扎哈淖尔露天煤矿南帮压煤回采边坡稳定性分析

针对露天矿边帮普遍存在的压煤问题,基于极限平衡及强度折减理论,从控制边坡稳定性角度出发,结合扎哈淖尔露天煤矿南帮软岩边坡工程实际,通过定量计算与定性分析,提出横采内排压帮开采方式。采用二维刚体极限平衡与三维数值模拟相结合的方法分析了横采深部开挖角度及内排跟踪距离对边坡稳定性的影响及其程度,优化设计了扎哈哈淖尔露天矿横采南帮边坡形态。结果表明:南帮边坡滑坡模式为以IVC煤层底板弱层为底界面的切层-顺层滑动;横采内排压帮开采方式可借助边坡三维效应提高露天矿边坡角度及其自身稳定性,进而达到安全、高效地回收边帮压煤,提高露天矿煤炭资源回收率;扎哈淖尔露天煤矿横采南帮边坡稳定性随内排跟踪距离增大呈负指数降低;最终确定横采开挖位置为+908水平,内排跟踪距离为100 m,深部开挖角度为42°,可累计为扎哈淖尔露天煤矿多采出IV煤4 701.39万t,经济效益显著。     

浅埋近距离煤层群开采过程中上覆采空区自燃危险区预测研究

为揭示浅埋深近距离煤层群开采过程中地表裂隙发育对上覆采空区遗煤自燃的影响规律及影响范围,以苏家沟煤矿为研究背景,建立采空区流场流动及低温氧化的数学模型和三维几何模型。采用FLUENT模拟软件模拟了下煤层工作面推进过程中上覆采空区的氧气分布情况,得到了浅埋近距离煤层上覆采空区基于裂隙动态发育的氧气场和风流场的分布规律。依据采空区自燃危险区域判定理论,对上部煤层采空区内的自然发火危险区域进行预测。结果表明：连通地表与采空区的裂隙数量随工作面的推进而增加,上覆采空区氧化升温区域主要集中在滞后工作面0～20 m范围内,采空区深部的氧化带分布在新、老裂隙附近,在进风侧靠近地表且在回风侧靠近裂隙底端;当工作面推进120 m,即产生3条贯通型裂缝时,采空区自燃危险性最大,结合风流场云图确定上煤层底板自燃危险区距工作面水平距离为97.5 m,是煤矿开采过程中的重点防护区域。     

工作面动态推进下采空区煤自燃分布特征模拟

为了研究动态推进过程中工作面推进距离对采空区煤自燃分布特征的影响,采取及时有效的煤自燃防治措施,以13210综放面为工程背景,基于采空区渗透率分布公式和传热传质控制方程,建立采空区煤自燃数值解算模型。利用COMSOL软件模拟了工作面不同推进距离下以流速和氧体积分数为划分指标的采空区氧化带范围和高温区域的变化规律,分析了高温区域与氧化带的叠加效应。通过现场实测与模拟结果比对,验证了模拟的准确性。研究结果表明:采空区渗透率随着工作面推进距离的增加而不断变化,近工作面端渗透率变化不大,而中深部采空区的渗透率不断减小;采空区氧化带分布随工作面推进距离的增加呈现阶段性变化特征,推进初期氧化带范围不断变化,推进后期氧化带范围趋于稳定;采空区氧化带分布与高温区域重叠深度随工作面推进不断增加,最终稳定于工作面后方60~70 m范围内。     

露天矿土-岩复合边坡形态优化设计

合理设计采场及排土场边坡角是优化露天开采境界、保证露天矿安全生产、提高露天矿经济效益的重要前提。针对土-岩复合边坡这一类复杂特殊的边坡,以宝日希勒露天煤矿二采区西帮边坡为工程背景,应用刚体极限平衡软件定量分析了二采区西帮采场边坡及内排土场边坡的潜在滑坡模式;优化设计了二采区西帮1-2煤底板以上内排边坡形态及1-2煤至3煤之间采场边坡形态;确定了二采区西帮采场与排土场之间的安全距离。采用有限差分数值模拟软件FLAC~(3D),基于强度折减理论,对土-岩复合边坡稳定性进行了数值模拟,揭示了二采区西帮土-岩复合边坡的变形破坏机理及其稳定性。结果表明:宝日希勒露天煤矿二采区西帮土-岩复合边坡滑移模式及稳定性主要受采场与排土场之间的安全距离和3煤顶底板弱层控制;边坡形态优化后1-2煤底板以上内排边坡角为12°,1-2煤至3煤之间采场边坡角为22°,采场与排土场之间的安全距离为120 m,土-岩复合边坡整体边坡角为13°。     

基于不同漏风源浅埋煤层采空区自燃“三带”分布规律研究*

为解决浅埋自燃煤层采空区因地表及工作面漏风而自燃的难题,以沙坪煤矿1818工作面为例,利用SF6示踪法检测采空区地表漏风通道和风速,利用FLUENT数值模拟分析不同漏风源采空区自燃“三带”分布的特征,并通过现场束管测试结果对比分析浅埋煤层采空区地表漏风对自燃“三带”分布的影响,同时限定工作面最小推进速度,确保工作面的安全生产。研究结果表明:地表漏风风速为0.06～0.30 m/s,漏风通道多且复杂;相比于工作面单一漏风源,有地表漏风存在时,自燃危险性加大;限定工作面最小推进速度为1.24 m/d。因此,多漏风源煤层开采条件下自燃“三带”分布的确定对浅埋藏自燃煤层采空区遗煤自燃预测预报及预防工作具有重要的指导和借鉴意义。     

青藏高原多年冻土区露天煤矿边坡地温预测模型研究

为预测青藏高原多年冻土区露天煤矿边坡地温变化,揭示多年冻土分布规律,指导寒区露天矿安全生产,以木里煤田聚乎更矿区露天矿边坡2011—2014年地温监测数据为基础,通过数据的统计与拟合,依据传热学理论建立研究区多年冻土地温预测模型,并利用邻区露天矿冻土地温监测结果与数值模拟对预测模型精度进行验证。研究结果表明：木里煤田聚乎更矿区露天矿边坡季节活动层厚度普遍在5.75～6.59 m,多年冻土下限在63.85～64.35 m,地温年变化深度在11.65～12.25 m;采矿揭露后,边坡表层原生多年冻土演化为3.85～5.65 m季节活动层;坡面季节活动层厚度较原生季节活动层厚度略薄,随着冻融循环周期的递增,其厚度逐渐接近原生厚度;冻土地温变化曲线与简谐波波形线接近。本文所提出的冻土地温预测模型可用于预测青藏高原多年冻土区边坡地温变化,研究结果可为寒区露天矿边坡稳定性研究提供技术支撑。     

煤自燃发火潜伏期不同温度下耗氧特性的研究

为了探究地层温度的升高对采空区自燃倾向性的影响,对处于自燃潜伏期的煤展开耗氧特性和CO释放特性的研究。通过对长平矿3#煤分别进行20~60℃的封闭耗氧实验,得到了自燃潜伏期不同温度下煤的氧浓度以及CO浓度随时间变化的曲线。对氧浓度变化曲线和CO浓度变化曲线进行拟合分析得到了不同温度下煤的氧气消耗和CO生成速度,同时得到了氧浓度衰减系数和CO浓度增长系数。封闭耗氧实验结果表明:从20~60℃氧气消耗速度逐渐增大并且氧浓度衰减系数呈指数增长,CO浓度增长系数也逐渐增大并且同样呈指数增长,煤的窒熄带氧浓度临界值从20~60℃逐渐由16.8%降低到12.4%。为探究不同温度下采空区煤的自燃发火危险性,将封闭耗氧实验结果的参数应用到采空区CFD数值模拟仿真中,模拟得到随着温度升高采空区窒熄带临界氧浓度位置由200 m增长到380 m。结果表明:常温下不易自燃的煤在较高的环境温度下表现出了较强的氧气消耗和CO释放能力,并且采空区自然氧化带随着温度的升高动态变宽,增大了采空区的自燃发火危险性。     

不同粒径易自燃煤常温氧化实验研究*

为探究易自燃煤在常温条件下的氧化特性,自行设计煤常温封闭氧化实验装置,采用实验研究与回归分析2种方法,分析易自燃煤发生氧化反应的气体变化过程,探究3种粒径煤样在20 ℃有限空间内的耗氧与产气特征。结果表明:易自燃煤样在16 d常温封闭氧化过程中,容器内O2体积浓度呈指数衰减、CO和CO2体积浓度呈指数增长的变化规律;在0.06~0.83 mm范围内,粒径越大,易自燃煤耗氧速率越大,CO和CO2产生速率则先增大后减小;介于中间的粒径为0.13~0.25 mm易自燃煤氧化反应最强烈,更容易发生氧化。研究结果对揭示生产环境温度下煤粒粒径对煤自燃的影响有一定的意义。     

低透自燃煤层综放采空区瓦斯与火共治方法研究

红庙矿5-2S煤层为低透气性自燃煤层,顺层预抽钻孔抽采效果较差。针对其在综放开采过程中遇到的采空区瓦斯抽采与自然发火防治互相矛盾的问题,开发上隅角浅部埋管抽采瓦斯与筛管注氮防治遗煤自然发火的共治办法。采用下限8%氧体积分数曲线与上限0.004 m/s漏风风速曲线为边界来划分采空区自燃"三带",应用COMSOL软件模拟采空区在瓦斯抽采量为70 m3/h和注氮量为350 m3/h条件下,注氮时间和配风量对采空区自燃"三带"宽度的影响。求出当注氮时间为16 h和配风量为770 m3/min为平衡二者矛盾的平衡点。对比分析依据现场监测数据绘制的自燃"三带"曲线和模拟得到的自燃"三带"曲线,发现模拟结果准确可靠,说明所开发的共治方法可用于生产实践中。     

深部煤层抽采钻孔自然发火原因分析与防治

为避免深部煤层抽采钻孔自然发火,以平煤十矿24100工作面抽采钻孔为研究对象,运用理论计算和数值模拟的方法研究抽采钻孔自然发火的原因。首先通过理论分析确定抽采钻孔封堵段周围破碎区与塑性区半径;通过数值模拟的方法,以煤自然发火最小风速为依据优化24100工作面瓦斯抽采钻孔封孔深度和抽采负压,并与24100工作面现场工程试验结果进行相互验证。结果表明:钻孔封堵段周围塑性区半径0.22 m为抽采钻孔提供了漏气通道,24100工作面抽采钻孔最佳封孔深度为17 m、抽采负压为25 kPa,可以防止抽采钻孔自燃。     

基于PFC3D的煤堆自燃过程模拟与实现

为了解煤堆自燃过程中的温度场变化、能量迁移和氧气流动情况,基于煤堆的颗粒特性以PFC3D为模拟平台,借助其热力耦合模型,模拟了煤堆的自燃氧化过程,及该过程中的温度场变化和能量迁移;使用极小颗粒模拟氧气的流动及其与煤的反应,并通过FISH实现该过程。结果表明:随模拟时间延长,温度场高温区向煤堆坡面边界水平移动;能量迁移主要发生在靠近低温区的区域,且不同温区交界处迁移最多;高温区移动是由于氧化需氧量的变化、造成对氧的"抽吸"作用而产生的;煤堆内氧颗粒的流动可分为稳定区、杂乱区、微弱区,随着"抽吸"作用的增加,稳定区减小,杂乱区增加,微弱区增加。模拟计算至70 d,煤堆出现大范围高温区域并产生自燃,此时最高温度为362.1 K。     

不同煤层煤氧化自燃性实验分析

为研究不同煤层煤自然发火特征的异同性及规律,以淮南矿区1号、3号、6号、13号煤层为研究对象,通过自然发火实验,对不同煤层煤的自然发火期周期、煤样70℃时放热强度和R70值进行分析。研究结果表明:4个不同煤层煤样自燃性由强到弱依次为:3煤>6煤>1煤>13煤;变质程度相近的4个煤层,3煤自然发火期最短,这与煤体中硫分和水分含量高有关;13煤变质程度较高,且前期放热强度、耗氧速率增长缓慢,其自燃性较弱;4个不同煤层煤的耗氧速率、CO,CO2产生率,以及C2H4/C2H6值随煤温升高具有相似的变化规律;煤中CH4气体大量解吸出现于煤温60℃之前,煤中灰分在80~120℃开始逐渐吸热融化,解析和融化均会抑制煤氧接触并且减小煤氧反应放热总量。     

煤自燃预测预报多参数指标体系研究

煤自燃是一个复杂氧化过程,要经历不同的氧化阶段,且同一煤矿不同煤层煤样具有不同的自燃氧化特性,故应建立相应的预测指标体系。从开滦集团东欢坨矿5煤层、7煤层、8煤层、9煤层、11煤层和12煤层采集煤样,利用程序升温-气相色谱联用实验,分析了各煤样自燃氧化过程中各指标气体随温度的变化规律,依据升温氧化实验数据,将煤自燃过程划分为初期氧化、缓慢自热、临界加速和热解裂变4个阶段,优选出各煤层煤自燃不同阶段适用的预测指标。结合各自燃阶段的温度范围得出了预测指标的对应范围,并运用灰色关联分析法确定了各煤层煤自燃不同阶段指标预报优先级,最终建立了东欢坨矿各煤层煤自燃预测预报多参数指标综合体系且设计了全矿井煤自燃预报指示方案。该体系及方案的设立提高了东欢坨矿煤自燃预测预报结果的准确性,同时可为其他煤矿防灭火工作提供一定的理论指导和方法参考。     

煤油共生矿区含油煤层自燃特性试验研究

为研究煤油共生矿区煤自燃特性,利用煤氧化动力学测定系统,测试原煤样与含油煤样。根据煤自燃倾向性判定标准、耗氧速率及煤氧复合反应理论,分析试验结果。以铜川下石节煤矿煤样和原油样品(煤岩渗出的油,文中称为原油)为例,向原煤样中添加一定量的原油制备含油煤样,通过试验获得原煤样与含油煤样低温阶段(30~240℃)的自燃特性参数。研究结果表明,2种煤样自燃倾向性等级均为自燃,但原煤样更接近于易自燃;相同温度条件下含油煤样的耗氧速率、CO与CO2的生成量均比原煤样小;在低温氧化阶段,造成上述结果的主要原因是,原油充填了煤样的部分空隙和孔隙,阻碍了煤氧复合反应。     

煤层露头自燃火灾演化规律数值模拟研究

为解决煤层露头自燃所引起的资源浪费和环境污染,以新疆台勒维丘克煤层露头为研究对象,采用数值模拟方法研究煤层露头在火风压、火风压及外部风压作用下的自燃演化规律,为治理火区和保护环境提供依据。研究表明:火风压作用下,风流最大流动速度0.729 m/s,火风压最大达到170.2 Pa;火风压与外部风压联合作用下,煤层露头动力系统是负压通风系统,在漏风速度为0.2 m/s时,研究5个典型位置的温度、氧浓度、速度及压力的变化规律;并分析孔隙率、漏风速度对煤层露头自燃火灾的影响,说明大孔隙和漏风供氧为火灾大规模发展提供有利条件。研究成果对治理火区及保护生态环境奠定坚实基础。     

露天煤矿边坡相对稳定性判据研究与应用

针对软岩露天矿边坡滑坡数量多、规模大、难于防治的问题,以白音华1号露天矿东南帮顺倾软岩边坡为工程背景,基于极限平衡理论,确定边坡滑体几何形态,通过滑坡变形反分析获取弱层指标参数;采用FLAC3D数值模拟,揭示边坡岩土体应力-应变演化规律及破坏机制,提出边坡相对稳定性判据,进而确定合理的横采内排追踪距离与降深位置。结果表明:该矿东南帮边坡稳定性随留煤柱宽度的增加逐渐增大,随追踪距离的增加逐渐降低;当留煤柱宽度大于或等于180 m,追踪距离在50~300 m范围内时,东南帮可以安全降深;留煤柱宽度取180 m,追踪距离取50 m,可实现资源采出最大化。     

地下煤火回风裂隙火风压分布实验研究

利用煤田露头火区模拟实验装置,通过对煤火燃烧过程中出风裂隙内气体温度的监测,发现裂隙内气体的温度沿裂缝逐渐降低并成指数衰减分布。通过分析得到火区裂隙温度的分布方程并计算得到了裂隙内火风压分布方程,得出煤田火区火风压的影响因素主要有自燃煤层温度、自燃深度和裂隙倾角。     

淮南矿区主采煤层自燃氧化特性试验研究

为了研究淮南矿区主采煤层自燃氧化特性及其影响因素,选取8个煤样进行煤质分析、表观结构特征和程序升温试验,比较了同层煤和不同层煤自燃特性的异同点。结果表明:对于同层煤,其特征温度比较接近;谢桥、丁集、潘三3个矿的CO体积分数大于顾桥、潘北和朱集的。对于不同层煤,挥发分越低,煤样的临界温度越延迟;13煤层的临界温度在70℃左右,干裂温度在110℃左右,8煤层的临界温度在80℃左右,干裂温度在120℃左右。6煤层的临界温度在70℃左右,干裂温度在120℃左右;同时确定了各煤层煤自燃预测预报的主要和辅助指标,其中CO和C_2H_4为主要指标,碳氧化物比值为辅助指标。     

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。     

高瓦斯易自燃煤层采空区遗煤自燃影响因素研究

为预防高瓦斯易自燃煤层采空区遗煤自燃事故,根据此类煤层采空区遗煤自燃的特性,共选取19个影响因素,采用基于直觉模糊集的集成决策实验室分析与解释结构模型(DEMATELISM)法对这些因素进行结构化处理,以此分析各因素对此类煤层采空区遗煤自燃的影响。结果表明:高瓦斯易自燃煤层采空区遗煤自燃的影响因素分为3个层次;工作面长度、通风方式、煤的吸氧速率、临界温度、残余瓦斯含量、煤层厚度、倾角与地质构造为根源因素;邻近层瓦斯情况、工作面开采方法、通风风量、推进速度为中间因素;防灭火措施、安全监测、采空区遗煤厚度、瓦斯抽采措施、工作面通风阻力、推进速度、围岩温度、煤层埋藏深度与顶板岩性为表层因素。