Fracture mechanics model of fully mechanized top coal caving of shallow coal seams and its application

Based on break characteristics of roofs in fully mechanized top-coal mining of thick shallow coal seams, a fracture mechanics model was built, and the criterion of crack propagation in the main roof was derived using the fracture mechanics theory. The relationships between the fracture length of the roof and the working resistance of the supports were discovered, and the correlations between the load on the overlying strata and the ratio of the crack's length to the thickness of the roof were obtained. Using a working face of Jindi Coal Mine, Xing county Shanxi province as an example, the relationships between the fracture length of the roof and the working resistance of the supports were analysed in detail. The results give a design basis in hydraulic top coal caving supports, which could provide useful references in the practical application. On-site experiment proves that the periodic weighting step interval of the caving face is 15–16 m, which is basically consistent with the theoretical analysis results, and indicates that the mechanized caving hydraulic support is capable of meeting the support requirements in the mining of a super-thick but shallowly buried coal seam.

斜沟矿21盘区特厚煤层开采工艺设计研究

针对传统厚煤层开采技术无法适应斜沟矿21盘区特厚煤层高效开采的问题,对斜沟矿21盘区特厚煤层的综放开采工艺进行了研究分析,通过对开采工艺方式与工作面参数确定、生产能力与服务年限计算、巷道布置、巷道掘进方法确定、主要硐室设计、盘区通风设计完成了斜沟矿21盘区特厚煤层开采工艺设计。21盘区开采工艺经优化设计后,放顶煤高度设计为1.78 m,割煤高度应确定为3.8 m,采放比确定为1∶0.47,实际生产能力提高为942.62万t,服务年限为3 a,综合回采率达到93.3%,年产量与日产量满足设计要求,经济效益得到有效提升。

中厚煤层千万吨级超长工作面矿压显现与覆岩活动规律研究

为探究综采工作面长度显著加长后工作面矿压显现和顶板活动的新特点,以国内首个中厚煤层千万吨级450 m超长工作面为工程背景,基于支架压力和微震实时监测手段,全面分析了超长工作面支架阻力分布、增阻特性和覆岩破断微震能量分布特征。研究结果表明:综采工作面长度由300 m加长为450 m后,支架阻力沿倾向分布特征由单峰状转变为双峰状,工作面支架支护强度平均增大约7%,工作面加长后,工作面矿压显现强度整体增强;超长工作面来压期间支架增阻形式主要为“对数-指数”复合函数型增阻,呈现先快、中缓、最后短时急速增阻的特点,超长工作面大截深开采是造成采煤循环末期支架快速增阻的主要诱因,在顶板状态不稳的情况下,应适当减小采煤机截深并提高支护质量;工作面覆岩破断微震事件的发生能量小、频次低,主要活跃在工作面后方40 m至前方80 m范围,微震事件分布特征表明超长工作面顶板垮落及时,无长距离悬顶现象,不易造成强动载事件,在垂直方向微震事件主要分布在垂高25m以下顶板,厚度17.82 m的细粒砂岩基本顶是造成工作面矿压显现的主导岩层,高位岩层破断对工作面矿压显现影响较小。

特厚煤层采煤方法选择及工作面参数优化设计

采用文献查阅和现场调研的方式分析了我国特厚煤层开采现状,分析了不同开采工艺的适应性和适用条件,针对曹家滩煤矿不同区域煤厚分布情况,结合产量提高及煤质提升的要求,设计了10 m超大采高综采工艺,提出了合理采高范围,通过经验类比法提出了10 m超大采高液压支架技术参数,可有效提高煤炭的回收率。

高强瓦斯巨厚煤层组隧道安全高效爆破技术

天城坝隧道面临国内最高瓦斯强度(7.4 MPa)和巨厚煤层组等复杂地质,致使其施工难度大、施工工期长。该文基于天城坝隧道,从安全和高效2方面对其开展爆破技术研究,通过优化炮孔参数,合理设计装药量、装药结构、填塞方式及起爆顺序,提出一套适用于高强瓦斯巨厚煤层组隧道的安全高效爆破技术。结果表明,通过优化爆破施工方案,使隧道开挖轮廓面清晰平整,围岩超欠起伏差在5~10 cm,爆破效果较好;同时爆破作业后,隧道内瓦斯浓度超过0.5%的报警值但未达到0.7%的断电值,仅需采取简单通风即可恢复到报警值之下并趋于稳定,避免瓦斯二次突出,可为类似工程提供借鉴与参考。

特厚煤层8.8 m超大采高综采面切眼放顶技术

上湾煤矿特厚煤层8.8 m超大采高12403综采面顶板不易自然垮落,在工作面初采阶段,易导致顶板初次垮落步距较大,在顶板大面积瞬间垮落时会产生强烈的强矿压和飓风现象,从而导致人员伤亡及设备损坏等。为了保证工作面初采阶段的安全生产工作,上湾煤矿通过引进井下定向长钻孔水力压裂工艺技术对切眼顶板进行预裂,同时配合切眼三角区强放技术,对特厚煤层8.8 m超大采高综采面切眼进行了初采放顶工作。实践表明:通过在上湾煤矿12403工作面进行煤层顶板定向长钻孔分段水力压裂工程施工,有效降低了顶板强度,缩小了初次放顶步距,为矿井安全高效回采提供技术保障,同时为大采高工作面初次放顶提供了治理经验。

特厚煤层开采远场覆岩结构失稳机理

针对大同矿区石炭系特厚煤层综放工作面周期性发生液压支架立柱大幅下缩甚至压死支架的工程技术难题,采用理论分析与现场实测的方法,研究特厚煤层开采远场覆岩结构失稳机理。提出了远场"三角板"结构运动影响特厚煤层开采工作面矿压的理念,建立了远场关键层"横OX"破断形成的"三角板"结构力学模型,确定了该"三角板"结构滑落失稳和回转变形失稳的理论判据;结合同忻煤矿现场实例,预计了远场关键层"横O-X"破断"三角板"结构块体的几何尺寸,并分析了此"三角板"的走向长度及回转程度对其自身结构稳定性的影响,结果表明"三角板"的走向长度和回转程度越大时该结构越容易失稳。同忻煤矿8202工作面临空侧回风平巷超前段底臌变形特征间接验证了远场关键层发生"横O-X"破断的规律。据此提出超前预裂远近场关键层以及在"三角板"结构下工作面实行快速推进等防治措施。

急倾斜煤层水平分层综放开采岩层移动规律

为了进一步认识水平分层综放开采的开采沉陷特点,运用相似材料模型实验,对某矿大倾角煤层的开采沉陷过程进行了模拟研究,揭示了急倾斜特厚煤层水平分层深部开采岩层与地表移动规律．

超厚煤层成因机制研究进展

为了研究超厚煤层(厚度大于40 m)的形成机制,许多煤地质学家进行了较为深入的研究,获得了丰硕的成果。传统的煤地质学理论认为,泥炭沼泽水面上升速度与植物遗体堆积速度长期处于均衡补偿状态便可以形成厚煤层,甚至厚度达数百米。将这些厚煤层按照一定的压缩比例恢复成泥炭厚度,则可达数千米;然而现今见到的单层泥炭厚度最厚不超过20 m;这种超厚煤层成因解释势必造成古代和现代泥炭堆积之间的巨大矛盾。异地堆积成因模式,从泥炭(煤)再搬运的角度解释了一些超厚煤层的成因,这些超厚煤层大都发育在断陷盆地内;多煤层叠加成因模式,从多期泥炭沼泽演化、泥炭层叠加的角度解释了一些超厚煤层的成因,这些超厚煤层大都发育在坳陷盆地内。这些模式可以用将今论古的思想解释现代和古代的泥炭沼泽发育特征的一致性。一个超厚煤层的形成,也可能是一种或多种成因机制共同作用的结果。然而,是否存在其他的成因模式,上述成因模式发育的控制因素和作用机理,如何准确而深入的挖掘超厚煤层内部蕴含的丰富地质信息,还有待于进一步深入研究。

基于趋势面分析的煤层厚度变化规律研究

以金庄煤矿8203工作面为工程背景,通过统计工作面煤层钻孔资料,运用趋势面分析方法预测5（3~5）~#煤层厚度变化趋势,得到煤层厚度趋势面方程,采用F法检验煤层厚度趋势面拟合度,最后采用工程验证方法证明了趋势面分析方法预测煤层工作面煤厚变化规律的正确性和可靠性。结果表明：一次趋势面方程拟合度41.31%,四次趋势面方程拟合度74.79%,工作面开采期间钻探钻孔数据验证显示和四次趋势面方程预测数据最大正负误差率为-9.5%和9.1%,最小正负误差率为-1.6%和0.8%,且与实际钻孔测量煤层厚度吻合;四次趋势面方程计算得到工作面平均采出率84.14%,顶煤回采率81.71%;实际工作面回采率为85.24%,顶煤回采率80.69%,两者误差率为1.29%和1.26%.趋势面分析方法预测工作面煤层厚度变化规律是正确可靠的。

特厚煤层放顶煤开采矿压显现规律研究

采用现场矿压观测和计算机数值模拟对唐山矿特厚煤层综放工作面矿压显现规律进行了分析研究。矿压观测表明,工作面来压周期性较明显,呈现高频率、低强度的特征,平均周期来压步距为8.1m。整个工作面全长范围内,老顶来压具有明显的不一致性,即中部来压强度大,上部和下部来压强度小,上部高于下部。计算机数值模拟结果与现场矿压观测结果基本一致。

准东大井矿区巨厚煤层开采覆岩裂隙分布特征

针对准东巨厚煤层典型赋存特征,选取大井矿区为研究对象,构建了巨厚煤层开采力学模型,模拟研究不同开采方式采场覆岩裂隙分布特征。结果表明:在采场应力的控制下,工作面前方覆岩裂隙由原岩裂隙区依次演化为原岩裂隙闭合区、微裂隙发育区、裂隙快速发育区、破断裂隙发育区、离层裂隙发育区、裂隙逐渐闭合区;覆岩主关键层是覆岩裂隙发育程度高低的分界线,其也会控制覆岩裂隙发育高度;巨厚煤层开采覆岩裂隙主要分布于采空区两侧,且沿岩层破断线呈"八"字形分布,并随工作面推进呈现周期演化,其是覆岩含水层水体向采场渗流的关键通道,对矿井的安全生产至关重要;从保水采煤角度考虑,放顶煤分层开采对覆岩含水层扰动影响较大采高分层开采小。

巨厚煤层开采覆岩含水层破坏模拟:以准东大井矿区为例

本文针对准东矿区巨厚煤层典型赋存特征,以大井矿区为研究对象,通过识别覆岩关键层及含水层,采用UDEC数值模拟方法,建立大井矿区巨厚煤层开采覆岩力学模型,对不同开采方法覆岩含水层破坏进行了模拟研究。结果表明:研究区覆岩关键层分为4层、覆岩含水层共2层;开采厚度相同时,大采高开采覆岩下沉量、裂隙带发育高度及开采对含水层的扰动影响均大于放顶煤开采;采高24m,推进长度为300m时,导水裂隙已发育至含水层Ⅱ;主关键层对覆岩位移、裂隙分布及开采对含水层的扰动影响起关键作用。

准东大井矿区巨厚煤层开采覆岩含水层渗透特性研究

基于准东大井矿区赋岩柱状及岩性,构建了赋岩物理模型与数值模型。基于该模型,开展了赋岩位移与含水层渗透特性的模拟研究。结果表明:开采首分层覆岩含水层各测点位移随开挖长度的增加而增加;测点1~#物理模拟开挖至70～250m及数值模拟开挖至100～300m时,位移呈快速增加,其后位移变化稳定;测点2~#物理模拟开挖至70～420m及数值模拟开挖至250～500m时,位移呈快速增加,其后位移稳定;测点3~#物理模拟开挖至430～600m及数值模拟开挖至450～600m时,位移快速增加。物理相似模拟及数值模拟各测点变化趋势基本一致;覆岩含水层各测点有效应力与孔隙介质渗透率呈负相关;覆岩含水层各测点有效应力与裂隙介质渗透率呈正相关。开挖1～5分层渗透率大小为:测点1~#>测点3~#>测点2~#;开挖6～8分层渗透率大小为:测点3~#>测点1~#>测点2~#;覆岩含水层渗透特性与覆岩孔隙-裂隙双重介质动态变化特征有关,与采动覆岩应力变化具有耦合效应。

厚煤层开采垮落带及导水裂缝带高度探测方法

为研究厚煤层综放开采（一次采全高放顶煤）、中硬~坚硬覆岩条件下厚煤层开采顶板垮落带及导水裂缝带发育高度,以鹤岗矿区为例,采用冲洗液漏失量观测、水位观测,井下彩色电视观测法、超声波成像测井法等现场实测方法及室内相似材料模拟、FLAC3D数值模拟等方法进行探测研究,确定其垮落带及导水裂缝带高度,推导了适合鹤岗矿区厚煤层开采的垮落带及导水裂缝带高度的预测公式,对其进行了验证,总结出了适合厚煤层顶板垮落带及导水裂缝带发育高度的探测体系。

国内外大功率厚煤层电牵引采煤机的机电一体化新技术

介绍国内外大功率厚煤层电牵引采煤机的机电一体化新技术,包括总体、交流变频电牵引、工况检测和故障诊断、自动调高及远程通讯和集中控制技术。

8.0m以上特厚煤层采煤机摇臂冷却系统研究

基于以往中厚煤层采煤机在冷却系统出现发热量大的问题,对8.0 m以上特厚煤层采煤机摇臂进行了冷却系统的研究,通过热平衡方法计算得出了摇臂必须增加冷却系统才可以保持在合理的温度范围内运行。依据使用经验确定了冷却系统的布置形式,分别在摇臂水平状态、最大采高状态和最大卧底状态时校核冷却系统的冷却效果,并通过有限元分析软件进行热分析,分析结果与理论计算结果相近,验证了理论分析的合理性。

7 m超大采高开采关键技术及液压支架优化设计

针对厚及特厚煤层超大采高综采因采高加大造成的矿压强、煤壁稳定性控制难问题,通过理论分析和数值模拟综合分析法,设计采用Φ530 mm大缸径立柱提高液压支架控顶效果,降低超前支承压力和顶板对煤壁的影响,通过37.5 MPa高泵压和3 500 mm护帮板等综合配合提高煤壁稳定性维护效果,通过四连杆优化设计等提高液压支架稳定性,为超大采高安全、高效开采提供了保障。

综放支架支护强度与煤层采出厚度关系的研究

基于厚煤层综放开采过程中,支护强度1.0 MPa以上的强力支架出现支架压死、立柱损坏等矿压显现强烈情况,分析了综放支架支护强度确定方法存在的问题,给出了厚煤层适宜的支架支护强度确定方法。采用数值模拟方法研究了综放支架支护强度与煤层采出厚度之间的关系,结果表明支架支护强度与煤层厚度成正相关关系,当煤层厚度达到一定极限后,受支架支护强度不能无限增大的限制,需要进行分层开采。

松软厚煤层超长综放工作面开采关键技术研究

为实现松软厚煤层超长综放工作面安全高效回采,对三元煤业松软厚煤层1312超长综放工作面开采关键技术进行了研究。通过理论研究、现场数据分析,对三元煤业松软厚煤层362m超长综放工作面开采设备运输、支护强度、矿压显现及煤壁稳定性进行了研究。结果表明:目前装备配套方案能够满足三元煤业松软厚煤层超长综放工作面支护及运输的要求;超长综放工作面回采期间,相对于200m以下长度工作面,顶板活动更加频繁,倾向方向周期来压呈现不同特性,且矿压显现程度较为强烈,顶板管理难度加大;为改善工作面端面顶板及煤壁的稳定性,需保障足够支护强度,采用双回路供液系统保障足够的支架初撑力,同时应适当加快工作面推进速度,并在煤壁及顶板破碎时采用注浆加固技术。