深部矿山地热与煤炭资源协同开发技术体系研究

深部煤炭资源开采已势在必行,但随着开采深度的增加,伴生着热能的释放,该热能作为地热资源的重要组成部分,是一种不受环境因素影响的可再生清洁能源.深部矿井开采带来的丰富地热可作为共生资源进行开采利用.基于此,本文总结了深部矿井地热资源的发展潜力以及地热与煤炭资源开采的现状,论述了深部矿井地热开发的必要性和可行性,创新了地热与煤炭资源协同开发的思路,阐述了矿山地热与煤炭资源协同开发的内涵与科学问题,围绕深部矿山岩热和水热资源开发这一主题,利用煤炭资源开采的采后空间及生产系统,提出了充填埋管采热、采空区储水采热、采动区封闭采热及深部原位钻井采热4种采热方法,探讨了深部矿山地热探测评价、深部大空间煤基固废吸热功能材料、多场环境下采场岩层移动特征及其控制、低品位热能的高效传输及阶梯利用和协同开发系统智能监测等技术的研究重点与难点.研究成果将为中国深部矿山地热与煤炭资源的协同开发提供技术支撑,为深部矿井资源系统开发提供理论与实践参考,促进我国深部矿井绿色矿山建设与多元经济型发展.

深部高应力煤巷围岩修复加固技术案例分析

为解决在强扰动巷道下传统锚杆索组合支护围岩协同控制能力不足的难题,以葫芦素矿21205辅运巷为工程背景,通过现场调研、理论分析、数值模拟进行分析得出顶板有效锚固层薄弱,现有支护易产生顶板渐进式破坏且未能充分发挥围岩承载性是制约支护效能主要原因。为此提出时效全长预应力锚固技术与新型巷道围岩多圈层高效支护技术,并通过数值模拟验证了新支护方案的可行性。工程实践表明采用围岩控制加固技术后,显著增强了支护效能,有效控制了深埋煤巷围岩大变形。

软岩巷道顶、帮、底全支全让O型控制力学模型及工程实践

软弱岩体的阶段性、持续性流变,导致软岩巷道围岩深度破坏和支护失效。软岩巷道顶、帮、底三者在围岩系统稳定过程中所起的作用不同,软岩巷道围岩稳定性控制应做到整体性和协调性支护。在分析巷道顶、帮、底相互作用效应基础上,针对软岩巷道强流变四周均表现出大变形的破坏特征,提出了全断面、全支全让O型封闭控制的支护原理。该原理强调,开挖初期就应对软岩巷道顶、帮、底全断面进行强力支护,同时全断面又适时让压,在高阻支护力作用下又能适当释放围岩应力,达到对软岩巷道的整体性和协调性控制。通过力学模型对软岩巷道围岩塑性区范围和表面位移与支护力的作用关系进行了分析计算,得出巷道围岩变形破坏与支护力呈负相关关系。工程实践表明,采用该支护原理有效控制了深部软岩巷道的大变形。研究成果对类似工程实践具有一定的参考借鉴价值。

深部厚松散层破碎围岩巷道支护参数优化设计

陈四楼矿-720 m辅助水平回风大巷为典型的深部厚松散层破碎围岩巷道,该巷道在原有支护方案下支护失效。针对辅助水平回风大巷的支护难题,研究分析了其变形机理及破坏特征,在原支护方案的基础上,对支护参数进行优化设计,并利用FLAC3D对巷道支护方案进行模拟对比分析。

巨厚冲积层薄基岩综放开采覆岩移动规律

巨厚冲积层薄基岩条件下,综放开采工作面经常出现异常来压,给顶板控制提出了较大的挑战。通过数值计算的方法,分析了600m厚冲积层、不同基岩厚度条件下的顶板变形破坏特征,得出基岩厚度小于120m时,覆岩可能出现全厚切落现象;揭示出巨厚冲积层在运动变形过程中具有整体性且难以形成稳定的强承载结构;现场实测出了工作面异常来压规律,证明了巨厚冲积层和薄基岩结构间的关系。该研究成果为类似条件下的综放面安全高效开采提供了借鉴。

气煤热力耦合变形与孔隙演化特征的实验研究

采用自主研制的"600℃20 MN伺服控制高温高压岩体三轴试验机",进行直径×高度为200 mm×400 mm的山东兴隆庄气煤试样高温三轴应力下的耦合热变形实验,对实验后的煤样采样,与非实验煤样进行对照压汞实验及孔隙结构分析。研究结果表明:三轴恒定应力下,气煤随温度升高的热变形可分为3个阶段:缓慢变形阶段、快速变形阶段和破坏阶段;试样由缓慢变形阶段进入快速变形阶段、渗透率激变以及脆韧转化三者具有相同的阀值,都是因气煤热解产生孔隙所致;三轴应力下气煤随温度升高的热变形特征和渗透性变化规律均由大孔的发育程度决定,且试样压缩的空间取决于大孔的体积。

极近距离煤层联合开采采场覆岩活动特征及矿压显现规律

依据刘东煤矿的煤层地质及生产技术条件,采用数值模拟分析和现场实测的方法,研究了极近距离煤层联合开采时采场覆岩活动特征和矿压显现规律。研究结果表明,极近距离煤层联合开采上覆已破断岩层可再次形成稳定结构,在端头区覆岩结构的形成有利于集中运输巷道的维护;下位煤层工作面矿压显现缓和,支架承受静载荷作用明显,工作面来压和支架载荷具有整体一致性的特征。

浅埋近距离采空区下综放开采覆岩运动规律研究

结合上榆泉矿的工程地质条件,通过理论分析、数值模拟等方法研究了浅埋近距离采空区下综放工作面覆岩运动规律。理论分析表明:工作面覆岩关键层破断后形成"悬臂梁"结构;工作面背坡推进时,悬臂梁易于在支架后切落卸载,支护空间内整体矿压显现不明显;迎坡推进时,主关键层缺乏侧向水平力无法自稳,"铰接结构"易于活化失稳,切落悬臂梁易形成动载矿压灾害。

超高水材料充填开采兼沿空留巷技术应用研究

针对城郊煤矿C2401工作面的顶板赋存条件较差、煤层倾角小的特点,通过对超高水材料基本性能的研究,提出了综采面超高水材料袋式充填开采兼沿空留巷技术。在综采面超高水材料袋式充填开采过程中配合锚梁网联合支护技术对运输斜巷进行留巷。结果表明:在密闭、低温、潮湿的环境下,超高水材料袋式充填开采配合锚梁网联合支护技术适用于综采面袋式充填开采兼沿空留巷技术,效果理想,机械化程度高,是未来建下压煤绿色开采的发展方向。

五阳矿西部扩区建筑物下压煤二次条带开采研究

针对五阳矿西部扩区建筑物下压煤资源需迫切回收的技术难题,结合五阳矿西部扩区的地质条件和条带开采实际,采用理论分析和数值模拟的研究方法对二次条带开采的可行性进行了系统研究,提出窄煤柱沿空掘巷的二次条带开采方案.结果表明:在条带开采地表移动变形稳定后对遗留煤柱进行二次条带开采是可行的;二次条带开采合理的采宽为40 m,留宽为55 m;二次条带开采后地表移动和变形值增大,但对建筑物的损坏仍然处于Ⅰ级损坏之内,遗留煤柱仍能长期保持稳定.二次条带开采为建筑物下压煤开采寻求到一条新途径.

近距离联合开采下位厚煤层综放面矿压分析

通过对泉店煤矿二1-11070工作面实测数据分析,得出近距离煤层群联合开采下位厚煤层综放工作面矿压显现规律。结果表明,在工作面走向方向上顶板来压歩距具有不一致性;顶板压力在倾向方向上中部最小、下部次之、上部压力最大;工作面支架初撑力与循环末工作阻力具有一定的线性相关性,增加支架初撑力能一定程度上提高控顶效果。研究结论对具有相似地质生产条件煤矿的安全高效开采具有一定的工程借鉴意义。

深部近距离跨采煤巷围岩控制技术研究

基于煤矿跨采巷道受到多次的采动影响,巷道变形剧烈、围岩难以控制的技术难点,结合济宁二号矿井113下08运输巷的工程实践背景,分析了巷道稳定性影响因素,根据113下08运输巷的实际地质条件,采用分段动态支护,揭露煤体之前巷道支护方式为锚网喷;全煤巷道支护方式为锚网梯支护;层间距10~40m时,采用锚网索耦合支护方式。结果表明：这种支护方式有效控制顶底板及两帮变形,经受跨采后巷道形状完好,保证了矿井的安全生产。

巨厚煤层分层开采覆岩移动规律数值模拟研究

以准东煤田大井二号煤矿BM煤层的分层开采为例,利用FLAC^(3D)数值模拟得到采动后上覆岩层的体积应变增量切片。分析结果表明:受煤层采动影响,覆岩移动破坏区域由采空区向深部延伸,大致呈鞍形分布。覆岩裂隙发育速度随各分层开采逐渐减缓,裂隙发育高度与已采煤层厚度成幂函数关系。

破碎煤岩巷道注浆加固材料实验及应用研究

为了解决破碎煤岩巷道支护难题,针对山脚树煤矿226轨道石门存在埋深大、高应力及穿过近距离煤层群特点,通过对226轨道石门进行现场调研及理论分析研究巷道变形破坏特征,拟采用超细水泥-普通水泥为注浆材料对破碎石门巷道进行注浆加固作业。通过对浆液浇筑试件进行单轴压缩、劈裂及压汞室内试验,研究了不同超细水泥成分占比及不同水灰比浆液力学参数特征及孔径分布规律,研究表明:随着超细水泥占比的增加,浆液浇筑试件抗压强度及弹性模量呈现先增大后减小,孔隙度降低,小孔及微孔孔容比上升;根据室内实验数据,确定了最优的注浆材料配比,结合现场围岩地质情况,提出"双层锚网+中空注浆锚索"支护方案。现场监测应用新的注浆支护方案顶底板变形量减少了85%,两帮变形量减小了86%,表明浆液对破碎围岩巷道具有良好的固化效果。

矿业工程专业学位教育存在问题及解决对策研究

专业学位研究生培养制度是我国研究生教育的重大举措,本文主要围绕矿业工程专业学位研究生教育存在的问题,剖析了矿业工程专业学位研究生培养过程中存在的特殊性以及当前专业学位教育存在的主要原因。

动载诱发近直立煤层水平分段开采冲击矿压的数值模拟研究

针对近直立煤层特殊的赋存条件和水平分段开采的技术条件,建立顶底板夹持梁的力学模型,对诱发冲击的动静载力源进行简要分析。基于分析结果采用FLAC3D数值模拟方法分析了动载作用下近直立特厚煤层工作面煤体应力、位移等的动态响应特征,进而揭示了冲击显现机制。结果表明:在顶底板围岩破裂产生震动效应传播而来的冲击载荷扰动下,近直立煤层工作面底煤水平应力先升高后瞬间大幅降低,垂直位移也突然增大,煤体自身平衡状态被打破,易诱发冲击显现。基于近直立煤层冲击诱发机制,提出了煤体卸压爆破和顶、底板预裂爆破等解危措施并在现场实施,解危效果显著。

矿用新型隔热材料性能实验研究

矿用喷注浆隔热材料的研制对矿井热害防治具有重要意义。通过开展正交配比试验,研制了一种导热系数低、力学强度高的新型矿用隔热材料。该材料以普通硅酸盐水泥、粉煤灰、砂子和玻化微珠为原料,其表观密度为1480kg/m^3、导热系数为0.15W/(m·K)、抗压强度为11.7MPa,是一种密度小、隔热好且承载强的矿用喷注型隔热材料,能满足矿用隔热降温需求。

煤-热协同开采导水断层岩体热-流-固耦合试验研究

导水断层岩体的高渗透性为煤炭-水热型地热能高效协同开采提供了新思路,研究深部热-流-固耦合条件下断层岩体的渗透性演变规律是实现煤-热协同开采的重要前提。自主研制了热-流-固耦合三轴试验系统,开展了导水断层岩体热-流-固耦合特性试验。试验结果表明,热-流-固耦合作用下破碎岩体的渗透过程可以划分为冲蚀增透阶段及体缩抑流阶段,其中,冲蚀增透阶段发生在试验初期,岩体的渗透性参数(孔隙率、流速及渗透率)在该阶段迅速增长,进入体缩抑流阶段后保持小幅波动。高温下岩石颗粒的热膨胀效应抑制了岩体孔隙空间扩展,导致渗透参数在冲蚀增透阶段增长缓慢;水压越高,渗透参数在冲蚀增透阶段增幅越大,表明高水压的冲蚀效应更显著;加载轴压与围压均会促进岩体的体缩效应,抑制渗透压力的冲蚀效果,导致试样渗透特性降低。文章丰富了导水断层岩体热-流-固耦合特性研究,为煤-热高效协同开采提供了试验基础。

大采高沿空留巷巷旁复合承载结构的稳定性分析

针对大采高沿空留巷的顶板运动特征,提出了巷旁复合承载结构的概念,通过力学分析,揭示了巷旁结构的稳定机理。研究表明:顶板压力由顶板、墙体和底板共同承担,从而形成"顶—墙—底"复合承载结构;区分不同阶段墙体强度与顶板运动的作用关系,认为初期强度应大于顶板载荷,后期应能适应顶板变形,使墙体强度与顶板运动保持动态协调;大采高时顶板向墙体施加更大的水平力,要确保墙体水平滑移因子小于接触面摩擦系数以实现抗滑自稳;墙体内侧应力不能高于顶底板强度,以免顶底板被切断,外侧应力不能高于墙体强度,以免墙体被压裂,降低墙宽和巷宽可减小墙体载荷,据此得出了墙体和巷道宽度的确定方法。结合4.2 m大采高沿空留巷案例给出了工程验证,采用膏体混凝土充填时,满足巷旁结构稳定条件的巷道宽度为3 m,墙体宽度为4 m,实测结果表明了结论的合理性。

固体密实充填采煤覆岩移动弹性地基薄板模型

固体充填采煤覆岩移动规律与传统垮落法开采相比发生了本质的变化,为准确地计算固体充填入采空区后上覆岩层的移动规律,在分析固体密实充填采煤覆岩移动特征的基础上,采用弹性地基薄板理论,建立了固体密实充填采煤充填体-基本顶力学模型,推导出了采场基本顶挠度、应力方程以及基本顶发生破断的临界条件,分析得出弹性地基系数是影响顶板移动变形的关键因素,并结合相关参数给出了基本顶最大下沉量和最大应力值随弹性地基系数的变化规律。平煤十二矿己15-13080充填采煤工作面工程实践结果表明:实测基本顶最大下沉值为347 mm,与理论计算结果相符。