多层坚硬顶板特厚煤层综放工作面小煤柱护巷技术

为研究小煤柱护巷巷道的稳定性及其阻隔同层位邻近采空区灾害的特征,以大同矿区石炭系坚硬顶板特厚煤层开采为工程背景,采用理论分析、实验研究、数值模拟等研究方法,从小煤柱护巷巷道的稳定性和其是否具有阻隔同层位邻近采空区有害气体能力2个角度,综合分析小煤柱的合理尺寸及其在不同采动阶段渗透率的演化特征。针对同忻煤矿石炭系煤层8210工作面沿空掘巷小煤柱开采具体的开采条件,建立了双关键层采场内外应力场叠加的力学模型,推导出双关键层条件下沿空掘巷小煤柱合理尺寸的计算关系式,理论确定8210工作面小煤柱合理尺寸为6.0 m;应用DJG–Ⅱ型煤岩渗流测试装备,研究不同采动阶段小煤柱渗透率演化特征,试验确定在第3采动阶段小煤柱渗透率较初始渗透率增大了23倍,该阶段小煤柱基本失去了阻隔邻近采空区有害气体的能力。根据理论研究结果,现场选取6 m小煤柱进行工业性试验;根据试验研究结果,开采试验过程中对小煤柱进行了改性降透措施,在小煤柱表面及顶板距煤柱帮1500 mm范围内喷射厚层混凝土(100 mm)。实践表明:工作面回采过程中小煤柱护巷的回采巷道发生了一定的变形量,但是巷道变形在安全可控范围之内,巷道稳定,可实现安全回采;开采过程中8210工作面上隅角CH4气体浓度远低于邻近8305工作面采空区CH4气体浓度,表明小煤柱经过改性降透后具备了阻隔同层位邻近采空区有害气体的能力;开采实践也进一步验证了理论和试验研究成果的合理性和科学性。研究成果可以为类似条件下小煤柱护巷技术的推广应用提供参考。

锚喷注联合支护技术在沿空掘巷工程中的研究与应用

针对邢东矿近千米采深,且1222工作面为单侧临空工作面,其运输巷为沿空掘巷,受高地应力及采空区叠加影响,后路巷道快速失稳,掘进期间巷道后路产生了持续大变形等支护难题,通过钻孔窥视分析围岩结构失稳后的状态特征,并对锚网支护失效的原因进行了分析,提出了在原有支护基础上,变挂网为挂绳,分层喷注与巷帮锚索梁桁架相结合补强煤柱侧原岩强度,进而维持锚网联合体稳定结构的新方法,并将其应用于邢东矿1222运输巷的支护。实践表明,新支护方案使得沿空掘巷后路巷道围岩松散结构得到补强,有效缓解了沿空巷道掘进过程中后路频繁整修的现象,提高了进尺效率。

多采空区干式充填与带式胶结充填力学性能数值模拟研究

针对某萤石矿多采空区的工程概况,采用充填法治理采空区过程中提出了带式胶结充填体结构,运用3DEC离散元软件进行数值模拟计算,以空场法下采场的力学性能为基准,对传统废石干式充填与带式胶结充填2种不同充填方式下采空区进行沉降位移场、塑性区、应力场分析。结果表明:空场法下5号矿房顶板与左侧间柱出现塑性区贯通现象,有顶板坍落,间柱溃倒的风险;传统废石干式充填下5号矿房顶板与左侧间柱塑性区面积大幅减少,但是由于废石自身重力作用顶板沉降量增加了12%;带式胶结充填下5号矿房顶板与左侧间柱塑性区仅零星分布于受拉应力较大的临空面,顶板沉降量下降了4.33%,5号矿房上下盘收敛位移较空场法下降了12%。研究表明在不考虑充填成本的情况下,采用带式胶结充填治理多采空区,具有更优良的效果。

某金矿多中段充填开采对地表塌陷区稳定性影响分析

随着矿井开采逐步向深部发展,多中段开采引起的围岩稳定问题是矿井面临的主要安全因素。某金矿开采分为早期浅部空场法开采和后期深部充填开采两个阶段,早期开采在地表形成了一定范围的塌陷区。为了掌握深部多中段充填开采的覆岩移动变形叠加效应是否引起浅部塌陷区的活化,进而影响地表稳定性及井下安全生产,首先,采用理论分析方法研究了浅部塌陷区形成原因、机理,进而分析了地表塌陷区当前的自身稳定性;然后,采用RHINO、FLAC3D等数值模拟方法研究了深部上向水平分层充填开采引起的围岩移动变形规律及其引起的地表塌陷区的剩余沉降和塑性区发育。研究认为,某金矿深部多中段充填开采后充填区自身的变形量、浅部采空区内部岩层位移及地表沉降整体较小,相比于未充填情况下可较大程度减小围岩变形和地表塌陷区沉降,地表塌陷区仅在局部区域出现塑性区,多中段充填开采在维持当前充填效果的前提下不影响地表塌陷区的整体稳定性。本文研究方法及成果可为金属矿山充填开采覆岩变形安全性评价及地表塌陷区灾害防治提供有益借鉴。

中近距离煤层多采空区回采巷道底鼓变形机理

为了研究不同煤层开采间巷道底鼓的变形破坏机理,以肖家洼矿221303材料顺槽为工程背景,采用理论分析、数值模拟和现场实测协同的手段,利用FLAC3D对该巷在多采空区下底板偏应力云图、位移及应力张量分布特征进行对比,结果表明:上层煤层120801工作面与邻近221301工作面采空后叠加的采动应力使221303材料顺槽周围的最大偏应力为11.2MPa,最大主应力比值为4,处于高偏差应力带内,为该顺槽煤壁片帮,底鼓剧烈提供了必要的应力环境。120803工作面回采过程中引起偏应力重分布,沿采空区遗留煤柱转移至顺槽,导致掘进过程中底鼓剧烈。

基于多源数据的宜宾市采空形变区监测与分析

本文利用哨兵1号(Sentinel-1)数据和雷达卫星(ALOS-2)数据进行宜宾市SAR数据适宜性分析和形变区域提取监测分析。采用R指数法提取工作区几何畸变信息,进行适用性分析。通过Stacking技术和星基增强系统(SBAS),获取了宜宾市2018—2021年地表形变监测结果,并成功识别出了72处潜在隐患,其中地面塌陷有17处。监测结果表明,利用多种合成孔径雷达(SAR)数据可以提升地表形变监测点的密度,提高监测精度,有效避免合成孔径雷达干涉测量(InSAR)技术监测盲区的问题。ALOS-2数据在植被密集地区具有明显的监测优势;Sentinel-1数据可用于隐患点的时序分析,揭示其变形规律。本文的研究成果为该地区隐患识别和监测分析提供了新的思路,并为防灾减灾提供了有力的数据支持。

过采空区叠置“三带”定向钻井技术研究

贵州煤炭资源量大,经长期开采,形成大面积采空区,采空区下伏煤层气资源量丰富,但开发利用率低。主要原因为贵州地区地面条件复杂、煤系地层纵向跨度大、煤层发育具有多薄等特点。在采空区钻井抽采上覆煤层卸压瓦斯及下伏煤层气时,采用常规钻井技术成井较为困难,易发生井下复杂事故,导致贵州地区对煤矿采空区内煤层气资源的开发利用较少。为了抽采采空区上覆煤层卸压瓦斯及充分利用采空区下伏煤层煤层气资源,探索多煤层采空后上覆煤岩层叠置“三带”在纵向发育特征及底鼓煤岩层应力变化规律就显得尤为重要。以贵州盘江矿区山脚树矿为例,实施1口过采空区多煤层定向试验井。结果表明:在贵州特殊地质条件下在煤矿采空区实施定向井抽采上覆煤层气卸压瓦斯及下伏煤层煤层气具有很好的经济性。同时通过该井的成功实施,首先探明了盘江矿区多煤层采空后“叠置”三带在纵向上的发育特征,其次成功获取了煤矿采空区下伏煤层煤层气抽采关键地质及工程技术参数,实现了采空区煤层气资源利用最大化,为后续在盘江矿区乃至整个贵州地区开展采空区瓦斯卸压抽采及下伏煤层煤层气开发提供了宝贵的工程经验和技术支撑。

多采空区下坚硬厚层破断顶板群结构的失稳规律

为弄清多采空区下坚硬顶板群结构的破断失稳对工作面矿压的影响,根据大同矿区多采空区坚硬厚层破断顶板群的赋存条件,采用理论分析、相似模拟实验和现场实测分析相结合的研究方法,对多采空区破断顶板群结构的失稳规律及其对工作面来压的影响进行了研究探讨。研究表明,多采空区下坚硬厚层破断顶板群结构的失稳具有一定的概率特征;采用威布尔多参数分布函数对破断顶板群结构的失稳形式具有很好的描述,并建立了近距离煤层群多采空区顶板群结构的失稳模型,确定了大同矿区坚硬顶板群结构的失稳参数,得到了侏罗系煤层群顶板结构的失稳率;通过对大同矿区永定庄煤矿15号煤层端头及中部位置矿压和支架阻力的实测分析表明,工作面上方破断顶板群结构的失稳率与工作面支架阻力大小具有相关性,验证了工作面坚硬厚层破断顶板的失稳规律。

多煤层开采覆岩移动及地表变形规律的相似模拟实验研究

以离石—军渡高速公路下伏康家沟煤矿采矿地质条件为原型,采用相似材料模拟实验方法,对多煤层开采引起的覆岩移动及地表变形规律进行了研究。相似模拟实验结果表明:多煤层开采条件下,随着煤层累计采厚的增加,采空区"三带"覆岩下沉量和采空区地表沉降量、地表倾斜变形、地表水平位移及地表曲率变形都呈增大趋势,采空区上覆岩体更加破碎,地表变形更加强烈。研究成果可为高速公路下伏多煤层采空区的治理设计提供依据。

煤矿浅埋老窑采空区多梯度剖面装置探测研究

以内蒙某露天煤矿的地质特征为依据,建立二维正演模型,利用改进的高密度电法装置——多梯度剖面装置进行采空区在埋深、充水性、规模等不同条件下的正演响应分析,总结出高、低阻模式下异常响应都会随采空区深度的增加表现为幅度减少,且埋深大于采空区直径的3～5倍时,其正演剖面上难以显示出异常特征。以煤层顶板为30m的数据进行反演,发现高阻异常的反演结果与理论模型在位置、宽度、顶部埋深和电阻率值方面吻合程度较高;而充水采空区,异常的规模存在一定误差。内蒙某露天煤矿的勘探实例,验证了多梯度剖面装置在浅埋采空区勘探中,可以取得较理想效果,特别是对不充水采空区,其准确度更高。

基于沿空留巷与多方位抽采的瓦斯综合治理技术应用

为有效解决工作面瓦斯超限问题,在深入分析青龙煤矿生产地质条件的基础上,采用基于沿空留巷与多方位抽采的瓦斯综合治理技术。通过混凝土砌块墙沿空留巷方式,成功保留了回采巷道,实现了"Y"型通风。采用本煤层瓦斯顺层钻孔、穿层钻孔立体抽采,临近层瓦斯穿层钻孔抽采,采空区及上隅角瓦斯顶板高位钻孔和采空区埋管抽采的多方位抽采技术,同时解决了本煤层、采空区及邻近煤层瓦斯涌入工作面、上隅角的问题。应用效果表明:工作面瓦斯抽采率达80%以上,基本杜绝了瓦斯超限问题;工作面推进速度提高1倍,月回采煤量达15万t,实现了高瓦斯煤层安全高效开采。

考虑温度变化的采空区瓦斯抽采数值模拟

考虑采空区瓦斯抽采工作面漏风引起采空区遗煤氧化升温问题,基于Darcy渗流定律、Fick扩散定律和Fourier导热定律,利用质量守恒方程和能量守恒方程建立了考虑温度变化的采空区流场、瓦斯浓度场、氧浓度场、固体温度场和气体温度场的瓦斯抽采多场耦合数学模型;应用有限体积法分别离散了考虑温度变化下的采空区瓦斯抽采多场耦合二维数学模型,基于Microsoft Visual Basic编制了计算机解算程序,利用Tecplot软件对求解结果进行可视化,研究了瓦斯抽采前后的采空区瓦斯压力、瓦斯浓度、氧浓度、固体温度和气体温度分布情况及前后变化趋势。结果表明:瓦斯抽采前,采空区下隅角附近存在明显的气体高压区并且向四周逐渐降低,上隅角附近存在明显的气体低压区并且向四周逐渐升高;瓦斯浓度从下隅角向上隅角逐渐降低,采空区深处的瓦斯体积分数高于近工作面处,高达16.0%;采空区下隅角附近的氧气体积分数较高,达到7.0%,且氧气浓度由下隅角向上隅角逐渐降低;在采空区漏入风侧存在明显的固体和气体高温区,并且温度由此处向四周逐渐降低。瓦斯抽采后,在抽采点处形成气体低压区,气体压力在采空区深度方向变化趋势缓慢;采空区上隅角的瓦斯浓度大幅降低,而采空区深处的瓦斯受抽采的影响较小;采空区浅部(0-100 m)氧气浓度升高,采空区深部(100-300 m)氧气浓度基本保持不变;高温区依旧形成于采空区漏入风侧,但高温区的范围有所扩大,采空区内固体和气体温度最大值要比抽采前高2℃。

瞬变电磁法大电流多匝重叠小回线装置在岩土工程勘察的应用效果

采用瞬变电磁大电流、多匝重叠小回线装置的方法对岩土工程勘察中的采空区(空洞)、含水构造、土石分界及岩层富水情况进行地球物理勘查,通过分析多道电压感应剖面图和电阻率拟断面图,可以准确圈定异常范围及岩性构造界面。本文首先简要介绍了瞬变电磁法发展概况和理论原理,然后介绍了瞬变电磁法的解释原则以及使用大电流、多匝重叠回线装置技术方法,最后介绍了数据处理、深度校正以及应用实例分析研究。结果表明,根据电阻率异常来圈定异常并预测隐伏断层、塌陷区、采空区是可靠的,希望能为岩土勘察工作部署提供借鉴。

大同矿区多层采空区综合探测技术

大同矿区为石炭-二叠系与侏罗系“双系”煤田,可采煤层多达26层,煤层开采后的采空区内积水、积气等对下组煤开采乃至矿井安全形成威胁,为此大同矿区多年以来在采空区探测治理方面投入大量资金、运用多种技术手段,总结探索出一套以资料收集追溯、物探、钻探等多种手段相结合的多层采空区综合探测技术,有效解除了采空区积水、积气影响。

近距离多煤层开采条件下采空区发火治理研究

本文对平朔矿区井工二矿21110工作面和21113工作面采空区CO气体超限原因进行了认真分析,正确判断CO气体产生源头及扩散路径,综合运用喷浆、临时封闭、注氮和注浆多种防灭火手段,成功治理了采空区连通形成的大面积火区,保障了矿井安全生产,为矿井采空区发火的治理提供了经验。

沿空留巷无反复支撑支护装置关键件的多目标优化设计

为实现沿空留巷无反复支撑支护装置结构的进一步优化,提升其可靠性及使用效果,以ZLQ2826/22.5/38单跨式支撑装置为研究背景,采用SolidWorks和ANSYS Workbench对其关键元部件横梁进行了多目标优化研究。最终优化后横梁质量减少了181.3 kg,等效应力降低了12.46 MPa。现场实践表明,支撑装置优化设计方案合理,在装备结构稳定的基础上有效控制了巷道顶板下沉,可以满足沿空留巷安全支护要求。

深部高瓦斯沿空留巷工作面立体瓦斯抽采技术及应用

深部高瓦斯沿空留巷工作面具有瓦斯涌出量大、透气性差、抽采难度大特点,针对各瓦斯源,提出了多元立体抽采技术。通过本煤层钻孔预抽瓦斯、高位钻孔抽采戊组邻近层卸压瓦斯、裂隙带高位钻孔抽采和下向拦截钻孔抽采丁组煤卸压瓦斯等手段,有效控制了工作面瓦斯浓度。瓦斯抽采效果考察表明,回采面推进对邻近层卸压瓦斯抽采有关键影响,高位裂隙带瓦斯抽采钻孔层位为11.3~14.75倍采高时有最佳瓦斯抽采效果。通过瓦斯源头控制的立体抽采技术,实现了工作面安全高效回采。

矿井采空区无线传感器网络路由协议研究

研究和设计了一种适用于煤矿采空区的无线传感器网络路由机制。首先对LEACH协议的簇头选举机制进行了改进,在计算阀值时添加剩余能量参数,然后采用改进后的协议和多径路由机制设计了煤矿采空区无线传感器网络路由算法,最后通过NS-2仿真平台进行了实验。实验结果表明,改进后的协议与原协议相比,提高了网络中节点的能量有效性,延长了网络的生命周期。

一种支持多业务承载的广义光突发汇聚机制

引入广义光突发汇聚(GOBA)概念对传统光突发交换(OBS)进行扩展,形成新的广义OBS(GOBS)网络。针对GOBS的多业务承载目标,提出了一种支持多业务承载的GOBA机制,采用将业务最小时延要求作为汇聚时间的汇聚方式,将多种用户数据业务汇聚到不同粒度的广义数据突发(GDB)中。仿真结果表明,在GOBS环境下,与MSMAP(max burst-size max assembly period)机制相比,GOBA能够在满足较高数据成功接收率的基础上显著地减小约10%的总体数据超时率,同时降低约15%的突发碰撞率,并提高约20%信道利用率。

近距离多煤层开采采空区积水防隔水煤岩柱留设研究

防隔水煤岩柱的合理留设是采空区积水下安全开采的关键。新强煤矿属于近距离煤层群开采,随着开采深度加大,浅部采区开采形成的采空区积水已成为深部延伸开采的主要威胁水体。通过对矿井实际开采情况研究分析,在对具有连通关系的浅部采区进行封闭隔离,隔断其与其他未开采的采区的水力联系的基础上,对上覆煤层和侧方同煤层采空区积水区合理留设防隔水煤岩柱,确定其深部不同煤层的开采上限,实现了近距离多煤层采空区积水下的安全开采。