厚硬岩层结构调控低损开采方法及机理研究

为探究厚硬岩层采动结构对上覆岩层下沉破坏影响及新的低损开采方法,采用相似模拟、离散元数值模拟方法分析了厚硬基本顶采动破坏结构演化和堆积特征对覆岩下沉破坏的影响。相似模拟及数值模拟结果均表明,随采随垮的直接顶岩层和周期性破断的厚硬基本顶分别呈现小块度破坏杂乱堆积和大块度破断整齐堆积;受采动结构特征影响,直接顶岩层采动破坏产生的体积膨胀显著大于厚硬基本顶。根据模拟得到的采动岩层破坏堆积特征构建了厚硬基本顶条件下采动覆岩下沉计算模型。根据采动作用下随采随垮直接顶岩层采动破坏膨胀量显著大于周期性破断厚硬基本顶的规律,提出对厚硬基本顶进行采前大规模水力压裂并借助采动超前支承压力进一步破坏厚硬基本顶,降低厚硬基本顶采动破坏块度,使其随采随垮、杂乱堆积并充分充填采空区以控制上覆岩层下沉破坏,实现低损开采。采用数值模拟验证了压裂弱化厚硬岩层调控其采动结构,增大采动破坏岩层体积膨胀量,降低上覆岩层下沉的有效性。提出的厚硬岩层结构调控低损开采方法可为煤矿绿色高效开采提供一定的参考。

特厚煤层综放开采合理放煤工艺参数研究

针对不连沟煤矿特厚煤层综放开采放煤工艺参数确定的合理性问题,通过实测特厚煤层单轮顺序放煤时单个支架的连续放煤时间,在倾向方向基于“大、中、小、微”放煤理念确定了“大”放煤、“中”放煤、“小”放煤、“微”放煤的循环内位置和放煤间距;在走向方向通过布置多点位移计测试了不同顶煤高度、不同循环时的顶煤运移轨迹曲线,得出在倾斜方向的顶煤移动轨迹曲线方程,确定不同放煤步距时的工艺损失。研究结果表明:单放煤口充分放煤时,工作面倾向方向影响距离6~12架,倾向单架放煤影响半径平均7.6 m;循环内两端“大”放煤、中间“中”放煤、其余“小”放煤和“微”放煤交替;本架放煤在垂高12.3 m层位的走向影响距离平均4.9 m,在垂高8.3 m层位的走向影响距离平均3.8 m,拟合确定了不同放煤步距的顶煤走向运移方程,理论得出循环步距0.8 m比1.6 m减少煤炭损失694 t。研究结果为指导不连沟煤矿特厚煤层综放开采合理放煤和提高资源回收率提供依据。

浅埋深中厚煤层预掘回撤通道支护技术研究与应用

为进一步提高综采工作面末采回撤速度、确保设备回撤空间,采用理论计算、现场试验相结合的方法对浅埋深中厚煤层预掘回撤通道支护技术进行初步研究,建立了工作面残余煤柱承载力学模型,理论分析得知残余煤柱宽度对煤柱承载性能的时空演化规律具有重要影响,末采期间残余窄煤柱出现区域性脆性破坏失稳状态是导致超前采动应力、顶板岩层断裂线前移的主要原因。现场试验末采段残余煤柱宽度约5 m时,整条窄煤柱在多重载荷作用下发生屈服,进而呈现大面积失稳破碎状态,巷内支护体承载受力急剧增加,锚索最大受力约为225 kN,最大顶底板移近量出现在通道中部靠工作面侧,约为100 mm,结果表明,采用高预应力强力锚杆(索)联合支护结构配合垛式支架外部支撑,可有效控制末采期间预掘回撤通道顶底板之间的闭合位移,为类似条件下预掘回撤通道支护提供工程借鉴。

中国煤炭开采技术及装备50年发展与创新实践--纪念《煤炭科学技术》创刊50周年

回顾《煤炭科学技术》杂志推动和见证中国煤炭开采技术及装备50年发展与创新实践的发展概况,阐述从煤矿机械化到煤矿智能化的创新历程并重点分析采煤机装备技术研发支撑煤炭开发工艺变革,综述煤矿装备智能化迭代发展并提出煤矿装备智能化发展思路。煤炭开采技术历经炮采、普通机械化开采、综合机械化开采、智能化开采4次重大技术变革,实现了煤炭生产力的巨大进步。采煤机装备研发支撑煤炭开发工艺变革,液压支架支护理论、设计方法、支架架型结构和制造技术的创新支撑实现我国液压支架产品由低端到高端的突破;采煤机制造工艺、机型适应性和监控系统等短板技术攻坚取得重大进展,采高0.8~9.0 m全系列采煤机满足我国煤矿高效生产要求,智能化水平不断提升;大运量长运距工作面刮板输送机关键技术不断突破,450 m超长工作面大运量刮板输送机可靠运行,智能变频一体机传动代替传统CST等传动,节能近30%;大运量带式输送机永磁直驱、芳纶带和无基础带式输送机结构等技术创新具有节能、可靠和智能的显著优势;电液控制和无人化智能开采控制技术快速发展,国产化SAC型液压支架电液控制系统、SAM型工作面自动化系统和SAP型智能供液系统广泛应用;“掘锚一体机+锚运破+大跨距转载”掘锚一体机系统、悬臂式掘锚护一体机+临时支护系统和TBM全断面硬岩掘进系统,解决了采掘失衡难题;智能变频节能传动支撑矿山节能,采煤机装备全面国产化创新与智能制造能力快速提升,研发的30多种煤矿机器人在陕煤柠条塔煤矿集群应用,取得良好效果。煤矿智能化技术快速迭代发展,分析了煤矿数据流分类与关联,提出了煤矿智能化总体技术架构与“分级抽取-关联分析-虚实映射”的数据处理基础理论,综述了煤矿智能化系统耦合与迭代开发进展以及煤矿智能化技术标准体系建设进展,提出包括构建以“煤智云”为基础的数据价值生态,推进复杂条件智能开采工艺与装备及煤矿机器人集群研发,建设系统智能与人文智慧融合的煤矿智慧生态的煤矿智能化发展思路,为企业高质量发展指明了技术方向。

低能量循环冲击作用下锚杆支护系统动态响应特征试验研究

为定量探究循环冲击下锚杆支护系统动态响应特征,采用自主研制的冲击试验平台对锚杆支护系统进行5 000 J能量循环冲击,并同步跟踪锚杆杆体变形、载荷、吸能及围岩破碎特征等参数信息。试验结果表明:随循环冲击次数的增加,杆体响应时间差先快速降低再缓慢增大,杆体载荷和能量吸收特征参数均先增大后下降,三者均在第2次冲击时达到极值;循环冲击下锚杆杆体晶格结构被拉伸,导致杆体抗变形能力增强,因此等能量冲击下杆体峰值变形量呈降低趋势,但杆体变形速率在第2次冲击时达到最大值;首次冲击使围岩层间空隙压实,完整性提高,承载能力增强;第2次冲击时,杆体载荷、变形及吸能特征等各项参数达到最大值;越靠近巷道表面的围岩,破碎程度越高,裂隙分布越复杂,与现场实测结果相吻合。研究成果可为优化动载巷道支护设计提供参考。

多种工况螺纹钢锚杆应力应变特征研究

针对锚杆应力应变复杂多变、难以准确实测的问题,在开展实验室拉伸测试及DIC监测的基础上,采用数值模拟分析了正常及存在缺陷螺纹钢锚杆在不同工况下杆体应力应变特征及其演化规律。研究结果表明:锚杆杆体最大应力、最大真实应变和最大塑性应变均随着载荷值和载荷类型的增加,总体上呈增大趋势;当锚杆含缺陷时,缺陷部位应力应变明显集中,而缺陷形态、位置等会影响应力应变分布。由于螺纹和横肋等结构以及缺陷的存在,杆体易产生局部应力和应变集中,塑性应变也更大。在高载荷和腐蚀等影响下,塑性应变集中处易发展成为裂纹源头,进而导致锚杆断裂失效。该研究结果可以为锚杆结构优化、状态监测和寿命预测等提供参考价值。

锚杆支护网片动载力学性能试验研究

为了合理选择冲击地压巷道锚杆支护所需的网片,通过实验室试验从网片变形、承载力、位移及吸能等四个维度对比研究机编焊接钢筋网片和钢塑复合聚酯网片的动载力学性能,得到了两种网片在冲击载荷作用下的变形破坏方式及吸能特性。研究结果表明:冲击载荷作用下,机编焊接钢筋网片和钢塑复合聚酯网片破坏变形集中区域不同,机编焊接钢筋网片以“十字”形式向中心变形,破坏主要集中在钢筋网与固定压板接触处,钢塑复合聚酯网片破坏主要集中在受冲击载荷中心部位及聚酯网与固定压板接触处;网片冲击力时程曲线可分为缓慢承载阶段、波动稳定承载阶段及衰减阶段,随着冲击载荷的增加,机编焊接钢筋网片冲击力峰值明显大于钢塑复合聚酯网片,机编焊接钢筋网片对冲击地压巷道的支护能力更强;网片位移变形随着冲击能量的增加逐渐增加,机编焊接钢筋网片可抵抗冲击能量大于5000 J,钢塑复合聚酯网片可抵抗冲击能量为2000 J。

基于地音监测技术的矿震演化规律及预警模型研究

矿震是冲击地压孕育及诱发的重要影响因素,针对煤矿矿震灾害地音预警问题,通过现场地音监测数据,对矿震发生前地音活动演化规律和前兆特征进行了分析,基于M-K趋势评估法,建立了矿震发生危险评价预警模型,并进行了效果检验和应用分析。研究结果表明:矿震发生前在生产班和检修班期间,煤岩体内应力受采动影响处于波动增长状态,导致地音活动具有“波动增长”的前兆模式;危险评价预警模型通过对地音前兆信息给出的定量评价对矿震的发生能够起到较好的预警作用。

多煤层开采煤矸互层顶板动压巷道围岩稳定性研究与控制

为了解决多煤层开采煤矸互层顶板动压巷道围岩稳定性问题,以东荣一矿为工程背景,分析18层煤回采对20煤层巷道掘进的影响。对20煤层地应力环境、顶板强度及结构进行测试,建立数值模型进行分析并得出围岩控制方案,并结合现场矿压监测数据进行方案验证。研究结果表明:上层煤回采工作面与下层煤掘进工作面的水平错距是影响多煤层开采中下层煤巷道围岩稳定性的关键因素;数值模拟结果表明,当水平错距为40 m时,20煤层掘进工作面已进入增压区,应力集中系数达到2.5,现场矿压监测显示,当回采工作面距离测站40 m,锚杆锚索受力开始明显增加;通过实施高预应力强力锚杆锚索组合支护方案,20煤层右三片下料道未发生锚杆锚索破断现象,顶板最大下沉量为182 mm,两帮最大变形量为120 mm,巷道变形量大幅度减小,围岩稳定性得到较大提高。

房柱式采煤采空区下采场动载矿压机理研究

为解决31201工作面上覆房柱式采煤采空区集中煤柱受到破坏形成动载矿压易导致下部工作面发生顶板事故的难题,对工作面地质条件及顶部采空区集中煤柱对下部工作面回采产生的影响进行分析,分析工作面过应力集中区支架循环末阻力云图可知:31201工作面矿压显现为通过集中煤柱后大范围来压>2-2煤房采低回收率区>杨树洼上坡区>其他区域。对工作面顶板动载矿压进行FLAC^(3D)数值模拟,通过模拟结果可知:诱发大面积强动载矿压原因是集中煤柱的突然破坏,上覆岩层顶板垮落及工作面自身顶板切落,使顶板载荷完全作用在支架上,造成液压支架压架事故。通过动载矿压发生机理,提出有针对性的应对措施,为后续安全回采提供依据。

双鸭山矿区井下地应力测试及其分布特征研究

采用小孔径水压致裂法对双鸭山矿区7个矿井不同水平与采区的30个测点进行地应力测试,得出双鸭山矿区整体上属于高地应力场,局部地区属于超高地应力场,最大水平主应力达到36.35 MPa,应力场以σ_(H)>σ_(v)>σ_(h)型为主;根据最大水平主应力矢量图可知,最大水平主应力方向随着矿区由北向南由N86.3°E方向逐渐转为N31.3°W方向,地应力场类型由σ_(H)>σ_(v)>σ_(h)逐渐转为σ_(H)>σ_(h)>σ_(v)。同时采用最小二乘法进行线性回归分析,得到双鸭山矿区最大水平主应力和埋深的关系方程为:σ_(H)=0.033 H+4.675;最小水平主应力和埋深的关系方程为:σ_(h)=0.017 H+3.465。分析了双鸭山矿区地应力侧压比、水平主应力差及差比、平均水平主应力与垂直主应力比值随深度变化关系,得出随着埋深增加,双鸭山矿区侧压比整体呈降低趋势、主应力差整体呈升高趋势,平均水平主应力和垂直主应力的比值与深度的关系为:k=195.59/H+0.9261。预测双鸭山矿区进入深部采区后地质构造会比较发育,岩体破坏趋势变大,巷道维护难度增加。研究结果对双鸭山矿区井巷工程设计具有重要的参考价值。

工作面液压系统流量补偿技术研究

目前工作面液压系统的优化研究对连续推进过程中液压系统压力流量特性的分析较少,对液压系统压力流量波动问题缺乏简单有效的解决方案。针对工作面快速移架需求,以张家峁煤矿2-2煤层新建大采高工作面为工程背景,采用AMEsim软件建立了单台液压支架和成组液压支架仿真模型,基于自动跟机移架中千斤顶的动作时序,对煤炭开采过程中液压支架移架推溜过程进行仿真,分析了不同数量液压支架同时动作时工作面液压系统的压力流量变化情况,指出移架过慢的原因是液压支架瞬时需液量超过泵站最大流量,同时在液压支架成组运动过程中存在瞬时需液量不足和部分时刻泵站供液能力过剩的矛盾。针对液压系统间歇性大流量需求,提出了基于蓄能器的流量补偿技术,通过仿真验证了安装蓄能器后液压系统的压力波动被明显抑制,各千斤顶运动速度明显提升。在张家峁煤矿新建工作面对基于蓄能器的流量补偿技术进行现场试验,结果表明接入蓄能器后,液压系统平均压降降幅达74.1%,压力波动受到明显抑制,验证了流量补偿技术可满足液压系统间歇性大流量需求,为快速移架提供保障。

煤层水仓围岩变形破坏特征及控制技术研究

矿井永久硐室作为矿井重要设施,硐室围岩的长期稳定对于煤矿安全生产至为关键。针对益东煤矿煤层中央副水仓围岩失稳大变形难以控制的技术难题,梳理了副水仓硐室围岩现场变形破坏特征,建立UDEC数值计算模型,反演分析了原始混凝土砌碹支护下硐室围岩应力、裂隙发育程度、变形破坏特征,综合分析了副水仓硐室围岩变形破坏机理。结果表明:原始支护强度低、支护系统不协调、底板膨润土遇水膨胀是围岩大变形难以控制的主要原因。结合现场实际条件及数值模拟反演结果,提出了一种“注浆加固+锚杆、索+反底拱”联合支护技术应用于返修实践。现场监测表明:返修后45 d内,两帮收敛量最大为55.8 mm,顶底板移近量最大为46.5 mm,满足副水仓硐室安全使用要求,确保煤矿安全生产。

房柱式采空区顶板垮落冲击对下层煤开采的影响评估研究

为了研究上层煤房柱式采空区顶板失稳垮落后对下煤层开采的影响,以某矿3-1煤层房柱式采空区下5-2煤层长壁综合机械化开采条件为研究背景,采用理论分析、数值模拟、实测数据对比等手段,分别对房柱式采空区顶板垮落冲击荷载及其在底板内的影响深度、下层煤开采覆岩破坏高度进行分析,并以上层煤顶板垮落冲击荷载影响范围是否波及下层煤开采覆岩破坏范围为判据评价上层煤对下层煤开采的影响程度。研究方法及判据可为类似条件房柱式采空区下煤层下行开采影响评估提供有益借鉴。

液压支架自动跟机动态规律研究

目前针对综采工作面液压支架自动跟机问题的研究集中在基于外部环境变量来控制液压支架动作,在工作面长时间运行中无法保持很好的效果。考虑外部环境的变化最终会反映到液压系统中,提出以液压系统压力特性预测液压支架跟机动作时间。以陕煤集团神木柠条塔矿业有限公司S1204工作面为工程背景,采用AMESim软件建立了单架液压系统模型和工作面液压系统模型,通过仿真分析得到移架和推溜同时动作时推移液压缸压力、行程等参数的动态变化规律,发现工作面液压支架自动跟机过程中推移液压缸进液口压力与拉架时间呈线性关系,说明可通过进液压力预测跟机动作时间。研发了工作面液压数据采集系统并安装于试验工作面,实时获取液压支架工作过程中推移液压缸进液口压力,并计算出对应的移架时间,得出二者具有强线性相关性,与仿真结果一致。采用线性拟合方法得出进液压力与拉架时间的关系式,实现了基于液压系统进液压力预测拉架时间,提高了自动跟机的准确性,减少了人工调节率。

河下综放开采覆岩破坏发育特征实测及模拟研究

下沟煤矿位于泾河下的煤炭资源,采用综放开采,现有的导水断裂带高度计算方法不能满足水体下采煤安全评价的要求。为了掌握泾河下特厚煤层大面积综放开采的覆岩破坏发育特征,实现水体下安全回采,在研究区工作面不同位置布置了5个采后"两带"孔,进行了钻孔冲洗液漏失量和彩色电视观测,并通过物理模拟进一步研究了在各工作面间留设一定宽度隔离煤柱的开采方式的覆岩破坏过程。观测和模拟结果表明:隔离煤柱有效地控制了覆岩破坏发育高度,成为泾河下压煤安全回采的关键。根据得出的单工作面最大裂采比,并通过最小防水安全煤岩柱垂高的计算,认为地质条件满足泾河下安全回采的要求。

基于黏结颗粒模型的特厚坚硬煤层综放开采数值模拟研究

基于榆神矿区特厚坚硬煤层超大采高综放开采技术条件,针对散体颗粒模型在埋深较浅的坚硬煤层综放开采模拟中顶煤冒放情况与实际不相符的问题,对比黏结颗粒模型与无黏结散体颗粒模型力学性质,讨论两种模型适用条件,得出黏结颗粒模型更适合坚硬煤层综放开采模拟。阐述了黏结颗粒模型的建模和模拟过程:岩层内部采用平行黏结颗粒模型以模拟层内整体块体力学特性,层间采用光滑节理模型以模拟结构面力学性质;通过Fish语言和伺服控制原理实现液压支架初撑阶段、增阻阶段和恒阻阶段不同工况的模拟;根据支架顶梁位态采用逆向运动学方法更新支架整体位姿;通过Fish语言实现尾梁的不同幅度摆动。数值模拟结果表明:覆岩可形成下位基本顶不稳定砌体梁结构和上位基本顶稳定砌体梁结构,顶板来压步距介于10~20 m;顶煤破碎度和冒放性具有双周期性(走向周期与周期来压步距一致,表现为来压期间顶煤破碎较充分、冒放性好,优于非来压期间;垂向周期与顶煤层位相关,表现为下位顶煤破碎充分、冒放性好,优于上位顶煤);工作面煤壁整体稳定性较好,来压期间会出现煤壁破坏现象;液压支架总体处于较高的工作阻力状态;不同块度的顶煤冒放过程中可能形成小块度瞬时动态松散拱结构、中等块度不稳定拱结构和大块度稳定拱结构,尾梁成拱可采用"小拱小摆、大拱大摆"对策高效破拱,掩护梁成拱则需移架才可破拱。超大采高综放开采实践表明数值模拟结果与现场情况一致,黏结颗粒模型能较好地模拟埋深较浅的坚硬煤层综放开采顶煤冒放特征和矿压显现规律。本研究可为坚硬煤层顶煤冒放性和顶板覆岩结构数值模拟研究提供力学模型选择依据,为模拟过程实现方法提供借鉴。

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。

大采高综放开采几个理论问题的研究

提出大采高综放开采的概念,对大采高综放开采主要基础理论问题如:大采高综放开采工作面参数的确定、煤壁片帮冒顶机理与防治、提高工作面煤炭采出率、大断面高煤帮巷道支护、围岩活动规律与特种综放支架研发进行了探讨,以期推动这一技术的发展.