急倾斜深埋巨厚煤层掘巷冲击地压前兆特征及其灾害防治

随着冲击地压矿井逐渐向深开采,其巷道掘进伴随的冲击显现愈发强烈。针对巷道掘进过程中的冲击地压有效防治问题,以新疆乌东煤矿急倾斜煤层矿井为例,运用微震监测对巷道掘进的冲击地压时空前兆特征加以分析。结合巷道掘进的应力与能量变化数值模拟分析,揭示巷道掘进的冲击地压发生机理,提出急倾斜巨厚煤层巷道冲击地压防治策略,并完成现场工程实践验证。研究结果表明:急倾斜巨厚煤层巷道掘进的冲击地压发生前第2~5天出现微震总能量极低值,或存在至少4 d的能量潜伏期;冲击地压发生前5 d普遍存在3 d以上的最大能量占比高频波动期。冲击地压发生前存在明显缺震现象,发生位置集中分布在距离掘进工作面较近的微震能量极小值区间范围内,或位于微震能量极值区间附近的微震频次极小值区间范围内,且冲击地压事件位于冲击变形能指数较高区域。急倾斜巨厚煤层水平分段综放开采的坚硬覆岩结构不易破断,使得巷道掘进存在上水平采空区两侧“双翼型”应力集中,掘进工作面前方与巷道底部受顶底板岩层相互挤压的应力集中分布且能量积聚显著,随着巷道掘进深度增加其应力集中与能量积聚进一步增强,容易诱发冲击地压等动力灾害。综合分析形成急倾斜巨厚煤层巷道掘进的工作面爆破卸压、巷道钻孔卸压与补强支护、复杂区域架蓬的冲击地压防治策略。结合冲击地压时空前兆异常为及时加强卸压力度提供时机。通过工作面与巷道卸压使得掘进期间未发生单日累计1×105 J以上微震能量,在对支护优化调整与复杂区域重点防护后,巷道掘进日均微震能量降至2.2 kJ,其1 kJ以上微震事件占比下降且巷道断面整体平整。研究结果为急倾斜巨厚煤层巷道安全掘进提供了科学依据。

重点实验室开放实验教学模式探索与实践

西部矿井开采及灾害防治重点实验室是在陕西省岩层控制实验室、国家煤炭工业重点实验室的基础上建立起来的教育部重点实验室,目前在岩石力学性质MTS试验、矿井开采围岩控制基础、矿区采动损害与环境灾变、矿井火及瓦斯灾害防治理论与技术、安全工程理论及数字化技术等研究方向上形成了自己特色和优势,取得了一大批理论技术成果,已经成为我国西部资源开发与安全生产领域重要的科学研究基地。为了更好地发挥实验室的资源优势、切实提高实验教学质量,探索开放实验教学新模式及应对措施,研究现代化重点实验室高效运行机制,对于全面提高我校实验教学和科研服务水平,构筑高效网络化的实验教学信息平台具有重要意义。

大倾角走向长壁工作面局部充填无煤柱开采理论与技术

大倾角煤层走向长壁采场围岩结构及应力环境异化,工作面不同位置“支架-围岩”系统的构成因素及灾变模式不同,导致工作面安全事故频发、煤炭采出率较低、巷道掘进率高。通过对大倾角采场围岩采动力学行为的分析,提出了大倾角走向长壁工作面局部充填无煤柱开采技术构想,工作面走向推进过程中沿倾向对采空区下部进行局部充填,充填体既与巷旁支护作用形成沿空巷道,取消区段保护煤柱,实现大倾角煤层无煤柱开采,又增大了工作面倾向下部充填压实区长度,加强了工作面“支架-围岩”系统稳定性。根据大倾角走向长壁采场特点,优选确定了大倾角膏体局部充填工艺,设计了大倾角局部充填回采系统、采充工艺。并采用理论分析、模拟实验、数值计算等相结合的方法,分析了局部充填对大倾角走向长壁采场围岩采动力学行为的调节机制。结果表明:充填体影响基本顶岩梁的变形破坏及采场倾向下侧煤岩体承载特征,基本顶、运输巷顶板变形量及运输巷倾向下侧煤岩体所受约束均随充填长度的增大而减小;为防止采空区未充填区悬顶灾害,充填长度不应超过工作面长度的1/3。局部充填体限制了工作面下部区域顶板破断,降低覆岩关键域形成层位,形成稳定的巷帮,减小沿空留巷围岩变形量;同时工作面倾向下部充填区长度增大,中、上部围岩结构不稳定区域的长度缩小,“支架-围岩”系统稳定性提升。充填体改变了采场围岩应力传递路径,承担了部分覆岩载荷,工作面下侧支承压力及超前支承压力均随充填长度的增大而减小,工作面倾向下部充填区域的超前支承压力降幅最大,沿空巷道及工作面应力状态得到改善。大倾角走向长壁工作面局部充填无煤柱开采技术具有提高资源采出率、降低掘进率、缓解采掘接替紧张、加强工作面“支架-围岩”系统稳定性等优势。

我国大倾角煤层开采技术变革与展望

大倾角煤层是我国煤炭资源的主要赋存样式之一。在地域分布上呈现出广泛性与区域性,据不完全统计,全国25个省、自治区、直辖市均涉及该类煤层开采,在中西部地区储量丰富、产量大、生产集中程度高。在赋存条件上呈现出多样性与复杂性,不同区域成煤时期不一,构造控煤过程迥异,形成了多样且复杂的开采条件,催生了不同的开采技术要求。大倾角煤层开采的技术难度大。煤层倾角导致采场围岩运动破坏呈现非对称性显现特征,支护系统稳定性控制与“三机”配套与协同、采准巷道布置与支护、工作面“人-机”环境安全保障等工作的难度显著加剧,严重制约了矿井安全高效开采。大倾角煤层开采的区域经济需求强,该类煤层赋存与生产较集中的区域多见以煤炭工业为主的资源型城市,经济结构相对单一,煤炭资源安全高效开发利用对区域能源保供、民生保障、经济保稳具有兜底作用。长期以来,大倾角煤层开采技术变革聚焦于解决“难”与“需”的矛盾,在采煤方法与工艺、岩层控制理论与技术、成套装备研制与应用3个方面不断完善、创新、发展,实现了由非机械化向机械化开采的转变,安全产效水平大幅提升,人员劳动强度大幅下降,作业环境显著改善。20世纪90年代中期,川煤集团绿水洞煤矿首次成功实现了大倾角中厚煤层长壁综采,冲破了大倾角煤层机械化开采技术“禁区”。在此示范作用下,大倾角厚煤层长壁综放开采、大采高综采、薄煤层伪俯斜长壁综采三项首创性工程实践先后取得成功。这一过程中创新了工作面非线性限位布置与调斜方式,确立了“支架-围岩”系统稳定性多维交互控制模式,研发了工作面成套装备,取得良好收效,综合机械化开采技术适用范围进一步拓宽。与此同时,大倾角煤层开采仍存在许多亟待突破的关键科学问题与技术瓶颈,导致自动化、智能化水平提升与近水平/缓倾斜煤层相较仍存在较大差距。需进一步强化倾斜层状煤系地层煤岩体采动力学行为研究,揭示其对采场围岩灾变的控制机制,并实现量化表征;需进一步阐明岩体承载结构-采场装备群组系统间的多维动态作用过程与规律,完善装备与围岩多维动态多目标协同控制理论与技术基础,实现技术转化应用。在科学问题取得突破的基础上进行采煤方法、回采工艺、岩层控制、成套装备的系统性技术创新与研发,破解大倾角煤层开采安全-产效双提升的制约技术瓶颈,使大倾角煤层综合机械化开采倾角上限在有可靠技术保障的前提下向上延伸(扩展),为实现自动化、智能化开采奠定基础。

浅埋近距离煤层工作面过平行煤柱开采强矿压显现规律

浅埋近距离煤层工作面过平行煤柱开采容易发生强矿压压架事故,严重影响工作面安全高效开采。以榆家梁煤矿43207工作面和石圪台煤矿2^(-2上)102及2^(-2上)103工作面为背景,采用理论分析、物理模拟和现场实测相结合的方法,根据间隔岩层厚度和煤柱应力传递影响角,提出了过煤柱阶段划分判据,重点分析了不同间采比G、水力压裂程度条件下,过平行煤柱不同阶段的矿压显现特征。结果表明:由于上覆遗留煤柱及倒梯形覆岩结构的作用,导致煤柱影响阶段来压时支架平均载荷最大,进煤柱阶段次之,出煤柱阶段最小,强矿压位置主要集中在出煤柱影响阶段范围;间采比越小,工作面过煤柱采动期间来压时支架平均载荷越大,间采比G=5.5较G=10在进煤柱阶段、煤柱影响阶段和出煤柱阶段分别增大14.6%、14.2%和23.5%,动载效应越明显;间采比对周期来压步距影响不大,总体上煤柱影响阶段的周期来压步距是进出煤柱阶段的1.6~2倍,周期来压步距越大造成顶板悬伸长度增大,导致工作面来压时支架载荷明显。根据过煤柱阶段不同水力压裂范围的矿压规律分析,压裂后的支架平均载荷较未压裂减小11.2%~15%,来压步距减小7.8%~20.3%,水力压裂效果较明显,可有效地降低工作面过煤柱采动的强矿压风险,为类似开采条件的强矿压控制提供借鉴意义。

我国煤火灾害防治技术研究现状及展望

为了给我国煤火灾害防治技术发展提供决策参考,介绍了我国"十二五"期间煤火灾害防治科技发展的基本现状、新特点和主要研究进展,结合当前煤火灾害现状和煤炭工业发展形势,提出了未来煤火灾害防治科技发展的重点研究领域;阐述了研究煤自燃机理、科学评价煤火环境影响、准确探测火源位置、提高治理效率等仍是煤火研究中的关键科学问题;系统论述了煤自燃机理、监测探测与预警技术、防灭火材料技术与装备、鉴定与评价方法、煤田火灾防治等研究领域的重点发展方向。煤火灾害防治技术的健康可持续发展对于保障煤炭安全生产、推动煤炭工业可持续发展及促进生态环境保护具有重要意义。

西部生态脆弱区地表开采损害特征

为进一步揭示西部生态脆弱区地表开采损害特征形成的机理,在分析影响生态脆弱区地表开采损害特征主要因素(开采深度、开采高度、基岩厚度、载荷层厚度以及坡体自身稳定性)的基础上,研究生态脆弱区厚松散层薄基岩、黄土沟壑及山区丘陵下煤层开采的地表损害特征,并以基采比(基岩厚度与开采高度之比,JC)和基载比(基岩厚度与载荷层厚度之比,JZ)为关键参数,揭示生态脆弱区煤层开采损害特征形成的机理。研究结果表明:以基采比和基载比为基础,结合坡体稳定性引起的附加量,能够有效地分析西部生态脆弱区的开采损害特征,为进一步揭示该区域煤层开采地表损害特征的形成机理提供了依据。

开采扰动区变尺度采空区覆岩介质动态损伤实验

尝试利用非均匀围岩介质动态损伤声发射(Acoustic Emission,AE)总事件、能率、时间、空间结构参数、变形与应力尺度演化过程,进行不同尺度开采推进形成的采空区围岩介质损伤统计与宏观动力失稳时-空关系对比分析,找出采空区动力失稳预警量化依据.

急斜煤层浅转深综放开采煤岩动力灾害诱发机理

中国煤炭资源深部开采已成为常态。依托急倾斜煤层开采为工程背景,构建考虑水平分段综放开采影响的浅转深开采组合梁模型,引入应力差异系数(α)表征浅转深开采煤岩体应力状态特征,分析地表大尺度裂隙与工作面相对空间层位关系,揭示急倾斜煤层浅转深开采煤岩体动力灾害诱发机理,对指导急倾斜煤层深部开采具有重要意义。研究表明:通过全景智能钻孔图像信息辨识揭示了急倾斜煤岩层纹层角与倾斜层理方向基本一致,说明煤岩层处于强压缩构造状态;浅转深开采应力差异系数呈非线性增长,确定临界开采α为0.4;急倾斜煤层浅转深开采动力灾害诱发实质为水平分段多阶段重复扰动下覆层结构失稳产生循环性动力冲击。

冲击地压矿井不同采动强度下的开采扰动特征及其产能

开采扰动是导致深部煤岩体发生变形、冲击、失稳的根本原因,而开采扰动特征与采动强度密切相关。进入深部开采后,冲击地压矿井数量随采动强度的增大而不断增多,研究冲击地压矿井不同采动强度下的开采扰动特征,进而根据采动煤岩力学响应特征确定合理的采动强度对冲击地压防控具有重要意义。以典型冲击地压矿区彬长矿区为例,利用数值模拟及理论分析根据不同采动强度下煤岩采动应力、能量释放及覆岩垮落结构特征,分析了不同推进速度、不同采厚下的开采扰动特征,评估了不同采动强度时采动煤体的冲击危险性,并探讨了开采扰动特征在矿井产能调控及开采方法优选等方面的应用。研究结果表明:(1)煤炭年产量与冲击地压矿井数量呈正比例关系,且深部矿井发生冲击地压的可能性明显高于浅部矿井;(2)整层开采的顶底板应力、超前支承压力及冲击危险性均大于分层开采,且前者存在明显的应变能峰值前移现象;(3)工作面采厚增加将会引起关键块的回转角及断裂度增大,提高了滑落失稳及回转失稳的可能性,推进速度加快将会提高回转失稳的可能性,更易诱发上覆岩层破断及能量大量释放,从而提高冲击危险性;(4)揭示了不同采动强度下的深埋煤层工作面的开采扰动特征,提出了根据不同采动强度下的开采扰动特征反向确定矿井合理的采动强度,进而确定矿井产能的方法,并基于开采扰动特征优选了孟村煤矿开采方法,为指导矿井冲击地压灾害防治提供了科学依据。

开采扰动区断层采动活化诱发岩体动态变形模型实验

开采扰动区断层采动活化是诱发动力学灾害的典型难题之一。断层采动活化诱发岩体动态变形规律研究是揭示煤岩体结构、应力与力学行为对灾害控制作用的基础前提。通过对物理相似模型实验和声发射、应力与变形指标监测,揭示开采扰动区断层下盘、断层附近及断层上盘随工作面推进覆岩运移和矿压显现规律。实验研究表明:断层存在破坏了煤层顶板及上覆岩层的整体连续性,工作面矿压及上覆岩层垮落规律表现异常,断层极易活化,滑移现象明显;断层活化诱发上覆岩层发生整体切落,对工作面前方煤体产生很高的集中应力载荷,易诱发动力灾害。这为采动岩体动态断裂失稳和突水等灾害预报与调控提供理论依据。

西部采矿工程专业特色实验教学示范平台建设实践

针对目前西部矿业高级专门应用人才急需的现状,提出加强实践教学环节,全面推进采矿工程专业人才素质教育。依靠省级重点学科特色优势,通过构建特色实验教学示范平台、改革教学体系、改善教学方法等措施,在特色实验教学示范平台建设方面进行了深入探讨和实践;结果表明以采矿工程专业为主体进行的实验教学改革,在培养创新精神和创新能力方面效果显著。

大倾角多区段开采顶板运移及其采空区充填规律实验研究

为了研究大倾角煤层多区段开采围岩运移规律,采用物理相似模拟实验方法,分析了大倾角煤层多区段采场顶板和煤柱变形破坏规律、底板应力分布及演化规律、垮落矸石充填特征等。结果表明:大倾角煤层多区段开采围岩运移规律不同于单区段开采,下区段采动导致上区段采场倾向中、上部垮落顶板出现二次下沉和滑移,顶板运移曲线呈现沿倾斜方向“上大下小”的双峰特点,垮落顶板非均匀充填导致采空区底板应力沿倾向呈现出中部>下部>上部,下区段采动导致上区段采空区中部底板应力显著增加。下区段开采致使区段煤柱上、下两侧非对称受载并发生破坏,引发了煤柱-上区段采场煤岩体的连锁运动;区段煤柱支承压力从上区段开采时的“W”型分布变为下区段开采时的“V”型分布,增载系数达到4.9.研究可为大倾角煤层多区段围岩控制提供了理论指导。

高校实验室跨学科科研团队建设

建设跨学科科技创新团队,其理论和实践仍处在探索之中。如何加强跨学科科研团队建设,完善团队运作机制,提高团队绩效,已经成为高校重点实验室科研管理的重要内容之一。就高校重点实验室在跨学科科研团队建设中存在的一些具体问题进行分析,并提出了相应建议。

深部矿井大采高大比例相似模拟实验复杂性探析

随着深部矿井综采技术的发展,对近水平厚煤层走向长壁综采工作面的研究已势在必行,然而深部矿井大采高、大比例相似模拟实验却异常复杂难做,存在垮落步距大、冒落高度大、垮落体易破坏、工作面支架移架困难以及埋深难以模拟等一系列复杂性,对其复杂性进行探析具有一定的意义。

基于相空间重构与深度学习的冲击地压矿井时间序列b值趋势

冲击地压是制约煤炭安全高效开采的重大灾害之一,实现冲击地压的智能化预警是保障煤矿智能安全开采的关键路径。b值作为监测冲击地压的有效指标,掌握矿井开采过程中b值演化趋势对冲击地压的及时预警具有重要意义。为此基于相空间重构(PSR)与深度学习提出了对矿井开采中时间序列b值的短期预测方法,运用相空间重构技术将卷积神经网络识别及降噪后的b值映射到高维空间,混合遗传算法(GA)优化的长短期记忆网络(LSTM)学习高维数据特征构成b值预测模型(PSR–GA–LSTM)。实例结合冲击地压矿井宽沟煤矿W1123综采工作面,计算了降噪后b值的重构参数且实现了数据的重构。评价了不同模型的预测性能并对最优预测模型进行了实例分析。研究结果表明:时间序列b值经过降噪技术处理后,能增强模型对于b值趋势特征的学习能力和降低噪点对于冲击前兆信息的干扰;时间序列b值经过相空间重构及长短期记忆网络的超参数得到优化后,模型的预测精度能得到明显提升;较其他模型相比PSR–GA–LSTM的残差波动范围最小稳定在0.005以内,其误差(RMSE)、平均绝对误差(MAE)和平均绝对百分比误差(MAPE)分别为0.00151、0.00133、0.29%都低于其他模型;PSR–GA–LSTM模型经过时间序列b值训练后,所预测的b值趋势蕴含着冲击前兆信息,能预先对冲击事件的发生提供b值预警指标。该模型对于匀速推进的冲击地压矿井b值趋势发展有着较好的预测能力,所用方法可为在冲击地压时间上演化发展的预测预警研究提供借鉴与参考。

实验室测量甲烷绝对吸附量的误差研究

为了研究实验室测定煤的吸附量的准确性以及存在的误差,依据实验室测定煤对甲烷吸附量的原理,将实验室测得的吸附量设定为超额吸附量,煤对甲烷的绝对吸附量为真实吸附量,采用了理论分析和实验相结合的方法展开分析。通过对比超额吸附量和绝对吸附量之间的关系及修正后的吸附等温线模型,发现吸附等温线在压力较大时出现分离,超额吸附量对应的等温线明显低于真实吸附量。随着压力的增大,甲烷越接近超临界状态,游离相密度增加的更快,该趋势更加明显。经实验测定的超额吸附量和绝对吸附量进行误差分析发现,压力越大,绝对吸附量和超额吸附量的差值和误差越大。

急倾斜巨厚煤层群难采资源开采的覆岩破断与能量释放规律

针对急倾斜巨厚煤层群难采资源的安全开采问题,采用物理模拟实验与理论分析方法,对急倾斜巨厚煤层群不同开采工艺产生的覆岩变化、破断高度、微震能量等特征进行了分析与对比,推导了急倾斜巨厚煤层坚硬顶板破断积聚能量的理论计算公式,并由不同开采工艺的对比分析结果为急倾斜巨厚煤层群向深开采的方案设计提供思路。研究结果表明:急倾斜巨厚煤层群水平分段综放开采的中间岩柱集中破断形成岩柱与上部煤层顶板的联动效应,容易引发冲击地压等的动力灾害事故;走向长壁开采中区段煤柱的强支撑作用,使得急倾斜巨厚煤层群向深开采过程中覆岩破断高度与范围的增幅较小。通过构建急倾斜巨厚煤层坚硬顶板破断力学模型,推导得出急倾斜巨厚煤层坚硬顶板破断积聚能量计算公式。急倾斜巨厚煤层群采用走向长壁的累计微震能量24.28×10^(5)J,较水平分段开采的累计能量小15.67%。水平分段综放开采过程中,单次开采的平均能量比走向长壁开采较低,且避免了煤柱留设时煤炭资源的浪费。顶板破断的能量不充分释放,容易造成其下次破断能量释放的峰值效应,且中间岩柱大范围集中破断容易对矿井的安全生产带来挑战。基于节约矿井资源的同时又能避免大范围覆岩集中破断的理念,建议在原有水平分段综放开采与顶板弱化调控基础上,增加对顶板与中间岩柱的弱化程度,避免岩柱大范围集中破断带来的矿井安全生产问题。研究结果为急倾斜煤层复杂条件矿井资源的有效利用与安全开采提供了参考。

巨厚强冲击倾向性煤层高强度开采特征与高强度开采定义

工作面开采强度过高易诱发冲击地压等动力灾害,探讨工作面合理的开采强度已成为冲击地压矿井安全高效开采亟待解决的关键。以准东二矿巨厚强冲击倾向性煤层首分层1101综放工作面为背景,采用理论分析及物理相似模拟实验相结合的综合分析方法,对不同开采强度下覆岩采动应力、能量演化规律展开分析,并评估了不同开采强度下煤岩体冲击危险性,确定了工作面合理的开采强度,得到冲击地压矿井高强度开采特征并对其进行定义,同时提出冲击地压矿井高强度开采调控模式。研究结果表明:(1)随工作面开采强度的提高,采动应力、应力集中系数、周期来压步距均随之稳步提升;微震能量随之逐渐增大,大能量积聚范围也随之逐渐增大;工作面冲击危险性也随推进速度逐渐增大,其冲击危险性指数I_(m),微震能量Er均与开采强度呈正相关性,微震b值则表现出负相关性,综合分析认为1101工作面推进速度不应大于8 m/d;(2)冲击地压矿井高强度开采不是一种外在的开采强度,而是综合反应应力、能量、冲击危险性的一种力学状态,并由其特征参数决定,并将推进速度大于8 m/d、来压步距与推进速度的比值小于1、冲击危险性指数I_(m)>3,微震单次能量大于214.38 J、微震b值小于0.7定义为准东巨厚煤层高强度开采特征指标;(3)提出防控冲击地压矿井高强度开采的关键在于调控工作面的开采强度,对未达到高强度开采矿井,在保证安全高效开采前提下,通过调节推进速度增产增效,释放优质产能;对已达高强度开采矿井,通过改变工作面推进速度,进而改变采场围岩应力、能量分布特征,改善工作面煤岩体冲击危险性,保证矿井安全高效开采。

深部充填矿井的矿床-地热协同开采方法探索

为了降低深部矿井充填成本,缓解热害,实现深部矿床和地热能的经济有效开发,提出了一种基于深部充填矿井的矿床-地热协同开采方法。该方法基于矿山功能性充填的学术理念,将矿井充填、热害治理与地热开采3者结合起来,利用埋管采热技术变矿井热害为地热能商品以冲抵充填成本和降温成本。构建出矿床-地热协同开采的总体方案和协同体系,提出矿床与地热开采、采场降温与地热开采以及充填体养护与地热开采3种基本协同模式,实现在治理矿井热害或开采深部矿床的过程中同步开采地热能。以上向分层充填方法为例,从时间、空间、环境和工艺4个维度阐述了矿床开采、空区充填、地热开采3个子系统之间的基本协同原理和机制,充分发挥其在不同阶段的协同增效作用,提高开采效率,降低开采成本。在理论模型方面,构建了充填体埋管换热三维数值模型和地热资源评价模型,给出采热阶段和热恢复阶段的关键控制方程以及地热资源评价指标。利用建立的模型估算了充填矿井地热能潜在利用价值,结果表明围岩温度为45℃时,尺寸为3000 m×20 m×105 m的充填采场能够以每年257.8~377.2 kW的功率为热泵系统连续提供热能(15.0~17.5℃)5.6个月,总计1.2 GW·h,确保热泵系统在寒冷冬季高效稳定地产出50℃热水,实现4600~6855 m 2办公楼的冬季供暖。矿床-地热协同开采技术在深部充填矿井的应用实现了深部矿床开采、空区治理、固废处置与可再生地热能开发的有机融合。