含硬夹矸高瓦斯低透气性煤层多向聚能爆破技术研究

针对在含硬夹矸高瓦斯低透气性煤层开采时，一方面煤层瓦斯抽采困难，另一方面煤层中的坚硬夹矸难破碎的问题，开展含硬夹矸高瓦斯低透气性煤层多向聚能爆破研究。理论上，分析多向聚能装药对爆破的影响，引入多向聚能影响系数，计算得出了不同方向上裂隙的范围。通过相似模拟试验，验证了多向聚能爆破实际效果；利用LS-DYNA数值模拟软件，对不同装药方式爆破作用下煤与夹矸裂隙的发育特征及应力演化规律进行了数值模拟研究。研究结果表明:多向聚能爆破能够将爆破能量积聚在夹矸弱化和煤层增透的方向上，形成以导向裂隙为主，大量分支裂隙为辅的裂隙网，在夹矸弱化和煤层增透方向上的应力峰值分别为普通爆破的1.21倍和1.16倍。多向聚能爆破能够在提高破碎坚硬夹矸能力的同时提升煤体中裂隙的发育程度，从而大幅优化爆破效果。     

深孔预裂爆破弱化煤层夹矸技术的应用

山东华恒矿业集团矿井以薄煤层为主,且煤层内含坚硬的硫化铁结核,使得现代化机械设备和新工艺无法正常工作.通过采用超前深孔预裂爆破的技术,对该集团41305东工作面的夹矸层进行弱化,介绍了爆破的操作流程、装药工艺以及爆破的基本参数,采用在长壁工作面内打钻爆破的方法,达到最大程度的粉碎夹矸,从而确保采煤机的顺利工作,提高采煤效率.     

采动底板力学特征及其对回采巷道稳定性影响

应用理论分析、计算机模拟和现场实测,分析了采动底板应力传播规律及其对底板巷道稳定性影响规律。研究表明:煤壁前方应力增高区附近底板压应力分布呈现"球根"状,随着埋深的增加,垂直应力先增加后减小,剪应力浅部采场边界高度集中,是引起层状底板剪切滑移的根本原因。张集矿1113(1)工作面回采过程,活化了已回采稳定的两工作面层间似连续-非连续-散体结构,导致非连续结构的剪切滑移失稳,和散体冲破相互咬合摩擦力的移动,引起了1113(1)工作面轨道巷广距离失稳。相邻采区开采顺序由上下煤层间隔同采调整为上下煤层顺序开采后,巷道表面位移显著降低,技术经济效益显著。研究成果可为煤层群开采采区设计、底板巷道稳定性控制提供理论基础。     

风积沙厚度对浅埋煤层大采高工作面矿压显现的影响

针对神东矿区大柳塔煤矿52304工作面通过风积沙较厚区域时强烈的矿压显现现象,通过理论分析与物理相似模型以及现场测试等方法,建立工作面过风积沙区域时的力学模型,分析风积沙厚度对大采高工作面矿压显现规律的影响,对风积沙厚度对工作面关键层力学稳定性做出分析,并通过数值模拟对影响性进行研究。研究结果表明:风积沙厚度较大的开采区域,作用在覆岩主关键层结构上的载荷较大,造成主关键层破断块体的结构回转变形失稳,造成工作面矿压显现极强烈;大采高和风积沙厚度较大条件下距煤层较远的主关键层破断运动也会对工作面矿压显现产生影响,且采高、厚风积沙因素缺少其中一个时,主关键层均不会对工作面矿压产生明显影响。     

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。     

煤壁应力峰值动态移动诱发封孔漏气机理研究

基于有效应力原理分析了煤体吸附瓦斯对煤体强度的影响,提出应用煤体单轴抗压强度衰减比k_σ表征瓦斯压力变化对煤体强度的影响;应用数值分析方法研究了煤体瓦斯抽采前后煤壁前方煤体应力、屈服破坏范围的变化。结果表明,抽采期间,煤壁前方煤体应力峰值处于"动态移动"状态,致使煤壁前方的屈服破坏区间同时发生移动,水泥封孔段由受压转为应力卸载状态而发生膨胀破坏,在封孔段水泥与煤壁之间形成松动漏气通道,孔外空气将沿该漏气通道进入孔内,使抽采浓度降低。为提高带压封孔方法的封孔效果,应科学判定抽采前期煤体应力峰值区间,并考虑抽采期间煤体"应力峰值移动"的影响,在应力峰值区间适当向两侧延伸封孔段长度,注重封孔器材和封孔材料的研制和选择。     

基于Hilbert谱信息熵的煤矸放落振动特征分析

针对煤矿安全生产中的综放工作面煤矸界面探测问题,提出利用煤矸下落冲击钢板的振动特征来探测煤矸界面的方法。煤矸振动信号表现出非平稳特征,采用经验模态分解方法将复杂矿井环境下的煤矸振动信号分解成固有模态分量。选择包含煤矸振动特征的前7个本征模函数(IMF)分量,通过Hilbert变换得到Hilbert谱。分析不同放煤状态下钢板振动信号的Hilbert谱发现,顶煤下落时的Hilbert谱分布较均匀,而煤矸混放时的Hilbert谱呈现不均匀分布。根据信息熵理论,提出了基于Hilbert谱信息熵的煤矸振动特征提取方法。试验结果表明,顶煤下落时的Hilbert谱信息熵要大于煤矸混放时的Hilbert谱信息熵,因此,煤矸振动的Hilbert谱信息熵特征能够准确地反映放煤状态。     

工作面水力卸压防突作用的数值模拟

为进一步摸清水力卸压的防突作用原理,笔者用UDEC软件对张集煤矿7353工作面水力卸压措施进行了数值模拟。先介绍水力卸压技术及模拟工作面概况,后通过确定几何模型及单元划分、边界条件及初始应力场、力学模型、开挖模型、水力卸压后相关参数等环节进行数值模拟和分析,与此同时,通过测定现场水力卸压后的煤体位移并与数值模拟对照,验证数值模拟方法的正确性。从模拟及现场结果看,水力卸压后的煤壁位移量加大,塑性区范围增大,应力集中程度下降,集中应力深移,卸压带加长,降低了工作面前方煤体的弹性潜能,增加了煤层透气系数及煤体颗粒运动的阻力,从而起到预防突出的作用。     

硬质体构造对煤巷掘进工作面瓦斯压力分布的影响

为分析硬质体构造对煤巷掘进工作面瓦斯压力分布的影响,运用含气-固耦合分析模块的岩石破裂过程分析有限元软件建立正常煤层掘进和含硬质体构造煤层掘进两种物理力学模型,对两种煤巷掘进工作面前方煤体应力和瓦斯压力分布规律进行数值模拟.结果表明,硬质体构造的存在增加了掘进工作面前方煤体的应力集中范围和应力梯度,进一步降低了煤层的透气性,阻碍了工作面深部煤体瓦斯向自由面的正常运移,进而形成了高瓦斯压力梯度.高瓦斯煤层掘进工作面硬质体地质构造直接影响煤巷掘进工作面地应力的分布,间接地影响瓦斯压力的分布.     

带压开采陷落柱突水影响因素数值模拟

为研究承压水压与煤层陷落柱位置这两种因素对陷落柱突水的影响,在分析固流耦合数学模型的基础上,利用数值模拟软件FLAC3D,以双柳矿地质条件为背景,分别对3 MPa和5 MPa承压水压下开采上、下两组煤4种情况进行模拟,分析陷落柱及其周边围岩的渗流-塑性破坏耦合场、应力场和位移场的变化.结果表明:随着工作面推进至接近陷落柱,工作面前方集中应力场与柱体周边应力场发生耦合,并出现应力集中,当水压为5 MPa开采上组煤时应力集中系数最大,最容易形成突水危险区域;当上组煤工作面距离陷落柱为30 m时,陷落柱渗流场与集中应力场开始连通,在开采下组煤时这一距离比上组煤扩大15 ～ 20 m;煤层底板随工作面推进发生压缩-膨胀周期变化,引起拉伸、剪切破坏.     

煤层底板隐伏陷落柱突水预测及采前注浆加固评价

华北型煤矿开采受底板岩溶强含水层威胁，通过对淮南张集矿1613A工作面底板隐伏岩溶陷落柱突水危险性分析，采用FLAC3D方法模拟采动条件下岩溶陷落柱活化过程。模拟结果显示:陷落柱上方的煤层底板岩体发生塑性变形，导致陷落柱附近岩体失稳，陷落柱筒壁产生局部剪切破坏，剪切破坏位置易导致奥灰强含水层发生陷落柱突水。采前采用注浆方法改造岩溶陷落柱，对改造后的陷落柱进行数值模拟分析，其内部注浆岩体对陷落柱筒壁具有良好的支撑作用，抑制了筒壁位置剪切破坏的发生，使有效隔水层厚度增大，降低了陷落柱突水的危险性。     

吕梁矿区薄层灰岩突水判别研究

吕梁矿区某矿山西组煤层受奥陶系灰岩含水层和太原组灰岩含水层高承压水威胁,工作面回采时发生了底板突水.为了快速、准确判别突水水源类型,分析突水原因并制定合理的治理措施,采用灰色关联度法分析水质关联度,利用弹塑性理论计算了煤层采动后底板最大破坏深度,分析了隔水层厚度及岩性组合的隔水性能.分析结果表明,煤层底板隔水层厚度平均26m,且软岩所占比例达到62.18％,灰色关联度分析突水水源接近太原组灰岩水,底板最大破坏深度26.7m,距离煤壁22.4m,与实际突水点吻合,判断突水水源为太原组灰岩水.     

露天矿含断层逆倾软岩边坡滑移模式及稳定性研究

作为一种典型的露天矿边坡,含断层逆倾软岩边坡变形破坏机理及稳定性问题尤为复杂。以胜利西二露天矿西帮边坡为工程背景,基于强度折减原理,应用有限差分软件FLAC3D模拟分析了Fx1断层位置、倾角及弱层逆倾角度不断变化时西帮软岩边坡的滑移模式及稳定性变化规律,阐明了边坡变形破坏机理。结果表明:逆倾软岩边坡滑坡力学机理受断层位置影响较大,当断层逐渐向边坡外侧偏移时其滑坡的力学成因由推动式滑坡逐渐过渡为牵引式滑坡,边坡稳定性逐渐提高;当断层倾角增大到某一值时,断层对逆倾软岩边坡滑移模式及稳定性影响消失;弱层倾角对滑面位置影响较大,边坡稳定性随弱层倾角减小逐渐降低;该矿西帮边坡稳定性主要受弱层控制,Fx1断层次之;当Fx1断层露头距边坡坡脚水平距离大于221 m时,边坡稳定性及滑坡模式不再受Fx1断层的控制;当Fx1断层露头距边坡坡脚水平距离小于201 m时,边坡稳定性逐渐提高,潜在滑坡模式由剪切圆弧-弱层相结合的组合滑动过渡为剪切圆弧-断层-剪切圆弧-弱层相结合的组合滑动。     

露天矿含斜交断层顺倾层状边坡稳定性三维数值模拟

为揭示露天矿含斜交断层顺倾层状边坡的变形破坏规律及其力学成因机制、明确断层对边坡变形与稳定性的影响,以元宝山露天煤矿东帮边坡为工程背景,应用有限差分软件FLAC3D,基于强度折减理论,对含斜交断层顺倾层状边坡稳定性进行了三维数值模拟。结果表明:元宝山露天矿东帮边坡的滑坡模式为以4#弱层为底界面、以断层面与椭球面相交形成的不规则曲面为侧界面的切层-顺层滑动;边坡整体稳定性较好,其滑坡的力学成因机制类型为推动式;多个顺倾弱层对边坡变形具有叠加效应,而斜交断层的切割会一定程度上削弱弱层对边坡变形的控制作用。     

穿越煤层段隧道爆破振动对围岩稳定性影响研究

为了研究穿越煤层段隧道爆破振动对围岩稳定性的影响,以滇黔省界毕镇高速公路某隧道为工程背景,运用现场实测、数值模拟及理论分析相结合的方法,探讨不同煤层厚度、砂岩顶板不同厚度条件下隧道爆破引起的围岩振动特性。研究结果表明:随着煤层厚度减小,振速峰值呈加速增加趋势,随着砂岩顶板厚度增加,振速峰值呈加速减小趋势;在各模拟工况中,工作面位置处振速峰值最大,工作面后方的振速峰值随距离变化呈先急剧减小后衰减趋于平缓的趋势;隧道不同位置受爆破振动影响各异,其中拱顶部位受爆破振动影响最显著,振速明显高于其他部位,拱肩部位次之,拱腰部位振速受到的影响最小。将数值模拟、现场监测及岩石动力学理论3种方法得出的振速对比分析,提出该隧道爆破施工安全振速标准。     

论减少井下排矸量对煤炭清洁开采的意义

<正>煤炭是重要的能源和原料,但在煤炭的开采、加工过程中会排放出大量的污染和废弃物,如矸石、井下废气、粉尘、污水等,严重污染环境,而控制污染的措施之一就是清洁开采。采煤过程中排放的矸石,主要来源于井下岩石巷道掘进、半煤岩巷掘进、煤仓和溜煤眼的掘进以及采煤工作面的矸石(掺入煤炭中的顶、底板岩石或煤层夹矸中的岩石)。它与矿井开拓系统和采区巷道布置紧密相关。随着     

含多弱层复合边坡滑坡治理三维数值分析

白音华二号矿滑坡区边坡治理工程是针对稳定性差的南帮非工作帮和南排土场构成的复合边坡进行的。滑坡体受多层弱层控制,治理过程中易导致边坡失稳,所以治理工程采取分区开采的条采方案,充分利用边坡治理的三维效应来进行边坡的失稳破坏研究和稳定性分析。选取滑坡区的典型剖面作为研究对象,基于强度折减方法(SRM),应用有限差分FLAC3D软件,在两种开挖条件下,对含多弱层的复合边坡的稳定性规律和破坏机制进行了数值模拟分析,揭示了多弱层对复合边坡的失稳破坏及稳定性的影响。研究结果表明,治理工程中,弱层被揭露一定宽度,滑体沿煤底板弱层水平错动、竖直方向拉裂破坏;随弱层暴露宽度的增加,边坡稳定性明显降低,说明治理边坡具有三维效应;开挖至3-3煤层底板,开挖坡角20°,弱层暴露宽度为400m,边坡的稳定系数刚好达到安全储备系数1.1,建议矿方首选此方案,可以最大限度的回收煤炭资源。     

煤层小褶曲应力分布数值模拟

为研究煤层小构造对矿井安全生产的影响,在分析力学模型基础上,利用FLAC3D软件对煤层小型褶曲进行了应力分布数值模拟,并基于残余构造应力场反演分析,研究了煤巷掘进工作面靠近小型褶曲时工作面前方煤层应力变化情况。结果表明:发生小褶曲形变过程中,煤层内部不同部位的应力性质趋于稳定,应力集中程度发生明显变化;当变形停止后,褶曲不同部位的应力集中程度存在很大差异;对褶曲煤层进行巷道开挖,随着工作面向褶曲轴推进,工作面前方会出现应力异常变化。以上现象结合瓦斯运移规律,可以从地质力学的角度解释煤层小褶曲导致瓦斯异常涌出和瓦斯动力灾害的原因。矿井生产实例也证明了小型褶曲的重要影响。     

基于剪切梁理论的爆破扰动对巷道顶板稳定性影响研究

厚煤层沿底布置巷道顶板维护难度较大,从爆破扰动影响顶板稳定性的角度对此进行了研究.在分析爆破应力波远区破坏效应的基础上,建立了沿底布置巷道顶板的剪切梁模型,依此研究了顶板煤、岩体的水平位移及应力分布规律,最后以某矿地质条件为原型利用Flac3D数值软件进行了模拟研究.研究发现:基于爆破应力波的远区破坏效应,沿底布置巷道的顶板煤层与上覆岩层的相对错动可以用剪切梁理论加以分析.基于此得到了厚煤层巷道顶板中煤层与岩层单调加载过程及循环加载条件下的位移及应力分布,单次爆破对顶板的影响有限,多次扰动的累积效应会对其产生一定程度的损伤.模拟中,随着装药量的增加,沿底布置巷道顶板煤、岩体的水平位移随之增加,且煤体的位移量大于岩体;持续扰动条件下,煤、岩体的水平位移均出现了累加效应,且随着动力扰动作用次数的增加,煤、岩体的相对错动逐渐增大,容易产生顶板离层垮落等动力灾害.研究成果对加强扰动作用下顶板的支护管理具有一定的理论与指导意义.     

露天矿高陡复杂边坡软弱岩层组“坐落-滑移式”破坏模式研究

边坡稳定性问题随露天矿开采的进行不断突出,而边坡软弱岩层严重影响边坡稳定性。大量工程实例显示,露天矿含软弱岩层组的高陡复杂边坡失稳模式通常为“坐落-滑移式”破坏。为明晰露天矿高陡复杂边坡软弱岩层组“坐落-滑移式”破坏模式的破坏机理,以某露天矿为例,提出一种针对露天矿含软弱岩层组高陡复杂边坡的综合分析方法。研究结果表明：采用工程地质分析、传统极限平衡方法和数值模拟分析相结合的综合分析方法,针对该类型复杂边坡可发挥不同分析方法的优势,较全面地从地质自然环境条件、定性定量方面、应力应变角度分析边坡破坏机理及模式,总结归纳出含软弱层组露天矿高陡复杂边坡“坐落-滑移式”破坏的“坐落-滑移-剪出”三段式破坏特征,为其他类似复杂边坡稳定性的分析和防治提供思路和手段。