煤层群采动下围岩应力演化规律及协同控制技术研究

针对煤层群开采过程中巷道支护困难问题,以贵州土城矿212回风石门为工程背景。综合采用现场调研、数值模拟、相似模拟及现场试验等手段,揭示了212回风石门应力演化规律,并提出了“卸−转−固”协同控制技术。研究结果表明:212回风石门遭受破坏的主要原因是煤层群采动过程中存在的地质力学问题导致了围岩失稳。巷道底板及两帮在采动过程中产生不同程度的应力集中。当遭受垂直应力挤压时,巷道底部承受的挤压力较大,而顶部围岩承受的拉伸力较大,由于力学不平衡导致围岩的破坏。基于此提出了“卸−转−固”协同控制技术。通过爆破卸压的方式,利用爆破产生的冲击波引起围岩的震动和应力波动,使表层围岩中原本集中的应力分散到更深的围岩区域,降低表层围岩的应力集中程度。同时,利用爆轰和封孔工艺进一步加固卸压孔周围的围岩,形成两个承载结构。即由巷道支护体形成的内承载体和由深部围岩形成的外承载体。两者相互作用有效承受巷道浅部及深部围岩的应力,并转移到支护结构,起到保护和稳定围岩的作用。利用该技术在212回风石门现场试验,结果显示:使用该技术区域应力长期趋于稳定甚至缓慢降低,巷道顶底板及两帮移近速率分别降低了74.49%及47.67%,底鼓量降低了77.2%。而未使用该技术区域应力出现不同程度的上升,表面位移收敛严重。由此可得,围岩控制效果显著。该技术已成功推广到贵州其他不同地质环境的煤矿,均取得了显著效果。

深部极近距离煤层群开采底抽巷层位布置研究

以平煤八矿深部极近距离煤层群为工程背景,对深部极近距离煤层群开采条件下底抽巷的合理布置层位展开了研究;采用FLAC^(3D)数值模型,模拟了底抽巷顶板与己_(16-17)煤层不同净岩距离下煤层的塑性区、应力场和位移场演化规律。结果表明:当净岩距离为3、5 m时底抽巷上方煤层受到采动影响可以分为卸压区、应力集中区和原岩应力区;净岩距离为8~15 m时,上方煤层受到采动影响可以分为卸压区和原岩应力区;底抽巷的最优布置层位为保留净岩距离8~10 m;底抽巷掘进后,位于其正上方的位置卸压效果最好,该区域煤体充分变形,瓦斯治理较为容易,有利于后期煤巷的支护与维护,是布置煤巷的最佳位置;现场监测有效验证了底抽巷在该净岩距离下治理深部极近距离煤层群工作面瓦斯突出危险性的可靠性。

高应力软弱厚煤层沿空巷道矿震风险控制

矿震是深部高应力回采巷道失稳的重要原因,以余吾煤业N2106回风巷为例,开展了高应力软弱厚煤层沿空巷道矿震风险控制研究,研究结果表明:(1)巷道对回采扰动的敏感性极强,最大影响范围为397 m。(2)大能量微震事件密集分布于巷道煤柱帮侧围岩,巷道底煤和两帮是容易出现破坏的部位。(3)巷道失稳破坏的临界应力条件为18.41 MPa,单位长度巷道煤体释放能量为2.29×10^(6)J,顶板释放最大能量为8.6×10^(7)J。(4)提出采用应力和能量的协同控制策略对矿震进行防治设计。

厚煤层掘进工作面强震动诱发底煤卸压失效机理研究

针对厚煤层掘进工作面底煤爆破断底卸压后仍发生冲击地压的现象,以新疆硫磺沟煤矿厚煤层掘进工作面为工程背景,采用现场调研、理论分析、数值模拟等方法,对厚煤层掘进工作面强震动诱发底煤卸压失效机理进行研究。研究结果表明:由于掘进导致围岩卸荷过程中煤体剪切破坏产生强烈震动,震动波能量主要被松散底煤吸收,最终导致底煤发生冲击;提出了强震动诱发底煤卸压失效的能量判据,基于此计算得到硫磺沟煤矿厚煤层掘进工作面底煤抛出高度=1.26 m,验证了理论分析的准确性,同时得到卸压底煤冲击的临界震源能量hc=13.7 k J;最后通过FLAC3D模拟了不同震源能量对卸压底煤的扰动效应,得到当震源总能量为22, 32, 42 k J时,底煤最大垂直速度分别为4.32, 6.91, 16.65 m/s,底煤最大位移量分别为0.11, 0.57, 1.40 m;底煤垂直速度随着震源总能量的增加不断增大,随着动载作用时间的增加呈现先迅速增大后迅速减小最后衰减为零的趋势;底煤位移随着震源总能量的增加而增大,随着动载作用时间的增加其增大趋势逐渐变缓,在动载作用时间为3/5个周期时达到最大值,辅助验证了理论分析的准确性。

软煤厚煤层工作面底三角煤高效回收技术

针对软煤厚煤层沿顶掘进顺槽底三角煤丢失严重问题,设计2次落底、2次顶部充填工艺,采用速凝早强高水充填材料,混合浆约15 min失去流动性,30 min完全固化,3 d达最终强度3.8 MPa。效果考察表明:每天一班充填,可以满足5 d的推进需求,实现了底三角煤安全高效回收,实际经济效益达到1610万元,延长了矿井服务年限,缓解了采掘衔接紧张。

下伏煤层对既有重载铁路隧道安全性的影响

为研究重载列车振动荷载作用下隧底下伏煤层对隧道的影响,结合现场监测结果梳理隧道病害类型及原因,通过数值模拟分析隧底结构与下伏煤层的动力响应,提出病害处治措施。结果表明:隧底病害主要为基底围岩不密实、空洞引起的不均匀沉降;产生病害的原因为列车振动荷载作用下节理裂隙发育的软弱煤层承载力降低;仰拱中心最小安全系数不满足规范要求,在煤层应力状态持续恶化的情况下结构可能发生破坏。结合工程经验,采取打设锁脚锚管、基底注浆处治措施,效果良好。

煤炭综采工作面薄煤层液压支架抬底机构研究

为解决工作阻力在8 000 kN以上的薄煤层液压支架前行人通道宽度与抬底机构布置形式及抬底量之间的矛盾,将杠杆机构引入抬底机构中,在分析了该种抬底机构的位置及组成基础上剖析了其关键技术。实际应用效果表明,该机构可以很好地解决行人通道与抬底形式及抬底量之间的矛盾,为工作阻力在8 000 kN以上的薄煤层支架抬底机构形式提供了一种参考。

底板穿层钻孔瓦斯抽采技术优化

为提高3#煤层瓦斯抽采效率,优化底抽巷内穿层钻孔瓦斯抽采技术,具体通过注浆、优化封孔提升钻孔密封效果,优化排渣减少钻孔钻进期间瓦斯动力显现,使用常压水扩孔并合理调控抽采管网提升瓦斯抽采效果。工程应用后,3301回风巷底抽巷穿层钻孔瓦斯抽采效率得以显著提高,为巷道掘进及后续采面回采创造了良好条件。

砚北煤矿2502采区特厚煤层下分层开采优化设计

为进一步优化矿井生产布局,落实“一优三减”、煤炭绿色开采工作措施,提高煤炭资源回采率,解决2502采区原设计方案工作面布置不合理、三角煤等孤岛煤柱留设多等问题,对2502采区下分层综采工作面布置进行优化设计,提出了安全可行、绿色节约的设计优化方案,可为其他同等赋存条件下的采区工作面布置提供了技术参考。

钻孔雷达在探测井下煤层顶底板界面中的应用

在煤矿生产中,准确判断煤层顶底板位置、识别对采掘安全存在威胁的地质构造是保障煤矿安全生产的重要举措。为此,提出一种针对煤层顶底板探测的方法技术,包括基于工作面的煤矿井下钻孔雷达探测方法和数据处理流程,并将其应用于实际工作。首先,对采集自新元煤矿某工作面钻孔内的实测钻孔雷达数据进行零时刻校正、直流消除、带通滤波、去直达波、增益等处理,实现了雷达剖面的去噪和增强;然后,通过速度拾取、反射面提取、绕射叠加偏移和时深转换、翻转拼接和钻孔轨迹校正等一系列处理解释,实现了对煤矿井下煤层顶底板位置的拾取和显示。该技术的提出为煤矿安全运营提供了一种有效手段,具有推广价值。

近距离煤层过空巷底板破坏机制及支护对策

近距离煤层群开采,当工作面下部临近煤层含有空巷,为解决工作面过空巷时综采机头塌陷,空巷顶板出现局部坍塌和区域冒顶等情况,采用理论分析、数值模拟及现场监测等综合技术手段对近距离煤层群开采的工作面过空巷底板变形破坏机制进行了深入研究。首先对工作面过空巷时底板稳定性进行了理论分析,对比了空巷支护与未支护条件下分别能承受的支架工作阻力;然后采用FLAC3D软件模拟了工作面过空巷时底板变形破坏塑性区范围和应力分布情况,结果表明空巷采取木垛支护情况下底板变形破坏范围和程度均有所降低。理论分析与数值模拟基础上,工程现场对空巷区域采用“#”字型空心木垛加强支护措施,工作面回采过程对顶板位移及应力分别进行监测,顶板下沉量不超过4 cm,最大压力不超过5 kN,保证了工作面安全顺利回采。可为相关工程类似条件下工作面过空巷回采提供参考和依据。

近距离煤层群下行开采过切眼岩层变形机理研究

张家峁煤矿进入煤层群联合开采阶段,上、下工作面层间距较小。受2个工作面采动共同影响,覆岩应力及位移变化规律区别于单一煤层开采。通过理论建模、数值模拟及现场实测等方法,分析了上煤层采动影响底板应力分布及位移变形规律,论证了上工作面过下工作面切眼时液压支架支护阻力未异常增大,上工作面推进经过下工作面切眼整个过程中,间隔岩层发生弹性形变,下工作面顶板离层出现短暂的愈合期。

近距离煤层动压巷道补强支护研究

为了解决马兰矿近距离煤层上组煤采动影响下的下组煤巷道破坏严重、难于支护的问题,通过现场调研、数值模拟及理论分析,对巷道掘进后及上组煤回采期间的巷道围岩应力环境进行了分析;并基于此分析,提出原方案+管索组合结构的补强支护方案,对比了原支护方案及补强支护方案的塑性区发育和围岩变形情况。结果表明:补强支护方案下的巷道在掘进、采动影响下围岩的垂直、水平位移分别减少了12.76%、11.09%,17.06%、16.63%,塑性区发育的情况较原支护时也得到了明显改善;管索组合结构补强支护方案具有良好的支护效果,可以有效控制巷道围岩发育。

突出煤层立体式瓦斯治理模式分析

突出煤层开采时消除煤层突出危险性、降低瓦斯涌出量是煤炭回采时需要重点解决的问题。以21703综采工作面瓦斯治理为背景,针对突出煤层瓦斯含量高、瓦斯治理难度大问题,提出将立体瓦斯治理技术应用到瓦斯治理中,通过综合采用底抽巷穿层钻孔、顺层钻孔、高位钻孔以及采空区埋管等瓦斯抽采技术措施,实现了煤层瓦斯高效治理。现场应用后,21703综采工作面开采范围内煤层突出危险性得以消除,瓦斯涌出量较小,采面快速回采期间回风流及回风隅角瓦斯浓度均在允许范围内,取得较为显著的瓦斯治理效果。

露天矿坑底薄煤层机械铲倒堆工艺研究

针对传统的单斗卡车工艺开采露天煤矿坑底薄煤层成本高的技术难题,采用技术条件和经济效益的方法,提出了采用1台机械铲站立于煤层顶板外的剥离平台上完成倒堆作业,1台小型机械铲站立在煤层顶板完成煤层回采作业,卡车完成煤炭运输。建立了倒堆作业参数优化模型和机械铲斗容的计算公式,并以安家岭露天煤矿为实例进行研究。结果表明,机械铲的最大卸载高度,最大挖掘半径和卸载半径,以及卡车最小转弯半径是限制机械铲倒堆工艺应用的关键因素;现有机械铲和卡车设备倒堆作业的极限剥离物厚度是8 m,煤岩总厚度是11 m;安家岭矿的倒堆率为68.8%,经济上减少了卡车平均运距128.5 m,经济效益显著。该研究为露天煤矿坑底薄煤层的开采提供了一种新方法,为倒堆工艺的发展提供了新思路。

突出煤层回采工作面瓦斯治理技术研究

为实现1151综采工作面煤炭安全高效回采,提出综合采用底抽巷穿层钻孔、本煤层顺层钻孔、高位瓦斯抽采钻孔、采空区埋管抽采等措施实现本煤层、采空区瓦斯抽采,消除煤层突出危险性并减少巷道掘进及后续回采期间瓦斯涌出;通过在采面上下端头布置隔离墙封堵,可进一步降低采空区瓦斯涌出量并达到抑制采空区遗煤自燃的目的。现场应用后,采面回采巷道掘进及回采区域内煤层突出危险性得以消除,煤层瓦斯含量及瓦斯压力降至安全范围内,巷道掘进及回采期间未有突出征兆,表明采用的瓦斯治理技术取得较好效果。

煤炭地下气化技术腔体生长规律探索

为直观反映煤炭地下气化过程中多腔室的生长规律特征,在前人研究的基础上进行模型假设,并结合水平井产能公式对水侵规律进行探索。以水侵指数为评价依据,建立了影响腔体生长过程的主要参数的数学模型,发现影响腔体总长度的因素为水侵指数和煤层厚度。通过设计实验方案及数值模型验证,对影响腔体生长过程中的主控因素进行探索。结果表明:煤层水侵指数与煤层厚度、腔体长度呈正相关关系;当腔体长度在一定范围内时,水侵指数与腔体长度呈近似线性相关,但当腔体生长到一定程度时,水侵指数与腔体长度之间的关系逐渐转化为非线性;当腔体长度一定时,水侵指数与煤层厚度呈近似线性关系。

近距离煤层群底板拦截钻孔抽采回采工作面卸压瓦斯技术研究

根据赤峪煤矿近距离煤层群开采及瓦斯含量在10 m3/t以上等特殊条件,采用近距离煤层群底板拦截钻孔抽采回采工作面卸压瓦斯技术,利用在3号煤层的掘进巷道施工拦截钻孔,拦截钻孔抽采3号、4号煤层卸压瓦斯,降低回采过程中3号、4号煤层卸压瓦斯涌入2号煤层采空区的量。该技术通过在赤峪煤矿中央采区C1204工作面试验结果表明,底板拦截钻孔抽采回采工作面卸压瓦斯技术可替代底板抽采巷施工底板卸压钻孔,不仅有效的降低煤层瓦斯含量、压力,保证了工作面安全生产,同时节省了底板抽采巷因变形严重需要维修的费用。

软弱厚煤层“三沿”布置技术应用研究

软弱厚煤层工作面掘进回采巷道,通常采用沿底掘进,存在冒顶风险,且不易推广无煤柱开采。针对煤层厚度变化和煤层软弱的特点,提出一种“三沿”技术,即利用煤层顶板较为坚硬的特点,采用主动锚网索支护的方式进行回采巷道的“沿顶掘进”,使用定向预裂爆破技术实现切顶卸压“沿空留巷”,以及采用“主动锚网索+木垛+U型钢支架”的支护方式进行超前卧底形成超高巷道来实现煤炭最大程度的“沿底回采”。根据工作面开采动压影响和切顶卸压原理,在距离工作面不同距离范围内分别设计了6个阶段的动态支护参数。工程实践表明,沿顶掘进有利于巷道稳定和沿空留巷技术的应用,同时能够最大程度地回收煤炭资源。该技术解决了软弱厚煤层沿底掘进巷道支护困难、留设煤柱浪费资源等问题。

空气定向钻进螺杆马达润滑关键技术

采用空气定向钻进技术进行钻孔施工时,螺杆马达能否得到良好的润滑是影响其寿命的关键因素。结合空气螺杆马达的结构特点,介绍了2种支撑孔口润滑技术的关键装备,并给出了其结构组成和工作原理;结合装备的使用情况,分析了孔口润滑技术存在的不足;针对性的提出了螺杆马达孔底润滑技术,分析了该技术的优势;研制了一种空气螺杆马达专用孔底润滑钻杆。专用孔底润滑钻杆可以安装在螺杆马达前端,润滑距离不再受钻孔深度的影响,改善了润滑效果,减少润滑油液浪费。