榆阳煤矿2301工作面导水裂隙带高度的数值模拟

在分析榆阳煤矿覆岩赋存特征的基础上,建立了采动岩体力学模型,利用有限差分程序(FLAC)对采动引起的覆岩破坏进行了数值模拟,得出了导水裂隙带发育高度最大值为50m；采用WSD-2数字声波仪测定岩样的物理力学性能,分析得知覆岩中泥岩强度大于砂岩,且抗压与抗拉强度的比值较高,使得岩层呈脆性材料特征,对导水裂隙带的发育有利,这样给保水开采增加了难度.     

综采工作面上覆岩层裂隙动态发育规律

以陕西某矿为试验矿井,采用现场试验、数值模拟研究了综采工作面回采过程中上覆岩层裂隙发育特征。研究结果表明,陕西某矿综采工作面冒落带和裂隙带发育高度分别为42.9,94.2 m;工作面回采前裂隙发育度低,工作面回采后,受采动影响裂隙发育度明显提高;工作面推进到某一位置前,裂隙数量及发育高度随着工作面的推进而不断增加,随着工作面继续推进,采空区被压实,裂隙数量降低,而在工作面边缘区域,裂隙数量一直处于高水平,整个裂隙发育曲线呈"波浪"型分布。     

蒙西深部厚煤层大采高综采面覆岩破坏高度研究

为解决蒙西矿区深部开采受多层含水层威胁条件下,覆岩破坏高度难以准确计算的问题,应用现场实测、数值模拟和相似模拟相结合的方法,研究厚煤层大采高综采覆岩破坏高度。首先,综合采用井上下钻孔联合观测,基于钻孔注水及数控摄像技术,实测纳林河二号矿井厚煤层综采一次采全高条件下的导水裂缝带发育高度;然后,通过构建数值和物理相似模型,并结合全国类似条件矿井实测资料的回归分析,确定蒙西矿区覆岩破坏高度计算方法。结果表明:实测导水裂缝带发育高度与采高比为17.1～22.06;采用相似模拟、数值模拟和理论计算确定该条件下导水裂缝带高度与采高的比值为15～18.8;蒙西深部厚煤层高强度开采工作面覆岩破坏高度可按18倍采高估算。     

基于因果模糊聚类法预测覆岩裂隙带高度研究

为了研究不同采高、煤层倾角、岩石抗压强度、岩层结构、采空区斜长、埋深等因素影响下采空区覆岩裂隙带高度发育规律,对收集的实测数据进行因果模糊聚类分类、分析,对各个类别,代入裂隙带高度接近均值的实测数据运算,获得各个因素对裂隙带高度影响合适的权重,进而建立对应的特征模糊集,并构造对应的三角模糊数,最终建立模糊预测模型。通过案例分析对模糊预测模型进行了验证,结果表明其误差范围为0.83-2.70m,满足工程应用的精度需求。     

薄基岩厚松散含水层下综放开采安全性研究

为研究薄基岩厚松散层含水层下综放开采的安全性,通过对赵家寨煤矿12采区东翼松散层地质特征分析,将其分为"一隔三含",并揭露其厚度和结构分布特征对煤炭开采的影响。采用经验公式计算不同采高下导水裂隙带高度,并建立UDEC数值模型模拟分析开采过程中上覆岩层变形破坏规律。基于导水裂隙带高度经验公式计算、数值模拟结果和相关实测资料,并结合12采区东翼的地质特征,引入"导水裂隙带高度调整系数n"概念,提出并验证该区域的导水裂隙带高度计算公式。结果表明,12采区东翼大部分区域可疏干新近系下部含水层后开采,研究内容可减小防水煤岩柱高度,提高煤炭采出率。     

喷浆支护掘进工作面通风热环境数值模拟

为准确分析矿山掘进工作面喷浆支护后的热环境,采用工程实测和数值模拟的方法对喷浆支护掘进工作面热环境进行研究.在分析混凝土水化放热原理、喷浆支护掘进工作面热交换原理和标准κ ε湍流模型的基础上,结合矿山工程实例,利用ICEM CFD和Fluent软件建立喷浆支护掘进工作面模型,模型中通过对支护体设置热源形式实现混凝土水化放热的模拟.制定方案进行掘进工作面温度实测和数值模拟,通过实测数据验证了数值模拟的准确性.分析数值模拟喷浆支护掘进工作面温度场和速度场的分布规律,得出断面温度随混凝土龄期呈多项式函数规律变化,可为矿山掘进工作面热害控制提供参考.     

瓦斯抽采下沿空留巷工作面采空区漏风机制研究

漏风对煤自燃有重要影响,研究漏风形成机制对工作面采空区防火具有重要的作用。针对采空区瓦斯抽采、上覆围岩裂隙发育对采空区漏风影响问题,以沙曲矿沿空留巷综放工作面为研究背景。根据采空区上覆煤岩特性选择经验公式计算采空区裂隙发育高度,分析了沿空留巷侧采空区上覆裂隙发育,现场实测了沿空留巷压埋管及高位钻孔中气体体积分数,并根据实测参数利用数值模拟分析了瓦斯抽采条件下采空区风流流场变化。结果表明:上覆裂隙成为采空区漏风通道,导通距离在27.2~37.2 m;在沿空留巷侧采空区回采距离100m,其氧气体积分数在10%以上,验证了采空区漏风去向;模拟结果显示,沿空留巷侧采空区立体空间范围内氧气体积分数均达到10%以上,模拟结果与实测基本保持一致。最终确定瓦斯抽采条件下沿空留巷的布置及煤岩裂隙发育是形成漏风通道的主要原因。     

径向强力膨胀法封孔提高抽采效果技术研究

通过分析钻孔周围煤体在地应力作用下的变形与裂隙发育规律,结合鹤煤三矿原采用的瓦斯抽采钻孔封孔工艺,发现原采用的瓦斯抽采钻孔封孔工艺存在影响抽采瓦斯体积分数与效果的因素。确定合适的封孔材料需要满足4个主要的性质特征,提出了径向强力膨胀法封孔提高抽采效果技术。使用RFPA3D数值模拟软件研究了孔壁周围煤体裂隙发育范围,据此确定了封孔深度工艺参数,并在鹤煤三矿进行了现场对比试验。结果表明,与原封孔技术相比,应用径向强力膨胀法封孔技术封孔成功率高,抽采瓦斯体积分数和抽采纯量均有大幅度提高。     

基于封闭耗氧试验的采空区自燃危险性研究

为准确判断雁南矿采空区遗煤的自燃危险程度,提出由封闭耗氧试验测定所需的窒熄(临界)氧气体积分数(12％)、最短自然发火期(47 d).利用雁南矿I0130101综放工作面束管收集的气体实测数据,采用氧气体积分数法确定该工作面采空区的自燃氧化带宽度.鉴于由实测数据无法确定采空区内连续的氧气体积分数分布,对现场工作面风速、压差和采空区氧气体积分数等实测数据进行分析计算,建立此工作面的物理模型,考虑重力和上行通风对采空区流场的影响,采空区冒落介质非均匀且按照"O"形分布,利用Fluent软件对雁南矿I0130101综放工作面采空区的流场进行数值模拟.将仿真与实测的采空区氧气体积分数的分布进行对比验证,最终得到采空区自燃氧化带的最大宽度为122 m,判断当前推进速度(5 m/d)下该工作面采空区自燃的可能性低.矿上长期生产结果验证了利用封闭耗氧试验判断采空区自燃危险性的准确性.     

司马矿薄基岩区顶板突水危险性数值模拟研究

为了研究司马矿薄基岩厚松散层特殊地质条件下的采动覆岩破坏、渗流等特性,评价发生顶板突水的危险性,建立了薄基岩厚松散层开采条件下的数值计算模型。采用理论分析、数值模拟和现场工程相结合的方法,利用多物理场耦合数值模拟软件COMSOL Multiphysics,研究了随工作面推进采场的变形、破坏、渗流和应力变化规律。结果表明:在司马矿薄基岩厚松散层这一特定的地质条件下,工作面涌水量、顶板破坏高度均随工作面推进不断增加并最终趋于稳定,当工作面推进到200 m时,顶板破坏高度约为80 m,工作面涌水量约为33 m3/min,与实测数据基本吻合;随着开采的进行,在采空区后方煤层的支承压力峰值位置几乎不变,在工作面前方形成的支承压力峰值极值点位置不断前移,应力集中系数约为2.0;在司马矿薄基岩区,在煤层采厚为5 m、基岩厚度为40 m的条件下,若顶板黏土层厚度大于40 m,将不会发生顶板突水。     

煤巷顶板沉积岩体钻进动力响应特性试验研究

为了探究煤巷顶板锚固孔钻进动力响应指标（钻速和转速）与顶板岩石物理特性（普氏系数）间的关系,采用实验室及数值试验研究方法对煤巷顶板沉积岩体进行模拟钻进。结果表明,锚固孔的钻进动力响应指标整体上均随顶板岩石普氏系数的增加而减小,大致呈负指数关系。实验室试验数据拟合曲线与数值模拟分析所得结果较为相似,但也存在一定的差别。据此可实现对顶板岩层的初步判别,对煤巷顶板锚杆支护参数的优化和冒顶事故的预防有重要的指导意义;为实验室研究岩石的钻进试验提供了一种可行的方法,也为岩石可钻性与顶板岩层探测仪器的深入研究提供了一定的参考价值。     

多场耦合作用下瓦斯与煤自燃协同预防数值模拟

为解决某综放面采用顶板巷与上隅角联合抽采方式可能引起的煤自燃及瓦斯爆炸等重大安全隐患问题,采用数值模拟从瓦斯、氧气体积分数分布特点和温度场角度综合分析合理顶板巷位置与抽采流量,为协同预防瓦斯和煤自燃复合灾害提供指导。结果表明:抽采口、上隅角瓦斯体积分数随抽采流量增加而降低;抽采流量100m3/min是影响氧化带宽度变化幅度的拐点;抽采流量对采空区最高温度的影响较大,对高温范围宽度影响较小;综合确定合理顶板巷位置为内错回风巷15 m,合理抽采流量为100~150 m~3/min;现场应用表明该方案既能解决瓦斯超限问题,又能有效控制煤自燃威胁,表明数值模拟具有较好的可靠性。     

热障效应对有顶步行街自然排烟的影响

为了研究热障效应对有顶商业步行街自然排烟的影响,采用理论分析与数值模拟相结合的方法,对不同高度及不同环境温度条件下有顶商业步行街自然排烟时顶棚附近的温度、能见度以及排烟效率进行了分析。结果表明:顶棚附近环境温度越高,自然排烟效果越差,自然排烟效率随顶棚热空气温度的升高呈现线性降低趋势;步行街高度越高,竖直方向的温度差越小,到达顶棚的烟气流速越小,排烟效率越低;当顶棚附近环境温度为45℃时,有顶商业步行街高度不宜超过35 m。     

浮顶油罐密封圈油气分布数值模拟

浮顶油罐一二次密封空间内的油气在雷击作用下可导致起火事故。为研究浮顶油罐一二次密封空间内的油气浓度影响因素,利用CFD方法进行了数值模拟,并建立了浮顶油罐实验模型,检测一二次密封空间内不同位置处的油气体积分数,两者表征的油气浓度情况较吻合;借助该模拟方法进一步分析温度、风速和二次密封泄漏面积对浮顶油罐一二次密封空间内的油气浓度的影响,研究结果表明:①二次密封泄漏面积增加,密封空间内的油气浓度降低。②温度上升,一二次密封空间的油气浓度升高;当风速较高时,温度对油气浓度变化趋势的影响也更大。③风速增加时,空间内的油气分布差异变大,油气浓度最大值变大。     

树脂锚杆锚固长度声波探测技术及数值试验

针对煤岩巷道锚杆支护锚固失效引起的冒顶问题,建立了煤岩巷道顶板锚杆树脂锚固模型,采用数值模拟的方法对不同锚固方式下树脂锚杆的波导特性进行研究,得到了不同锚固长度与树脂锚杆激振响应特性曲线。通过对比分析,研究得出无论何种锚固方式,检测结果与实际锚固长度的误差大约在1%-6%,同时可采用修正补偿的方法降低检测误差。研究结果得出:采用应力反射波法检测树脂锚杆的锚固长度是一种行之有效的无损检测方法,可实现树脂锚杆锚固长度的便携、准确检测提供技术支持。     

破碎煤体再造矩形通道受力分析

为了在煤层巷道垮落后快速建立安全稳定的再生救援通道,并了解通道垮落后垮塌体的力学性质,将煤层通道垮落后破碎的煤块视为均质散粒体,通过理论分析及数值模拟,分析了在散粒体中修复新通道的基本力学特性。研究结果表明:理论分析可知,当散粒体作用在通道顶板上时,应力集中区域在顶板中部,并向两侧逐渐减小;当散粒体作用在通道两帮时,应力集中区域在两帮的底部,最大值与通道一侧的散粒体面积与截面周长的比值呈正相关;与理论分析结果相比,数值模拟分析忽略了两帮上部散粒体的影响,模拟计算所得出的应力与理论分析结果有所不同。     

同忻井田地应力测量与回采巷道稳定性研究

为保证同忻煤矿安全、高效开采,采用应力解除法对大同矿区同忻井田3-5#煤层的地应力场进行了测量,结合理论分析、数值模拟与现场监测,分析了在该类型应力场中不同巷道布置方向与巷道围岩稳定性之间的关系。测得同忻井田最大主应力为20.42 MPa,方位角为245.18°,确定了同忻井田地应力场属于σHv型。理论计算和数值模拟的结果表明,有利于回采巷道稳定性的布置方向为与最大水平主应力方向成30°,并采用巷道顶板离层监测仪对其进行了验证。     

巷道蝶叶塑性区顶板冒落特征与层次支护研究

针对巷道蝶叶塑性区顶板破坏深度大、变形剧烈、冒顶事故频发等问题,综合现场调研、理论分析、数值模拟等方法,考虑巷道顶板不同服务阶段的变形破坏特点,研究分析了巷道顶板破坏失稳机理和不同层位顶板的控制要点,提出了以冒顶控制为主的顶板层次控制技术,阐明了辅助支护材料、普通长度锚杆、接长锚杆、长锚索对不同层位顶板的层次控制原理。据此,在保德矿81306工作面回采巷道蝶叶塑性区顶板进行了层次支护设计,并进行了顶板下沉量和接长锚杆支护力监测,结果表明:以冒顶控制为主的巷道顶板层次支护体系较好的维护了顶板整体稳定,保证了巷道安全与正常服务。     

孤岛工作面支承压力影响下顶板破坏机理研究

为了探讨孤岛工作面支承压力影响下顶板破坏机理,通过采用理论分析,建立薄板力学模型,对孤岛工作面顶板弯矩分布规律进行分析,并结合实验室数值模拟手段对工作面顶板支承压力集中系数及顶板围岩塑性区演变规律进行研究。研究结果表明:在支承压力作用下,随着推进距离的增大,顶板支承压力集中系数呈现增大的趋势;工作面顶板煤壁中部弯矩显著大于煤壁两侧弯矩,该结果合理解释了工作面方向上支架工作阻力不相等的规律;顶板断裂的塑性区演变特征存在时空效应及力学特征,顶板四周所形成的横向“O”型破断与横向“X”型破断,共同构成了顶板破断的横“O-X”破断形式。     

大倾角煤层开采覆岩破断机制研究

为了探究大倾角煤层开采覆岩变形、失稳、破断的演化特征,结合潘二矿1212(3)工作面地质与工程条件,采用数值模拟、物理模拟、理论分析相结合的方法,分析了大倾角煤层开采覆岩变形破坏规律,探讨了巨厚砂岩直覆和无坚硬岩层2种条件下大倾角煤层开采顶板破断失稳形式。研究结果表明:受倾角影响直接顶冒落、滑移,充填下部采空区,基本顶中上部挠度最大而发生断裂,破断裂纹逐渐向基本顶两侧及相邻岩层演化;大倾角煤层倾向岩层间的联动时序性破断是形成非对称拱形承载结构的主因;预裂爆破巨厚砂岩顶板、充填开采软弱岩层工作面可促使关键块体组成的拱形承载结构形成,保证大倾角工作面安全回采。