煤矿矿区普适性拓展型固体改性充填采煤技术与装备

从我国煤炭行业绿色发展趋势和要求出发,分析了煤炭企业对不同充填开采方式选择的考量因素,以及影响充填开采技术推广的制约因素,针对不同矿区地域分布特征和充填需求差异性,划分了煤矿充填开采“保护生态环境优先、保护地面建筑优先、处理煤矸固废优先、提高经济效益优先”4类优先原则,提出了“以充填开采作为煤矿保护生态环境的调节工具,建设全过程全息立体生态矿山”的生态开采目标。依据充填开采顶板限定变形力学模型,阐述了影响充填开采目标岩层下沉量的构成因素,构建了生态环境保护、地面建筑保护、矸石固废处置3种充填工程模式下的工作面支护强度计算及覆岩变形控制方程。介绍了我国煤矿普适性充填采煤技术发展现状及发展方向,涵盖散状原矸固体充填、类贫混凝改性充填、矸石混凝土充填、薄煤层充填、区域性保护充填、巷道充填、选充留协同等适应各类煤矿需求的充填采煤技术,详细描述了不同充填技术的材料制备、运输、充填工艺特点及适应性充填装备。为实现煤矿充填智能化,建立了全面的数据感知系统,通过空间规划及充填效果判定来实现从单元到整体充填工作面的智能化过程,结合传感器网络和人工智能算法,实时监测和控制煤矿固体充填过程,提高充填质量和充填效率。煤矿充填开采在我国绿色矿山建设的远景规划中将扮演更加重要的角色,加强基于主动充填的煤矿生产全过程生态矿山建设、普适性充填技术工艺体系构建、新型固体充填材料研制、智能化充填开采研发等4个方向的科技攻关,我国煤矿充填开采会有极为广阔的发展前景。

巷旁充填留巷顶板结构分析与围岩控制技术

为研究沿空留巷顶板结构特征及其支护技术,基于弹性力学薄板理论,建立了沿空留巷顶板悬板结构模型,推演了两种边界条件下悬板主应力表达式,构建了应力比例系数作为薄板破坏判据,研发了沿空留巷巷内顶板斜拉锚索加强支护、巷旁超高水材料复合支护技术。研究结果表明:锚网索支护沿空留巷过程中实施超前预裂切顶,顶板可形成悬板结构,该结构随上覆顶板运动可形成一对边简支一对边自由和一对边固支简支一对边自由两种悬板形式;在矿山压力作用下两种悬板破坏部位不同,可以此作为布置顶板斜拉锚索的依据;顶板斜拉锚索对悬板起悬吊和水平挤压作用。现场试验结果证明了理论分析的可靠性。

邯邢矿区承压水上充填采煤底板渗流规律研究

为了掌握开采参数和充填参数对承压水上采煤工作面底板渗透破坏的影响机制,针对邯邢矿区承压水上安全采煤问题开展研究,基于典型矿井煤层地质赋存特征,建立了承压水上开采水岩耦合概化地质模型,分析了承压水上采场底板力学行为。根据半无限板集中荷载和均布条形荷载传播的求解方法及弹性力学叠加原理,获得了采动与水压共同作用下底板应力分布表达式。进而借助MATLAB计算程序,以邯邢矿区开采条件及实测数据为例,得到了有无水压条件下底板应力分布规律,采动应力等值线与奥灰水压力等值线相互交织、互相影响,加剧了对底板变形破坏的影响。进一步计算出了水岩共同作用下底板应力分布和主应力差分布,揭示了承压水上采场底板破坏与充填控制机理。通过散体矸石固体改性试验,得出了掺入自主研发的胶结料后改性充填材料力学性质,其弹性模量范围为30~50 MPa。岩石破裂数值模拟结果显示,当充填体弹性模量增加至50 MPa时声发射事件和累积释放能量明显减少,且采煤工作面底板仅出现少量裂隙并最终被控制在局部范围,不会出现失稳性扩展,充填体的抑制作用与承压水的破坏作用达到平衡状态。研究结果为邯邢矿区准备开展的30 m以内隔水层间距煤层开采提供了前瞻性理论基础。

利用铝土尾矿泥制备充填材料实验研究

本文通过对铝土尾矿泥、煤矸石、粉煤灰、水泥等原材料的化学分析和膏体结石体的抗折、抗压强度实验,分别对掺加了铝土尾矿泥和粉煤灰的膏体充填材料进行了实验对比。结果表明,随着铝土尾矿泥掺加量的改变,充填体的抗折强度、抗压强度均呈现出一定规律。掺加铝土尾矿泥的膏体结石体抗折抗压强度明显高于掺加粉煤灰的膏体结石体,为利用工业固废解决充填问题提供了理论依据。

综合机械化固体充填采煤自动控制研究与应用

为进一步提高充填采煤效率,保证固体充填质量的一致性,提出采用固体充填自动化技术,设计研发了固体充填自动化控制系统。给出了自动控制策略和方法,包括充填液压支架推力与密实充填率之间数学关系,充填体自由度对充填采煤工作的影响以及充填采煤的时空特性,深入剖析了自动化充填采煤与控制工作面顶板上覆岩层的运移规律。同时,系统中液压支架自动控制流程、传感器布控原理以及系统控制模式实现了现场工业应用。结果表明:充填效率和推进速度均提升49%左右,劳动强度和充填成本大幅下降,充填效果明显提高,有力推动了固体充填采煤的科学发展。

矸石-粉煤灰充填采煤覆岩结构与变形规律

矸石-粉煤灰充填采煤可解决"三下"压煤和固体废弃物排放造成的环境污染问题。根据充填采煤工作面覆岩移动规律,提出矸石-粉煤灰充填采煤覆岩存在3类结构;在弹性地基薄板理论基础上,建立了基本顶力学模型,推导出了基本顶弯曲下沉的理论公式,给出了基本顶破断的临界条件;据此,分析了基本顶变形影响因素,并进行了工程实践。结果表明,基本顶最大下沉量理论计算值与实测值基本一致,各因素对基本顶弯曲下沉影响大小依次为:基本顶弹性模量、覆岩载荷、直接顶弹性模量、充填体弹性模量。邢台矿7606工作面采空区基本顶的最大下沉量为234 mm,沿专用铁路线地表最大下沉量为16 mm,仅直接顶产生了局部裂隙和离层,基本顶完整性较好,覆岩属于第II类结构,地表变形得到了有效控制。

基于充填采煤的保水开采理论与实践应用

针对煤矿开采导致矿区水资源环境破坏的严重问题,根据矿区顶板含水层赋存特征,提出基于充填采煤的保水开采理论和技术。运用充填采煤顶板运移规律和控制机理,构建了充填采煤顶板含水层稳定性的力学模型,并得出了顶板含水层稳定性的边界条件,运用相似模拟试验分析验证了充填采煤对顶板含水层的保护机理及作用。研究结果表明:顶板稳定隔水层下沉量包括充前顶板下沉量、充后顶板下沉量和直接顶岩体特性下沉量,其破断的边界条件为hb≤Hb;随着密实充填率的增大,顶板稳定隔水层下沉量减小。通过对邢台煤矿充填工作面现场实测进行分析,发现应将充填体的密实充填率提高到68%以上,才能保证顶板含水层的完整性。

膏体注浆补强固体充填技术研究与应用

为了在控制成本的情况下提高固体充填的密实度,有效控制顶板下沉,提出在煤矸石与粉煤灰固体充填基础上进行膏体注浆补强。通过实验室的煤矸石级配优化以及配比实验确定抗压效果最好的配比方案,在此基础上进行膏体注浆补强,分析注浆补强对充填体密实充填率以及抗压强度的提升效果,进一步应用到现场。结果表明:煤矸石与粉煤灰1∶0.6配比条件下抗压效果最好;膏体注浆有效提升了充填体的密实充填率,抗压强度有了一定的提升。经过现场实践,膏体注浆补强固体充填使得开采对工作面所对应的地表建筑物及设施的影响较小,可以正常使用。

充填采场巷道模袋式快速成型密闭墙施工技术研究

为了实现连采工作面充填采场巷道的快速密闭,提高充填效率,解决充填与采煤接续紧张的问题,文章阐述了国内常用密闭砖墙的应用情况,指出了密闭砖墙的利弊,分析了充填采场巷道端头的断面结构特征,提出了模袋式快速成型密闭挡墙的试验思路,进行了模袋式密闭墙的结构、速凝剂与充填料浆混合工艺以及模袋式密闭墙井下施工工艺的设计研究,进行了模袋的试制与井下应用试验。试验结果表明,模袋式密闭墙安全可靠,提高了施工效率,降低了生产成本。

煤矿充填开采岩层控制理论与技术新进展

通过对充填采煤地质环境的静态描述、上覆岩层运动规律分析、开采效果的闭环控制,以及建立科学充填开采理论和技术体系等,明确了充填开采理论和技术研究发展方向。针对充填开采岩层控制理论、地质环境静态描述、覆岩及充填体动态监测、充填开采自动化和低成本充填材料等关键问题进行技术攻关,进一步提高研究的系统性,形成完整的充填开采矿压理论体系,并结合实验室试验和工程实践使充填开采成为一种成熟的采煤技术。

超高水材料限高开采局部充填技术研究与应用

为保证地面高压线塔基的稳定并最大限度的回收煤炭资源,对山西潞安集团司马矿放顶煤工作面进行了超高水材料局部充填开采的试验。按照地面塔基的控制要求,并考虑塔基自身尺寸,确定充填范围为54m×89m(倾向长×走向长),在该区域内,采高降为2.9m,不放顶煤。在无专用充填液压支架的条件下,为保证充填区域的安全,设计了移架—割煤—充填一个完整循环的支护方案。现场应用表明,采用限高开采局部充填地面塔基稳定,经济效益显著,可为类似条件下的煤炭资源回收提供参考。

矸石固体充填材料胶结性能的实验研究

通过对矸石粉煤灰、矸石黄土作为固体充填材料的胶结性能的实验研究,分析矸石粉煤灰、矸石黄土充填体强度性能,并以水泥作为胶结材料,重点分析了水泥对矸石黄土固体充填材料的强度影响。实验结果表明,以矸石黄土进行固体充填,充填体强度高于矸石粉煤灰充填体;在矸石黄土固体充填材料中加入水泥,并随着掺量的增加,充填体强度特别是早期强度得到大幅度提高,且可缩短充填采煤周期,降低生产成本。

利用工业废渣制备充填材料的实验研究

通过对吉林地区工业废渣和充填技术的发展现状与特点进行分析,指出了用粒化高炉矿渣、脱硫石膏、水泥熟料和外加剂为胶凝材料,以金矿石粉、电厂粉煤灰、铁矿尾砂为骨料配合而成的混合物料用于金矿井下充填的可行性。详细分析了原材料的化学成分对充填性能的影响,并通过工业废渣充填材料与水泥充填材料充填体强度的对比,证明了利用工业废渣制备充填材料的优越性。

超高水材料空巷充填技术的研究与应用

综采工作面过空巷是煤炭行业一大技术难题。通过对超高水材料反应机理、材料特性及力学性能等方面的分析,结合空巷充填的技术特点和指标要求,进行了超高水材料空巷充填技术研究。现场应用结果表明,超高水材料凝结时间短、泵送性能好、强度可调、工艺简单、用料量少,在应用过程中周期短、见效快、成本低,可以满足空巷充填的技术需要。

厚煤层超高水充填工作面原位留巷技术研究与应用

为提高资源回收率,缓解采掘接替紧张的局面,在亨健矿2515超高水充填工作面进行巷旁充填原位沿空留巷技术研究。在理论分析充填工作面留巷顶板覆岩稳定性的基础上,建立巷旁充填体与直接顶的相互作用关系模型,确定了充填体的支护阻力。结合2515工作面的实际情况,确定了原位留巷支护方案。矿压观测表明,2515副巷留巷矿压显现不明显,巷道变形小,能够满足生产需求,取得了较好的经济和社会效益。

超高水材料充填密闭墙构筑技术研究与应用

针对煤矿开采中采空区密闭效果不理想的问题,探讨了密闭墙的性能要求,并详细分析了当前井下常用的密闭材料和密闭形式的优缺点。在此基础上,提出了适应顶板变形的柔性密闭原理,并研发了以超高水材料为主的充填密闭墙构筑技术。在邢东矿1127工作面的现场应用表明,该技术工艺简单,施工结束3个月后,密闭墙完好,表面无开裂,密闭墙以里的CO浓度为零,取得了理想的密闭效果,可为自燃、高瓦斯矿井的采空区密闭提供借鉴,推广应用前景广阔。

煤矸石高水喷射充填材料制备及使用方法

随着煤炭行业的深入发展,煤矿井下优质资源不断减少,为了尽量释放煤炭资源,充填开采及残煤复采成为各煤炭企业技术革新与延长矿井服务年限的一项重要技术手段。于此同时,根据环保政策的不断变化,煤矸石等矿山固体废弃物的处置逐步成为各大煤炭企业不得不面对的问题。本文通过对煤矸石及充填材料的研究,提出了煤矸石高水喷射充填材料的制备及使用方法,解决井下综合机械化矸石充填采煤技术中两隅角无法有效充填,以及井下老巷及空巷治理成本高、难度大、回填后容易对煤质造成影响等问题,同时满足了煤矿对矸石处理的需求。

煤矿井下膏体快速充填材料及关键技术研究

膏体充填采煤技术经过多年的发展,逐步得到社会的认可与应用,随之也暴露出了许多不足,设备投入大、材料成本高、操作人员技术水平要求高、易堵管等问题,严重制约了膏体充填采煤技术发展。本文从膏体充填材料性能及充填工艺技术等方面,对井下膏体快速充填材料加工、浆液制备、管路输送、快速充填、采空区注浆等关键技术进行研究,探索投资少、速度快、要求低的工艺系统及少量化、集成化、自动化的井下膏体快速充填技术。

矿粉基防治水注浆材料的实验研究

为提高煤矿防治水注浆加固效果,改善注浆材料性能,降低注浆材料成本,同时为工业固体废弃物的高值化综合利用寻找新的途径,本文通过大量的实验室实验,最终确定了以粒化高炉矿渣为主要原材料,以脱硫石膏、水泥熟料及外加剂为辅料,研制了一种矿粉基注浆材料,通过与注浆用矿渣水泥进行交叉对比,分析矿粉基注浆材料在可流动性、相对粘度、浆液沉降速度、凝固状态及力学性质等物理性能,为矿粉基注浆材料在防治水工程中应用提供理论依据。

超高水材料老巷注浆加固技术的研究和应用

超高水材料是近年来发展起来的一种无机注浆充填材料,具有凝固时间短、早期强度高、流动性好等特点,超高水材料注浆充填可以将老巷内的空间全部充实,防止有害气体集聚及煤层自燃,同时充填体可与围岩共同承受工作面回采时的超前应力。为了保证回采期间过老巷的安全问题,防止有毒有害气体溢出,东庞矿西庞井提出超高水材料老巷注浆加固技术的研究和应用,通过对东庞矿西庞井在回采期间对老巷的注浆加固,确保了工作面在过老巷期间的正常回采,保证了矿井产量,并取得了良好的应用效果。