至设计值是可行的。上述研究成果可指导工作面的安全开采,为防治水方案提供可靠依据,同时对类似地质条件的水体下采煤提供借鉴。

程庄煤矿水体下开采可行性研究与分析

针对程庄煤矿9号煤层水体下安全开采问题,运用理论计算对召三河所覆盖的4个采煤工作面的突水可能性进行了分析,最终判定该水体下采煤可行的,为相似煤矿水体下安全开采进行了有益探索,为后续研究奠定了坚实基础。

超高压供电杆塔可调式加固技术在“三下”开采中的应用

超高压供电线路杆塔高度大、稳定性要求高,在煤矿线下开采前必须采取技术措施,保证供电线路正常运行。论述了开采对杆塔影响的评估方法,对影响超限的杆塔,采用“井”字梁可调式加固调节技术进行采中、采后调节,在不改变原开采工艺的情况下,实现超高压杆塔下厚煤层无煤柱开采的技术方案。

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.