急倾斜水平分层综放开采矿压显现规律

水平分层综放开采技术能够实现急倾斜厚煤层的安全高效回采。急倾斜开采工作面上覆岩层运动规律和采场矿压显现规律与缓倾斜煤层开采有显著区别。为了进一步研究急倾斜水平分层综放开采的矿压显现规律,本文以大台井-10水平3#、5#合并煤层放顶煤工作面为实验研究内容,提出-10水平石炭纪急倾斜近距离煤层联合开采的方案,应用相似试验和数值研究采用联合放顶煤开采条件下,3#、5#煤层在开采过程中的放煤规律、矿压显现情况、以及围岩等破坏的一般规律,揭示了第一分层和第二分时岩层垮落状态及应力分布特征,本文研究成果提高了煤炭的回采率,保证了安全条件下的高效开采,对指导合理支护参数的确定和现场工程实践具有一定的指导意义。     

综放沿空留巷顶板下沉及其影响因素研究

控制顶板下沉是综放沿空留巷成功的关键,为研究综放沿空留巷顶板下沉规律,根据能量守恒和损伤力学的理论,建立了综放沿空留巷顶板下沉损伤力学模型,推导出顶板下沉量的计算公式,并分析了顶板下沉量与其15个影响因素的定量关系。结果表明:直接顶、顶煤、巷旁支护体的有效弹性模量三者耦合,大部分顶板下沉量由有效弹性模量较小者吸收;顶板下沉量随支护体宽度增加而降低,支护体宽度达4 m左右时,下沉量基本保持不变;顶板下沉量随巷道宽度、采高、顶煤厚度和直接顶厚度增加而增加;顶板下沉量随关键块给定载荷的增大而急剧增加。关键块参数对顶板下沉具有决定作用,提高巷旁支护强度,可减小关键块破断长度和回转角,使关键块破断位置靠近巷旁煤壁,有效减小顶板下沉;巷内支护阻力、直接顶容重和顶煤容重对顶板下沉量影响较小。     

软弱底板特厚煤层综放面矿压特征研究与应用

水帘洞煤矿3802工作面是彬长矿区首个采用8m小区段煤柱护巷、面临软弱底板问题的特厚煤层工作面,生产条件复杂,类似开采技术经验较少。针对此问题,采用岩石物理力学性质测试和计算机数值模拟等手段,明确软弱底板对综放面矿压影响机理;通过现场实测,对3802工作面矿压特征和覆岩移动规律等进行研究,结果表明,软弱底板条件下特厚煤层综放面较一般底板下特厚煤层综放面矿压显现特征不同,软弱底板吸收能量,将应力转移到深处,一定程度上消除了冲击地压危险,同时矿山压力显现平缓不明显,动载系数小。现场实测结果表明巷道围岩稳定,研究结果可以在类似条件下推广应用。     

深埋特厚煤层大采高综放工作面覆岩运动规律及支架选型研究

大采高综放开采技术是特厚煤层开采的发展方向之一,而液压支架的选型是实现工作面安全高效生产的关键。针对龙固矿2301大采高综放工作面地质及生产技术条件,通过相似模拟,获得了工作面上覆岩层运动规律,在此基础上结合FLAC3D数值模拟和理论分析,确定了工作面支架的支护强度为1.46MPa及支护阻力为15000kN,并选取工作面支架型号为ZF15000-23/43正四连杆低位放顶煤液压支架。通过现场实测分析了工作面支架工作阻力的分布规律,应用表明ZF15000-23/43支架处于较好的位态,对2301综放工作面具有较好的适应性。研究成果对类似条件下液压支架的选型提供参考依据。     

急倾斜综放面采空区注氮方案研究及数值模拟

急倾斜综放面由于大倾角开采、地质条件差等原因,导致工作面推进过慢,以致为采空区遗煤自燃提供了充分的供氧和蓄热条件,同时由于不能随采随注浆,进风隅角封堵也可能受障,采空区持续供氧,工作面后采空区大范围自燃的可能性也很大。注氮成为解决急倾斜综放面采空区防灭火的重要技术之一。为解决因注氮流量、注氮位置凭经验设置造成的氮气浪费问题,采用Fluent数值方法优化急倾斜注氮方案,分析了注氮量、注氮位置等参数对急倾斜综采面采空区氧气和氮气的体积分数分布,及自燃"三带"分布的影响规律,得出急倾斜综放面采空区注氮量、注氮位置和工作面风量的合理匹配。结果表明:供风量越大,采空区横三带后移,宽度越大,注氮位置与氧化带前端距离随工作面风量增大而增大,但是风量增大到1 000 m3/min后,变化较小,注氮位置基本控制在距离工作面25 m左右;注氮量在600~800 m3/h时效果明显。根据模拟结果,提出了双管注氮方案,解决了急倾斜综放面采空区自燃发火问题。     

综放开采采空区煤炭自燃特征及其控制研究

针对7201综放面煤层易自燃、回采过程中存在工作面过断层、工作面面长加大接面等影响正常回采速度的现实条件,在理论分析和实验研究基础上,确定了高温热源的位置,及时采取了优化配备工作面风量、顶板走向长钻孔压注阻化液、设置隔漏风墙、气雾阻化及煤柱预注阻化液等综合防治煤炭自燃措施,有效抑制了工作面采空区煤炭自燃,实现了易自燃煤层综放安全开采。研究结果对类似条件的综放安全开采有现实指导价值。     

特厚煤层不同开采阶段"弱-弱"结构覆岩破坏高度研究

为了确定老虎台矿特厚煤层不同开采阶段"弱-弱"结构覆岩破坏高度,以63005工作面所在区域为研究对象,构建FLAC3D数值计算模型,对研究区域水砂充填开采阶段和综采放顶煤开采阶段覆岩破坏高度进行分析,确定了覆岩破坏高度与采出厚度的关系.分别采用微震监测、EH-4探测法对研究结果进行了验证.结果表明:无论水砂充填开采阶段还是综采放顶煤开采阶段,老虎台矿"弱-弱"结构覆岩最大破坏高度均约为等效采高的8.5倍;63005工作面开采前后,覆岩破裂最大高度与油母页岩和绿色页岩的分界面密切相关,均被控制在分界面之下;覆岩破坏高度受到F18断层的影响,被约束在断层破碎带沿走向范围内;63005工作面开采后,绿色页岩层中F18断层的下盘出现离层破坏,且破坏范围呈逐步扩大的趋势.     

大同矿区综放开采覆岩压力拱演化规律研究

为研究大同矿区综放开采的覆岩运动特征,以同忻矿8105工作面为研究对象,运用关键层理论确定了同忻矿8105工作面关键层分布,采用理论分析、相似材料模拟方法对压力拱的演化规律进行了研究,并结合现场监测数据对研究结果进行了验证。结果表明,在同忻矿双系煤层开采条件下,关键层破断影响着压力拱的发展高度,沿工作面推进方向,压力拱的失稳步距为283~330 m。拱脚位置在工作面前方40~55 m,压力拱承载着大部分的覆岩载荷,一旦发生失稳破坏,会造成石炭系岩层与侏罗系采空区连通,引起工作面强矿压显现。     

考虑岩石应变软化的厚煤层综放开采覆岩破坏特征研究

为了分析裴沟矿31采区的煤炭开采对上部魔洞王水库的影响,以及评价水体下开采的安全性,首先分析了岩土体材料在三轴压缩试验中表现出来的应变软化现象,认为岩石峰后的软化能够说明覆岩破坏后的力学特性;然后介绍了FLAC3D中应变软化模型;最后分别建立Mohr—Coulomb理想弹性模型和应变软化模型的数值模型,针对工作面推进过程中覆岩移动破坏的特征以及顶板导水裂隙带发育规律,分析了两者计算结果的差别,计算结果表明:应变软化模型对覆岩移动破坏特征的计算更加准确,能够说明工作面推进过程中覆岩移动规律,通过其计算得到的导水裂隙带高度的预计对水体下采煤的安全性评价有一定的参考价值。     

临近断层特厚煤层分层开采冲击地压发生机制

为了研究临近断层分层开采的冲击地压发生机制,以老虎台矿特厚煤层开采为研究背景,采用地质动力区划方法、数值模拟和现场监测方法对井田的地质动力环境、临近断层开采的围岩应力分布规律和断层滑移特征及其与冲击地压的关系进行了研究。采用地质动力区划方法,将老虎台井田断裂构造划分为5级,通过地震和矿震分布情况,确定老虎台矿地质构造活跃,处于较高的应力环境;采用FLAC3D数值模拟和锚索应力监测方法,分析断层围岩应力演化规律和断层滑移规律,在断层和开采共同作用下工作面断层侧超前支承压力急剧升高。结果表明,地质动力环境为冲击地压的发生创造了外界环境条件,断层和采动的耦合作用是冲击地压诱发的主要原因。     

煤层注水抑制瓦斯解吸效应试验研究

煤层注水宏观上具有疏松煤体、卸压排放瓦斯的效应,这是人们对煤层防突机理的初步认识。为进一步认清煤层防突机理,采用实验室试验和现场测试相结合的方法,在实验室中使干燥煤样在煤样罐中预先吸附瓦斯来模拟原始煤层,然后向试验煤样高压注入水分,注水后再测试瓦斯解吸等温特性曲线、瓦斯解吸速度及残存瓦斯含量。测验结果表明,注水后瓦斯解吸等温特性曲线上移,初始瓦斯解吸速度变小且衰减速度变慢,残存瓦斯含量增加,现场测试钻屑瓦斯解吸指标值降低。通过分析测试结果认为,注水后,水分进入并留存在煤体的微孔隙中,对煤层瓦斯具有抑制解吸效应,而抑制解吸效应可以降低瓦斯初始解吸速度,使瓦斯解吸过程变缓,避免瓦斯突然快速解吸。这是煤层注水防治煤与瓦斯突出的一项重要机理。     

“三软”煤层煤与瓦斯突出事故树分析

掌握煤与瓦斯突出危险性和主要影响因素对突出防治至关重要。运用安全系统工程重要的系统分析方法——事故树分析法对"三软"煤层煤与瓦斯突出危险性进行系统分析,构建了"三软"煤层条件下煤与瓦斯突出的事故树,进行了定性分析和定量计算。结果表明,煤与瓦斯突出发生的概率为0.216 5,导致突出的可能途径有24种,预防突出的可能方案有5种,并计算出了各基本事件的结构重要度、概率重要度和临界重要度,确定了"三软"煤层中影响煤与瓦斯突出各因素的重要程度。     

利用瓦斯抽采穿层钻孔预测煤层小断层工程实践

小构造附近是瓦斯灾害容易发生的危险地带,探明煤层小构造对煤矿的安全生产至关重要。基于古汉山矿二1煤层瓦斯抽采工程特点,分析利用瓦斯抽采穿层钻孔进行地质构造探测的可行性,根据试验工作面、底抽巷、瓦斯抽采穿层钻孔空间关系,建立煤层小构造预测数学模型及预测方法。结合试验工作面瓦斯抽采穿层钻孔现场施工数据特点,分析钻孔误差及校正方法,绘制煤层底板三维曲面图、煤层底板等高线图、煤层底板趋势面残差图及煤层厚度等值线图。根据煤层底板预测图件,对小构造分布做出了综合判断:在工作面走向通尺360～390 m、倾向上距离运输巷35 m处,可能存在落差1. 5 m、走向N45°W、延伸长度20 m左右的小断层。现场实际揭露地质情况与理论预测结果基本吻合,工作面推进与小构造距离小于20 m时,瓦斯突出危险程度明显增大。     

非均质煤样细观力学特性的双轴压缩数值模拟

煤的微观结构特征对煤的力学特性起着重要作用。为了更加真实准确地研究非均质煤样的细观力学特性,首先通过扫描电镜(SEM)获取煤样放大8 000倍的微观结构图像;然后采用数字图像处理技术对SEM图像进行处理,构建能反映煤样较为真实结构特征的CAD矢量结构模型,并将其导入颗粒流离散元软件(PFC)建立符合煤样结构特征的数值模型;最后开展了煤样细观力学特性的双轴压缩颗粒流数值模拟。结果表明:煤作为一种混合物,它所包含的矿物质和微孔裂隙对其力学性能有重要作用;应力应变曲线有明显的峰值转折点,可以分为弹性阶段、应变软化阶段和残余阶段;煤样在双轴压缩条件下产生的宏观裂纹主要受拉伸力影响,其破裂形态不规则;在应力峰值位置附近,裂纹的增长速率最快,此时的颗粒体间平均接触力也最大,能够达到3.25×10⁸N;另外随围压和加载速率增大,应力-应变曲线形式基本保持不变,但轴向应力峰值及裂纹数逐渐增加;应力峰值对应的轴向应变与围压无确定的规律,而与加载速率呈正比关系。     

石膏矿采空区顶板冒落冲击气浪传播规律及安全防范研究

为探索石膏矿采空区顶板冒落灾害形成及演化过程中的微观动力学行为,以某危害型石膏矿为研究背景,选择"打气筒"模型进行了空场法采空区顶板冒落相似物理模拟试验,并利用高速摄像及纹影技术,直观地记录分析冲击气浪产生时流场在直线型、转弯型、独头式模型巷道处的传播规律及变化特性.结果表明,在直线型巷道内传播时,冲击气浪并非按直线传递,而是气浪前端阵面会发生回转,与气浪尾部和后续的气浪叠加、交混,一起向前传递.在转弯型巷道中,冲击气浪传播至巷道转弯处时,气浪会马上在此改变传播方向,开始沿着转弯方向,向巷道出口传播.当气浪完全通过此处后,由于巷道围岩和空气的阻力,冲击气浪前端部分气流又会回流至此,进行二次破坏.在独头式巷道中传播时,由于巷道一端封合密闭,气体无法涌出,气浪无法在独头巷道中顺利向前传递,而是与巷道中的气浪相互叠加、碰撞,持续地、无规则地流动.     

平顶山东部矿区地应力场特征及其对煤与瓦斯突出的影响

为了研究平顶山东部矿区地应力场特征,以及地应力对煤与瓦斯突出的影响,利用地应力实测资料,运用理论分析和数理统计计算相结合的方法,系统研究了东部矿区地应力的分布规律;并且进行了地应力区块划分,揭示了东部矿区地应力在突出中的作用。结果表明:1)东部矿区地应力场以水平构造应力为主,最大主应力方向为NEE-SWW向,最大水平主应力百米梯度为5.4 MPa左右,该区域内集聚了较高的水平构造应力,应力场类型为大地动力场;2)依据最大水平主应力随埋深增加而增大的应力梯度线,将东部矿区划分为应力升高区和应力梯度区;3)应力升高区由于地应力集中,提供了突出的动力,构造煤的发育则减少了突出阻力,造成了该区域频繁发生突出事故,突出的主导因素为地应力。