复合动力灾害条件下孤岛工作面区段煤柱宽度留设研究

孤岛工作面覆岩空间结构复杂多变,受开采和地质等因素的影响在开采过程中面临冲击地压、煤与瓦斯突出、自燃发火以及采空区突水等复合动力灾害。留设合理宽度的区段煤柱是确保工作面安全开采的关键,以陕西某矿特厚煤层孤岛工作面开采为工程案例,通过分析工作面覆岩空间结构,理论计算了工作面应力分布;采用应力动态监测等方法确定了该工作采空区侧向覆岩运动,并综合考虑冲击地压灾害防治、次生灾害控制以及巷道支护等因素,确定了该工作面区段煤柱的合理宽度为5~7 m。     

基于Box Behnken设计的煤导热系数分析与预测

为研究分析水分、固定碳及密度3个因素对煤导热系数的影响,选取多个矿井不同煤质的煤作为实验煤样,使用NETZSCH LFA457型激光导热系数测试仪进行测定,并引入二次响应曲面试验设计思想,采用Design Expert软件进行煤质指标的Box Behnken试验设计,按设计表筛选实验数据,构建了导热系数多因素、多水平影响下二次回归响应曲面模型,并对不同采样地点的煤导热系数进行了分析与预测。结果表明:二次回归方程P值小于0.000 1,极显著,失拟项为0.072 4,不显著,回归方程具有统计学意义;当水分在0.9%~10.9%,固定碳在49.3%~83.6%,密度在1.2~1.92 g·cm³之间,对煤的导热系数一次项影响程度为密度>固定碳>水分;二次项影响程度为固定碳和密度>水分和密度>水分和固定碳,且固定碳和密度之间存在交互作用,水分和密度、水分和固定碳之间无交互作用;应用响应曲面模型预测的煤导热系数误差为4.3%,满足精度要求。     

微波辐照作用对颗粒煤瓦斯解吸特性影响实验研究

为了研究微波场连续-间断辐照作用对颗粒煤瓦斯解吸特性的影响,通过自制的实验装置,分析研究了微波连续-间断作用10 ,20 ,40 s及无微波作用下的构造煤颗粒瓦斯解吸量及解吸速率变化规律,并采用水浴加热装置模拟微波产生的热效应,研究了微波热效应在促进煤粒瓦斯解吸中的影响。实验结果表明:在微波连续作用时间内,瓦斯解吸量和解吸速率均迅速增大,然而随着时间的延长衰减较快,最终瓦斯解吸量趋向于一定值,微波连续-间断辐照作用下的瓦斯解吸量是无微波加载作用下的1.83～3.93倍;微波产生的热效应对瓦斯解吸影响较为显著,权重达82%以上,然而其非热效应的影响也不可忽视。实验方法与结果可望为促进构造瓦斯解吸、降低煤层突出危险性提供参考。     

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。     

间距对上保护层开采保护效果影响的相似模拟实验研究

为研究上保护层开采保护效果随层间距的变化规律,以南桐矿区作为实验背景,保持保护层倾向工作面开挖长度、煤层埋深、倾角、岩层物理力学性质相同,将层间多层岩层处理为复合岩层,分别进行近距离、远距离和超远距离上保护层开采相似模拟实验。综合分析被保护层卸压规律及基于被保护层垂直于层面的膨胀变形保护准则所得保护范围可知:上保护层开采被保护层卸压曲线呈“凸形”,且“凸形”中心线偏向下山方向。随层间距增加,“凸形”底部被保护层小于原岩应力的卸压范围与“凸形”顶部卸压曲线顶部较大卸压的范围均呈减小趋势;两者中心位置均向下山方向转移,且后者转移度大于前者;被保护层卸压曲线中卸压范围的卸压程度及应力集中范围的应力集中程度均呈减弱趋势;以垂直层面的膨胀变形量3‰确定的上下边界膨胀变形保护角均小于《防治煤与瓦斯突出规定》中相应条件的卸压角,因此以该方法确定的保护范围相对《防治煤与瓦斯突出规定》偏于安全,且随层间距增加保护范围长度呈加速减小趋势。     

煤层底板卸荷扰动断裂机制宏细观研究

基于断裂力学和重整化群理论,采用综合研究方法,从宏细观角度对开采扰动底板损伤岩层动态失稳机理进行了研究。结果表明,煤层回采后,底板岩层存在高应力束组成的主应力拱,最大主应力大小决定裂纹的起裂与扩展,裂纹的生长路径受控于最大主应力的方向。采场高支承压力引起岩层原始裂纹起裂,宏观上表现为底板岩层的预先剪切随机破坏;近场区域最大主应力场部分偏转,引起底板岩层中垂直应力显著降低、浅部水平应力急剧增加和斜向采空区方向产生高剪应力,迫使裂隙在原有扩展长度基础上进一步生长;工作面继续推进,采空区内底板岩层水平方向上压缩和竖向膨胀引起岩层拉破坏,当底板岩层损伤发展到临近损伤值时,极小范围的扰动被强烈放大,底板岩层由随机破坏转为"雪崩"式宏观断裂。     

立井揭煤前测定煤层瓦斯压力的方法与实践

为了解决复杂环境下立井揭煤前煤层瓦斯压力的可靠测定,基于揭煤井筒瓦斯地质特征、煤岩体物理力学性质,应用COMSOL软件模拟揭煤工作面在接近目标煤层时,井筒周围煤岩的地应力分布特征,直观展现了目标煤层中的应力分布结果。模拟结果表明,立井工作面距煤层的垂直距离为7 m时,煤层中会形成一个近似于环形的卸压圈,卸压半径为16 m,因此煤层瓦斯压力测试孔的终孔位置应布置在井筒中心线16 m以外的原始地应力区,以保证测压点瓦斯压力不受揭煤井筒卸压区的影响,令测压结果准确可靠,从而更好地预测煤与瓦斯突出区域的危险性。同时,结合立井揭煤工作面的水文地质特征和井筒严重淋水情况,自主研发并应用了瓦斯测压孔"两堵一注"封孔材料及特定的封孔工艺,进一步保障了封孔质量和瓦斯压力测试结果的可靠性。最后,依据测压结束时测压管内的实际水压情况,对测压结果进行修正,并依据实测瓦斯含量,采用间接法对所测得的瓦斯压力进行验证,实测值在反算得到的瓦斯压力值域内,表明此方法有效可行。     

2002-2014年我国煤矿重特大事故特征及发生规律研究

为了研究我国煤矿重特大事故的一般规律,分析了2002-2014年我国煤矿发生的421起重特大事故,得到我国煤矿重特大事故的基本特征.利用统计分析法从地域、类型、所有制3个维度综合分析了421起煤矿重特大事故.结果表明:山西、贵州、河南、黑龙江和湖南5个省份的重特大事故起数和死亡人数分别占全国总数的56.1％和56.8％,是我国需重点监管和治理的省份,并对山西、河南和黑龙江3省重特大事故频发的原因进行了分析;瓦斯事故和水害事故的发生起数及死亡人数占比分别为83.3％和86.3％,是需要重点防治的事故类型;国有重点煤矿重特大事故平均每起死亡人数为29.87,且近两年重特大事故起数和死亡人数均大幅度上升,是需要重点防范的对象;乡镇煤矿重特大事故起数及死亡人数下降速度均较快,但事故起数和死亡人数仍较多,是国家重点监控、治理的对象.     

乌东矿急倾斜特厚煤层水平分段综放开采顶板破断特征研究

为研究急倾斜特厚煤层水平分段综放开采顶板破断特征,基于急倾斜特厚煤层工作面顶板赋存条件并结合弹性力学,建立了急倾斜特厚煤层水平分段开采顶板力学模型。通过力学模型分析,推导出急倾斜特厚煤层水平分段开采后顶板沿工作面倾向方向的岩板破断判据及挠度公式,应用三角级数方法对挠度公式进行求解,确定了顶板沿倾向方向上最大挠度发生的位置关系式。理论研究成果在乌东矿南采区B1+2急倾斜特厚煤层水平分段综放开采中的工程应用表明,工作面沿倾向方向上推进到385 m时顶板发生破断,倾向方向顶板最大挠度坐标位置为y=325.78 m,顶板沿工作面倾向方向的最大挠度位于采空区中部偏下位置。表现为急倾斜特厚煤层顶板在工作面上方的非对称性破断;相似材料试验进一步验证了顶板挠度公式的合理性。     

基于FLAC3D的复合煤岩受载破裂数值模拟及试验研究

采用FLAC~(3D)对复合煤岩模型的单轴压缩破裂进行数值模拟及试验,研究复合煤岩受载破裂应力与应变关系变化规律。针对煤样厚度、复合煤岩组合比、煤层参数、顶底板岩性等参数,对复合煤岩模型进行加载仿真研究,仿真及试验结果表明:单一煤样模型随着高度的减小,应力应变曲线整体阶段存在尺寸效应;改变煤岩组合比例时,其抗压强度基本不变,随煤样比例增大,复合煤岩的整体弹性模量减小,整体刚度减小;单一改变复合煤岩的煤样参数时,随煤样弹性模量增大,复合煤岩的弹性模量越强,应力应变曲线峰值点越高,对应应变越小;单一改变顶底板岩性,对复合煤岩模型的应力应变曲线影响不大。试验结果和仿真结果变化趋势一致,表明所建模型具有一定正确性和适用性。