深井不同层位底板岩巷与煤巷相互影响研究

深井煤巷掘进突出危险性高,布置底板岩巷条带预抽煤层瓦斯是降低煤层瓦斯压力、掩护煤巷安全掘进的有效方法。底板岩巷的层位布置及其与上部煤巷之间的相互影响是值得研究的问题。本研究通过数值分析方法,以首山一矿为工程背景,基于采面地质条件建立了离散元数值模型;根据巷道掘进先后关系,从岩层应力变化、围岩变形、损伤分布分析了不同垂距下底板岩巷与上部煤巷之间的相互影响。研究结果表明:底板岩巷对上部煤层有一定的卸压作用,随着两巷垂距的增加,煤体应力降低幅度减小;煤巷掘进对底板岩巷围岩变形有较大影响,增加垂距会降低影响程度;底板岩巷的围岩损伤受底板岩巷层位选择的影响较大,损伤区域主要发生在软岩层、薄岩层附近。首山一矿工作面最终确定底板岩巷与煤巷的垂距为12 m,现场考察结果表明此垂距下底板岩巷和煤巷稳定性良好。

远距离斜交工作面上行开采上组煤垂直应力演化规律

为探究平煤八矿远距离煤层群斜交工作面上行开采过程中上组煤层垂直应力演化规律,采用数值模拟计算的方法展开研究。研究结果表明,己_(15)-21030工作面回采过程中与上覆戊_(9.10)-21070工作面依次形成相离、相交和重叠的空间关系,因此会使上组煤层应力增高或降低。相离区域为应力升高区,受下组煤采动影响应力整体呈升高趋势,应力集中系数最大为1.18;相交区域为卸压过渡区,戊_(9.10)-21070工作面应力由增压变为卸压,最大卸压值较原始应力降低了25%,倾向卸压影响范围为55 m;重叠区域为卸压区,受己_(15)-21030工作面采动影响卸压效果及卸压范围均进一步增大,最大卸压值较原始应力降低了40%,倾向卸压影响范围增大至180 m。将戊组煤层戊_(9.10)-21070工作面根据应力分布云图依次划分为增压区、应力过渡区、卸压区和稳定卸压区。通过现场瓦斯含量测试验证了卸压区残余瓦斯含量比原始区域残余瓦斯含量降低32.9%,远距离煤层群上行开采形成卸压区有利于瓦斯治理工作的开展。

平顶山地区煤矸石资源化利用途径探索

煤矸石是煤炭开采、洗选加工过程中产生的固体废弃物,也是可利用的资源;平顶山地区作为我国主要的产煤区之一,每年副产大量的煤矸石,长期堆放,对环境产生不利影响,开展煤矸石的资源化利用研究十分有意义;从煤矸石的组成和物理性质方面探讨了可能的利用途径。

煤层气开发对水资源的影响及其防护措施

随着鼓励煤层气开发政策、规划的逐步实施,我国的煤层气产业也必将不断发展和壮大。然而,煤层气开发对人类的生存环境有着很多负面的影响,诸如噪声污染、大气污染和水污染等方面。其中,由于我国为缺水国家,煤层气开发对于水资源的影响应该尤为引起关注。煤层气的开发可能污染地表水和地下水、降低地下水位、影响水生态环境、侵蚀土壤等。分析了煤层气开发对于水生态环境和水资源造成的不良影响和破坏,通过分析和探讨,提出了相应的对策和措施。

煤-热共采模式下矿井地热水开采及智能调度技术研究

为响应我国“碳达峰、碳中和”战略目标,实现能源绿色清洁转型,开发深部矿井地热资源具有重要意义。以平煤十矿为背景,利用热储体积法,评价了矿区地热水开发潜力,结果显示矿区地热水蕴藏热能7.63×10^(17)J,折合标煤26.1 Mt,动态地热流体可采量折合标煤1.01 Mt/a,具有较高开发潜力。基于此,在煤-热共采理论及框架的基础上,提出了矿井地热水开采方法,并提出了一种基于地面热负荷的地热水开采智能调度技术。通过计算矿区热负荷,设计了矿井地热水开采方案,并进行了现场工业性实验。实验结果表明,开发利用矿井地热水可满足平煤十矿矿区17万m^(2)的冬季供暖及7000余名职工日常洗浴,同时可减少燃煤约10327 t/a,折合CO_(2)排放量2.69×10^(4)t/a,为企业带来693.8万元的经济效益。因此,深部矿井地热水开采具有良好的安全效益、经济效益、社会效益与环境效益,可为我国“双碳”目标的实现贡献力量。

深部煤层不同类型隐伏构造致灾规律研究

深部开采过程中,矿井地质类型复杂,在“三高一扰动”条件下,隐伏构造附近极易引发煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害。为明确隐伏构造诱发动力灾害的机制,以平煤股份八矿为工程背景,数值模拟研究了不同采掘方向正、逆断层及两者同时存在时的应力-应变演化特征及致灾规律,分析了不同隐伏构造对掘进头的影响。结果表明:掘进遇单一断层,应力-应变集中在工作面前方及断层内部,掘进遇正断层更易产生应力集中,且应力集中区域范围更大,在同等掘进距离下,逆断层主应变略大于正断层;随着掘进距离的增加,当掘进距离增加至15 m时,应力-应变集中区逐渐重合,最终在断层区域形成应力-应变叠加区;掘进遇多断层,应力集中在工作面前方、两断层之间的构造煤上。遇正-逆断层、逆-正断层,叠加应力-应变分布特征表现出差异性,遇正-逆断层,叠加应力-应变主要分布在正断层附近,而遇逆-正断层,两断层之间构造煤中应力-应变也显著增加。逆断层及逆断层主导的多隐伏构造附近,应变能增长速率更大,更有利于应变能积聚,煤与瓦斯突出危险性增加。在采动应力、断层构造应力及煤岩体中的静应力三者的共同作用下,最终引发煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害。多隐伏构造较单一构造更易产生应力集中,煤岩动力灾害危险性增加。

基于瓦斯治理-抽采-利用一体化的深部突出矿井安全绿色开发模式与示范工程

分析了深部突出矿井在瓦斯治理与循环利用中存在的主要问题,总结了瓦斯治理、瓦斯抽采、瓦斯利用及热害治理方面的发展现状。以首山一矿为例,提出了瓦斯治理-瓦斯抽采-瓦斯发电-集中制冷-热害治理的闭环系统构架,以实现深部突出矿井的安全、高效、绿色开发。研究了首山模式下大采高单一低透突出煤层“一面多巷”瓦斯综合治理技术,研发了分源网络化瓦斯立体抽采技术与动态调控技术,实现了瓦斯治理与抽采的高效协作;分析了瓦斯发电设备与制冷设备联合运行过程,实现了深井热害的有效治理。建立了首山一矿发电并网示范工程与矿井降温示范工程,实现了瓦斯资源综合治理与循环利用的统一,形成了深部突出矿井的安全、高效、绿色开发模式,可为国内类似矿井开发提供借鉴意义。

基于极薄保护层开采的深部煤层绿色开采综合技术

随着煤炭开采进入深部,煤与瓦斯突出对安全生产的危害更为严重。保护层开采是目前广泛使用地、最为行之有效的煤与瓦斯突出防治措施。本文提出了一种基于极薄保护层开采和煤矸石回填的深部煤与瓦斯共采的绿色煤炭开采综合技术,并将其应用于平煤股份十二矿,提高了煤层瓦斯抽采率,减少了温室气体排放;煤矸石回填不仅提高了煤炭质量,减轻了运输系统负担,降低了煤炭开采后地面沉降。

高灰熔点烟煤的分质利用技术研究

以河南平顶山矿区拥有气煤、肥煤、焦煤到无烟煤的多煤种为例,通过对不同煤层煤样的分析,发现主炼焦煤灰分低、结焦性好,非炼焦煤种硫分高、灰熔融性高,提出了优先生产炼焦精煤用于焦化工业,扩大中国炼焦煤资源;高硫和高灰分烟煤采用水冷壁气流床气化生产合成气;中煤、煤泥、矸石以及劣质煤,用于循环流化床燃烧发电;粉煤灰用来生产建材的煤炭分质利用路线,为煤炭清洁高效利用提供实施案例。

平顶山矿区煤层气资源量计算及有利区块优选

结合平顶山矿区瓦斯地质规律的资料,根据矿区瓦斯含量的分布规律及相应构造差异,对平顶山矿区进行了区块划分,利用煤层气资源估算体积法对矿区各组主采煤层煤层气资源量进行计算,并对矿区煤层气资源进行有利区块优选,其研究结果为平顶山矿区煤层气资源的开发及利用提供依据。

选煤行业相关国家标准现状与建议

针对选煤行业标准体系存在归口单位多元化、顶层设计缺乏、标准国际化不足、制修订时效性不佳、煤炭企业参与度低、标准化人才与标准宣贯欠缺等问题,对现行选煤行业相关国家标准进行了归纳和总结,通过分析目前现行国家标准体系建设情况,探讨了未来选煤行业标准化工作的对策,建议进一步重视标准体系建设,助力选煤工艺技术和洗选产业的提质增效、转型升级。

煤炭洗选相关国家标准分析

推进煤炭清洁安全高效利用是实现能源供给侧改革的重要支撑。加强煤炭洗选加工,提高煤炭洗选比例,是煤炭行业实现绿色发展和高质量转型的必然途径。检索并总结了煤炭洗选相关的现行国家标准,探讨了标准在煤炭洗选产业发展中存在问题与对策。建议进一步重视标准体系化建设,保障煤炭产业的规范发展、提档升级。

平顶山矿区深部动力灾害防治与资源绿色开采

中国平煤神马集团开采的平顶山矿区是我国煤矿深部开采的典型代表,历经70 a的发展,集团始终坚持以科技力量引领生产,以技术装备保障安全,对瓦斯的认识不断深化,走过了“被动防、主动治、绿色用”三大阶段,动力灾害监测预警技术能够超前研判灾害发生概率,预测不发生动力灾害准确率达到100%,发生动力灾害准确率达80%,使瓦斯灾害可防可控;低渗煤层瓦斯的高效增透抽采技术使瓦斯治理周期由24个月缩至8个月,吨煤瓦斯治理成本降低了60%;瓦斯“抽采—发电—制冷”一体化绿色开发利用技术有效降低巷道温度5~10℃,瓦斯抽采浓度提升到50%,保障了矿井冬季取暖和夏季制冷,日均节省用电消耗6万kW·h,既消除了瓦斯威胁,使矿井瓦斯变害为宝,又保障国家煤炭供应安全,符合“双碳”目标的发展需求。未来,集团将以深部动力灾害的防治为基础,积极推进煤炭转型绿色利用,构建以炼焦煤资源安全开采、高效分选、绿色转化的产业化道路,推进企业快速转型升级,打造领跑行业的科研创新平台,保障国家能源供应安全、紧跟社会经济发展步伐。

软弱厚煤层“三沿”布置技术应用研究

软弱厚煤层工作面掘进回采巷道,通常采用沿底掘进,存在冒顶风险,且不易推广无煤柱开采。针对煤层厚度变化和煤层软弱的特点,提出一种“三沿”技术,即利用煤层顶板较为坚硬的特点,采用主动锚网索支护的方式进行回采巷道的“沿顶掘进”,使用定向预裂爆破技术实现切顶卸压“沿空留巷”,以及采用“主动锚网索+木垛+U型钢支架”的支护方式进行超前卧底形成超高巷道来实现煤炭最大程度的“沿底回采”。根据工作面开采动压影响和切顶卸压原理,在距离工作面不同距离范围内分别设计了6个阶段的动态支护参数。工程实践表明,沿顶掘进有利于巷道稳定和沿空留巷技术的应用,同时能够最大程度地回收煤炭资源。该技术解决了软弱厚煤层沿底掘进巷道支护困难、留设煤柱浪费资源等问题。

受采空区和煤柱影响巷道支护技术应用研究

针对受采空区和煤柱影响巷道的稳定性问题,采用FLAC3D数值模拟的方法,对采空区巷道受2次采动和不同宽度煤柱影响下围岩的变形特征及应力分布规律进行研究,基于耦合支护技术提出了具体的支护方案。结果表明,底板岩层的应力分布受邻近采空区和煤柱叠加应力的影响,煤柱到采空区80 m范围内底板岩层受到剧烈影响,最大应力集中系数为3.9;当煤柱宽度增大时,巷道围岩塑性区随之减小。根据巷道的破坏特征及应力分布规律,提出“高强锚网索+浅深部围岩分次注浆加固+喷浆”分层耦合支护技术参数,在现场得到了成功应用。

近全岩保护层开采煤矸井下分选及充填一体化技术研究与应用

结合平煤十二矿深部突出矿井的地质特点,针对己15突出煤层需要卸压开采但不具备常规保护层的问题,提出了近全岩保护层开采理论,将仅含煤线厚夹矸的全岩或近全岩层设计为保护层;针对高夹矸煤一次采全高设备损坏率高的难题,通过硬岩辅助预裂爆破软化处理工艺实现了煤岩快速截割。其次,鉴于近全岩保护层开采过程中矸石产量大的问题,平煤十二矿结合现场实际工况合理高效地布置了煤矸井下分选系统,研发了适用于千米深地煤矿井下洗选一体化设备,实现了矿山灾害防治和矿山安全高效生产。最后,采用阻化剂对矸石进行阻化处理,研究了井下充填工艺与方法,形成了深部突出矿井的安全、绿色开发模式,对我国同类矿井的开发具有一定的参考价值。

煤巷中不同截割部位对粉尘运移扩散规律的影响研究

为了解决煤巷掘进过程中粉尘产量大,降尘难度大且截割部位空间狭小的问题,基于κ-ε两方程湍流模型,采用CFD数值模拟的方法,建立了煤巷巷道全尺寸模型,研究了煤巷不同产尘部位粉尘的运移扩散规律。结果表明:在掘进头和掘进工作面之间,由于掘进机的存在,产生了涡流区和回流区;在这些风流的综合作用下,当靠近顶板的截割部位产尘时,巷道内粉尘浓度远高于其他部位;在进行干式除尘时,风流携带粉尘积聚在风筒的另一侧。

微扩层改性对煤基石墨微观结构和储锂性能的影响

以自制煤基石墨为前体,浓硫酸为插层剂,高锰酸钾为氧化剂,采用液相氧化插层-热处理工艺对煤基石墨进行微扩层改性处理,制备出微扩层煤基石墨。利用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、拉曼光谱测试、低温氮气吸附和X射线光电子能谱等手段分析不同微扩层煤基石墨的微观结构,并测试其用作锂离子电池负极材料的电化学储锂特性,系统研究微扩层改性对煤基石墨微观结构和储锂性能的影响。研究表明,微扩层改性处理不仅可增加石墨微晶片层的层间距,还可以在石墨基体中引入纳米孔道和C==O、C—O—H及C—O—C等含氧官能团。氧化剂用量是影响微扩层煤基石墨微观结构的重要因素。通过调节氧化剂用量可实现微扩层煤基石墨微晶层间距、纳米孔道和表面官能团等微观结构的有效调控。当氧化剂用量为煤基石墨的0.30倍时,微扩层煤基石墨的层间距为0.3374nm,其纳米孔道主要由1~2nm微孔和2~6nm中孔组成,比表面积为24.6m^(2)/g,且富含C==O、C—O—H及C—O—C等含氧官能团。微扩层煤基石墨用作锂离子电池负极材料展现出优异的电化学储锂性能,其在0.1C低电流密度下的可逆比容量最高可达511.1mAh/g,在5C高电流密度下为348.7mAh/g,且经300次循环充放电后,其比容量仍可维持在313.3mAh/g,容量保持率为89.9%,综合性能远高于煤基石墨。微扩层煤基石墨优异的电化学储能特性与其微观结构中富含石墨微晶片层、纳米孔道和含氧官能团等密切相关。

大采长倾斜煤层工作面矿压分析及煤壁片帮控制技术研究

针对平煤股份十矿深部大采长倾斜煤层开采过程中出现的矿压显现剧烈、煤壁片帮严重等制约工作面安全高效生产的难题,以该矿己15-16-24070工作面为工程背景,从倾斜煤层开采过程中基本顶岩层来压步距和工作面采场应力集中分布进行分析,得到矿压呈现出自上而下逐渐变小的趋势,中部来压较为剧烈,确定煤壁易片帮区域。提出采用智能供液系统提高液压支架初撑力管理水平、对煤壁注水提高煤体塑性的采煤工作面煤壁防片帮方案,并在现场工业性试验中取得了较好的效果,回采速度由原来的圆班推进2~3刀提高到6刀以上,对于类似条件下采煤工作面煤壁片帮治理具有较好的指导和借鉴意义。

焦炉炭化室炉顶盖节能技术开发与应用

传统焦炉炭化室炉顶盖均为铸铁实心,笨重且传热快,导致炉顶区的温度过高、生产人员工作量加大、工作环境恶劣且整体热利用率低。为解决此难题,技术团队开发出了HB型炭化室炉顶盖,在多家焦化企业的大型焦炉炉顶进行了长周期使用。结果表明,焦炉更换新型炭化室炉顶盖后,其外表工作温度较原有产品降低超过100℃。每年为焦化企业节能降耗创造的直接经济效益达到上百万元,并且有效减少了煤气外逸,显著降低了VOCs治理难度,同时提升了炭化室顶部焦炭质量。另外,改造后的焦炉炉顶环境明显改善,提升了生产人员的健康保护水平,实现了节能、环保、高效的综合效益。