以煤层倾向为参考方向的锐角优化垂线法煤柱设计方法

垂线法广泛应用于我国矿区地表建(构)筑物的保护煤柱的设计,但其原理中存在走向方向不明确导致计算时需人工干预和小角值拐角处保护煤柱过估等问题。针对村庄尺度的建筑物群,提出应按位置给出不同的开采参数和松散层参数;用煤层倾向作为垂线法的参考方向,代替指向不明确的走向,实现垂线计算公式选择、垂线长度计算的自动化;提出锐角优化算法,解决煤柱角点角值较小时出现的煤柱留设尺寸过大问题。基于上述优化,通过MATLAB编程实现煤柱自动化计算,并一定程度上减小了煤柱的尺寸。优化后的垂线法能够更好地应用于矿山保护煤柱设计。

大倾角采场围岩应力分布及矸石充填特征的倾角效应研究

煤层倾角是造成大倾角采场采动力学行为呈现复杂性、特殊性,诱发众多灾害事故的重要因素之一,为揭示煤层倾角对大倾角采场围岩控制及矿压显现特征的影响规律,采用物理相似模拟和数值计算相结合的研究方法,在综合分析了大倾角工作面顶板破断运移及矸石滑滚充填特征的基础上,利用有限元−离散元(FLAC2DPFC2D)耦合算法建立了不同倾角的大倾角采场耦合数值模型,研究了大倾角采场围岩应力分布及矸石充填特征的倾角效应。结果表明:①采动作用下,大倾角采场顶底板内围岩应力均呈非对称拱形分布,随着煤层倾角增大,拱形垂直应力释放区范围和向上部偏移程度逐渐增大,但水平应力释放区范围和应力值逐渐减小,无论是垂直应力还是水平应力都易在工作面上下端头顶板处出现应力集中,但最大集中应力会随煤层倾角的增大而减小;大倾角工作面顶底板内应力大小和传递方向均存在非对称特征,随着煤层倾角增大,工作面顶底板应力拱高逐渐降低,围岩应力的传递方向以围岩涌向采出空间为主,由初始近似竖直方向逐渐偏转趋于工作面垂向。②工作面顶板破断及矸石的滑滚充填具有时序性和分区演化特性,并随煤层倾角的改变而呈现一定的倾角效应。随着煤层倾角增大,直接顶的初次破断位置将逐渐向工作面倾向上部区域转移,同时由于重力沿工作面倾向的分力变大,矸石沿倾向的充填程度更为密实,但充填长度减小,工作面中上部区域高位岩层的破碎程度和空洞范围增大。③采空区内矸石对围岩的作用机制主要体现在提供侧向应力和竖向支撑2个方面,且受矸石重力作用影响较大,会随煤层倾角改变呈现较强的倾角效应。

大倾角厚煤层开采不同采高与放煤步距的影响分析

大倾角厚煤层是我国面临的重要的煤层开采形态,由于煤层的倾角较大,造成开采难度的增加。采用放顶煤综采过程中,不同的采高及放煤步距对顶煤的放出具有重要的影响作用。针对大倾角厚煤层开采过程中,不同采高及放煤步距对顶煤采出率的影响采用PFC仿真模拟的方式进行分析。建立了不同参数的开采模型,对开采过程进行仿真模拟,得到采高为4 m放煤步距为1.6 m(两采一放)的开采工艺为最佳的开采参数,此时顶煤的采出率最高,且具有较好的操作性。

大倾角三软煤层回采巷道围岩变形破坏特性研究

采用相似模拟方法进行不同应力条件下大倾角煤层回采巷道的围岩破坏特性研究,结果表明,随着顶压系数k的增加,顶底板逐渐出现离层、剪切、滑移直至冒落,0≤k≤2时,锚网索支护起到了良好的锚固作用。k>2.5时,锚网索支护逐渐失效,巷道两帮中部及顶板中部破坏明显;随着顶压系数的增加,顶底范围的巷道分维数增速较快,增量显著,两帮范围的分维数D在增量和增速方面比顶底较低,说明顶底受顶压的影响大于两帮。顶板锚杆锚索轴力大于两帮,左侧顶部、帮部应力大于右侧;顶压系数0≤k≤2时,测点位移量较小,断面收缩率较低,锚网索支护效果较好,顶底板的变形量大于两帮,左侧(留三角煤处)变形量大于右侧,顶板及两帮中部变形量最大。

基于不同倾角的上覆遗留煤柱下巷道合理布置数值模拟分析

晋能控股煤业集团有限公司晋华宫煤矿11^(#)煤层开采后存在遗留煤柱,对下层12~#层的应力环境将会产生影响,其中河北12^(#)煤层307盘区煤层倾角从5°至15°变化不等。基于巷道蝶形破坏原理,采用数值模拟的方法对晋华宫矿不同煤层倾角条件下巷道的合理布置位置展开研究,结果表明:当煤层倾角为0°时,巷道内错20 m以上布置时较为合理;当煤层倾角为5°时,巷道内错27.5 m以上布置时较为合理;当煤层倾角为15°时,巷道内错35 m以上布置时较为合理。显然,当煤层存在倾角时,在巷道合理布置位置的基础上将内错距增加0.5~1.0 m/°可以使巷道处于良好的应力环境内。为晋华宫矿煤柱下巷道布置提供参考依据。

大倾角煤层长壁采场矸石局部充填覆岩运移规律模拟研究

为进一步探究大倾角煤层长壁开采条件下工作面顶板覆岩运移的细节特征,以教学二矿大倾角煤层为研究案例展开研究。通过现场调研获取数据,应用FLAC 3D数值模拟软件建立开采工作面的数值模型,通过控制变量的实验方法,选取不进行充填、充填1/5、充填1/3、充填1/2和充填2/35种典型情况,分别对这5种典型情况下的顶板位移、应力分布和塑性区特征进行详细分析。结果表明,合理增大充填比有助于降低覆岩层的应力与位移值,并有助于降低煤层顶板破坏范围,同时工作面长度的延长对于顶板的力学性能存在更多的负面影响。因此最终确定充填比例为2/3,工作面长度75 m为相对合理的参数组合。

适应煤层倾角的不同放煤方式研究

我国存在大量的大倾角煤层,这些煤层的倾斜较大,受到的重力及矿压作用不同,因此,采用不同的放煤方式开采倾斜煤层会产生不同效果。为了研究不同倾斜度煤层的开采效果,采用PFC 2D仿真分析的形式对不同倾角煤层3种放煤方式的放煤过程进行模拟分析,并统计分析顶煤的放出率。结果表明,当煤层倾角小于35°时,单轮顺序放煤的效果最佳,当煤层倾角大于35°时,双轮顺序放煤的效果最佳。

大倾角中厚煤层柔模砼墙沿空留巷围岩控制技术研究

为解决坚硬顶板条件下大倾角中厚煤层综采工作面沿空留巷顶板不易垮落、矿压显现剧烈的难题,以绿水洞煤矿3121工作面沿空留巷为工程背景,提出了“预裂爆破切顶卸压+挡矸网防冲+柔模砼墙护巷+加强支护”围岩控制技术,确定了沿空留巷围岩支护参数。现场工业性实验表明,顶板采用预裂爆破切顶卸压方式,有效形成短臂梁结构,降低巷道采动压力;采用柔性挡矸网与柔模砼墙,能有效缓解矸石冲击力,与碎胀矸石共同提供较大支撑阻力;通过巷内加强支护和滞后区临时支护减少围岩破坏、提高巷道稳定。通过该围岩控制技术,获得较好的围岩控制效果,为类似工程地质条件下沿空留巷提供科学技术指导。

新疆大倾角多煤组煤矿区煤层气开发利用进展与前景

煤层气是非常规天然气的重要组成部分,新疆作为我国十四个特大型煤炭产业基地之一,煤层气资源储量丰富,约占全国煤层气资源总量的26%。为分析归纳新疆特殊的大倾角多煤组煤矿区煤层气资源特征,总结了“十三五”以来,新疆煤矿区煤层气开发利用在理论、技术及装备方面取得的突破性研究进展,并对未来新疆煤矿区煤层气开发利用潜力和应用前景作出长远的展望。结果表明:新疆煤矿区资源具有“倾角大、煤层多、煤阶低、含气高”的特征。取得的突破性研究进展主要包括:提出了基于“三孔四区五量”的大倾角多煤组煤矿区时空协同煤与煤层气协调开发模式;阐明了大倾角采动地面井变形模式及高危位置确定方法,提出了“避、抗、让、疏、护”五字理念的地面井设计技术;研发了大倾角碎软煤层下向递进式抽采钻孔成套技术与装备;构建了新疆高寒地区煤层气利用蓄热氧化供暖技术;上述研究成果在现场试验中成功应用,提升了新疆煤矿区煤层气开发利用的整体水平。然而,规模化的煤层气开发利用产业尚未大面积形成。因此,亟需总结推广典型的大倾角多煤组煤矿区三区联动煤层气开发模式;加强多煤组煤矿区的地面井均匀超前预抽;研发井下煤层气高效抽采技术及装备;基于非对称采动卸压作用实现靶向精准抽采煤层气;拓展适用于高寒地区的全浓度范围煤层气利用技术;重点加快推进国家级“新疆准噶尔盆地南缘煤层气产业化基地”建设,实现新疆丰富煤层气资源的规模有效开发利用。

缓倾斜煤层无煤柱切顶成巷切缝角度及位置研究

切顶卸压自成巷无煤柱开采是综采工作面实现连续生产、快速衔接、提高煤炭采出率的重要采煤工艺,能有效避免矿井发生重大地质灾害事故,是煤矿可持续发展的方向之一,其中切缝关键参数对留巷围岩稳定性具有较大影响。为控制工作面开采后沿空留巷围岩的变形量,保证巷道结构的稳定性,以青云煤矿020201工作面为工程背景,分析其缓倾斜煤层切顶成巷特点,提出两种切缝角度确定方法,同时结合现场生产条件研究了切缝位置对切顶卸压沿空留巷稳定性的影响。研究结果表明:切缝角度及切缝位置的选择影响留巷顶板的运移特征,依据岩层垮落角确定了2.7°切缝角度,并得出在挡矸墙采空区侧进行切顶时,切缝可切断采空区顶板压力向留巷上方传递荷载的路径,弱化了顶板断裂活动对留巷的影响,有利于实现留巷围岩控制的目的;现场矿压监测结果表明,在采动作用下,采用合理的锚网支护可形成稳定结构,切顶卸压效果明显,对于切顶成巷技术在缓倾斜煤层开采中的推广应用具有借鉴意义。

褶曲构造影响区内工作面开采诱冲机理及其防治研究

针对褶曲构造影响区内不同工作面的倾角变化所引起的矿压显现特征多变性问题,以宝积山煤矿七采区为工程背景,采用现场调研、理论分析、数值模拟和现场工业性试验相结合的方法,对倾角变化煤层内不同工作面开采期间动静载荷进行了研究。结果表明:①煤岩组合系统刚度值大于0的累积声发射(AE)能量较煤岩组合系统刚度值小于0的累积AE能量小,说明煤岩组合系统刚度值小于0时更易累积AE能量,且在煤岩组合系统刚度值小于0时,其绝对值越大越能够积聚更高的AE能量。②随着煤层倾角递增,沿空巷道实体煤侧内集中静载荷降低,煤柱侧内集中静载荷增高,高位厚硬关键层发生破断所需悬顶段更长。③煤层倾角较小时,动静载叠加作用下沿空巷道两帮内煤岩组合系统极易诱发动态破坏II型冲击地压。煤层倾角较大时,高集中静载作用下沿空巷道煤柱侧内煤岩组合系统极易诱发静态破坏型或动态破坏I型冲击地压。④705综放工作面开采期间沿空巷道煤柱侧极易诱发静态破坏型或动态破坏I型冲击地压,对其实施防冲措施后的电磁辐射值降幅高达67.3%,煤岩组合系统不易诱发冲击地压。

大倾角特厚煤层自燃与冲击地压控制机制研究

采用理论分析、数值模拟和现场试验等方法,以山寨煤矿3506工作面为研究对象,提出了控制掘进速度影响的冲击地压与煤层自燃双重灾害控制机制。研究结果表明:随着掘进速度的增加,相对应力集中系数呈线性增加,巷道煤层自燃系数呈直线式降低。研究了大倾角冲击厚煤层扩安一体化工艺及煤层自燃与应力降低措施,建立了扩安一体化工艺速度与应力集中和煤层自燃间的关系。

三软大倾角特厚煤层留小煤柱巷道支护研究

针对三软大倾角特厚煤层条件下煤柱宽度大造成的支护困难、资源浪费等问题,开展汾源煤业5-1042留小煤柱巷道支护研究。通过室内试验测试了煤岩力学参数,验证了5-104工作面三软特征。针对提出的支护方案,采用FLAC3D数值模拟软件分析了不同煤柱宽度、锚索间排距下的巷道水平位移、垂直位移和塑性区分布,发现将煤柱宽度从40 m缩小到20 m巷道变形量小,稳定性提高。最后支护方案进行现场试验。现场结果表明:留小煤柱巷道现场支护效果良好,顶板变形量小,围岩稳定性好,为类似特厚煤层留小煤柱巷道支护提供了工程借鉴。

大倾角综采工作面液压支架稳定性及过断层技术

大倾角煤层综采工作面液压支架的稳定性成为研究的重点和难点。分析了液压支架受力状态和围岩之间的关系以及影响支架稳定性的因素,进行了液压支架防滑和防倒研究,并对过断层技术进行了探讨。

高倾角烧变岩对新疆阜康矿区煤层气影响

新疆煤层气资源主要赋存在中下侏罗统,天山南北两侧的山前地带为主要富集区,主要区域准噶尔盆地南缘、塔里木盆地北缘、三塘湖煤田等,新疆准噶尔盆地南缘阜康矿区煤层气已经实现了煤层气产业化开发。本文对阜康矿区地层、构造、煤层、煤质、烧变岩、水文地质条件进行了分析,总结新疆阜康矿区煤层气赋存条件存在高倾角、烧变岩发育的等特殊性,使煤层气风化带埋深加大,煤储层非均质性加强,加大了煤层气经济开发的复杂性。

垂线法设计保护煤柱在复杂地质构造区域的应用

为了保护新三矿地表受开采影响区域内的建筑物,需对新三矿南翼采区地表赵庄村进行保安煤柱设计。设计选择使用垂线法进行保安煤柱留设,通过对复杂地质构造区域上的建筑物保安煤柱设计方法的探讨和分析,精准地留设出了赵庄村保安煤柱线。经实测,赵庄村地表水平变形、倾斜与曲率均在Ⅰ级损坏等级范围内,有效地保护了赵庄村地表建筑物。

大倾角综放工作面矿压显现规律数值模拟研究

为探究大倾角煤层开采时围岩应力及位移变化,利用计算机模拟技术得到应力等值线云图和竖直应力云图,解决工程实际复杂问题获得直观规律,弥补现场实际观测的不足,补充工程实际理论。研究表明:(1)沿走向方向煤层开采时,裂隙带及冒落带从形态上均呈“梯形台”形式。(2)大倾角煤层开采覆岩裂隙带回风巷方向覆岩孔隙率大于机巷上覆岩层孔隙度。且风巷覆岩裂隙区域面积更大,影响更剧烈。(3)增加工作面推进速率有助于煤岩层的稳定,以保证工作面生产的正常进行。

大倾角煤层长壁开采顶板应力传递路径倾角效应

大倾角煤层安全高效开采的关键是对围岩的有效控制,而发现并揭示围岩采动应力的时空演化特征及其倾角效应是围岩稳定性控制的基础。以新疆某矿25221工作面为工程背景,采用现场实测、理论分析与数值计算相结合的研究方法,在综合厘定与分析工作面矿压显现一般规律及其成因的基础上,研究顶板采动应力传递路径的时空演化特征及其倾角效应。结果显示:在大倾角煤层开采中,顶板采动应力随工作面推进的动态演化过程先后经历了增长期和稳定期,其对应支承压力峰值的演化呈现为先增大后趋于稳定的特征。受煤层倾角影响,顶板采动应力的三维传递演化沿走向对称、沿倾向非对称。在倾向剖面内,顶板应力的传递路径呈非对称拱形形态,且沿顶板自上而下,应力偏转位置由工作面倾向中轴线左侧逐渐向其右侧迁移,上覆岩层载荷以应力偏转界线为界,分别向倾向上、下侧煤体传递,造成倾向上侧支承压力集中系数大于下侧。在工作面走向剖面内,围岩应力的传递路径呈扁平拱形态,扁平拱两侧半拱形区域上覆岩层载荷除了向工作面走向两侧煤体传递外,亦向工作面倾向上、下侧煤体传递,而扁平拱中间直线段区域上覆岩层载荷主要向倾向上、下侧煤体传递。随着煤层倾角的增大,围岩应力传递演化的非对称特性显著增大,应力偏转界线与工作面倾向中轴线间的距离逐渐增大,2者交点的高度呈现为增—减—增的演化趋势;受此影响,工作面走向和倾向上侧支承压力集中系数亦呈现出增—减—增的演化趋势。顶板应力的非对称时空演化特征,造成采场空间不同区域顶板的力学性状与行为存在显著差异,这种差异性导致倾向不同区域支架的受载与失稳特征亦存在显著差异,且这一现象会随着煤层倾角的增大而愈发明显。

大倾角松软特厚煤层综放开采关键技术研究

针对大倾角松软特厚煤层综放开采存在的关键技术问题,借助FLAC数值模拟软件确定支架的合理支护强度应为0.6MPa。采用PFC数值模拟方法研究优化了放煤工艺确定放煤步距为1.2m时,顶煤采出率最高;放煤顺序为工作面上端从上向下放煤利于提高支架稳定性;其它部分从下向上放煤利于提高顶煤采出率。提出运用综合技术措施解决大倾角工作面防倒、防滑难题。经现场应用,取得了良好的经济与社会效益。

大倾角煤层综采工作面液压支架失稳机理与控制

针对大倾角旋转俯伪斜大采高综采面液压支架稳定性控制特点,结合潘二矿12124综采工作面地质与工程条件,开展了破碎顶板和软煤条件液压支架与刮板输送机稳定性控制机理与方法研究。基于现场观测数据分析,构建了大倾角综采工作面液压支架倾倒与下滑两种失稳模式,对比分析了支架受力特征,揭示了支架失稳与煤层倾角、支架顶梁和直接顶的摩擦因数之间的关系。推导了液压支架带压移架的"带压临界值",提出了铺金属网带压擦顶追机移架方法。综合分析设计了旋采段回采调斜比例为1∶3,并确定了俯伪斜回采段输送机下滑量不应大于304 mm,并通过设置了防倒、防滑千斤顶的"三机"联合防倒滑措施,有效控制"三机"稳定性及片帮、冒顶,实现了大倾角厚煤层安全高效开采。