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主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

“中国煤炭学会成立60周年”特刊

来源:《煤炭学报》2022年第1期

“中国煤炭学会成立60周年”特刊

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  • 作者(Author): 程桦, 张亮亮, 姚直书 , 彭世龙, 郭龙辉

    摘要:针对厚松散层薄基岩非对称开采井筒偏斜机理问题,以山东郭屯煤矿立井井筒偏斜为研究对象,在阐释厚松散层薄基岩煤层开采覆岩移动变形机理的基础上,采用煤层开采沉陷理论、土体固结理论和随机介质理论,根据叠加原理给出了该类地层煤层开采和底含疏水共同作用覆岩移动变形计算公式,并得到实测验证;基于对该类地层开采覆岩移动变形特征分析,揭示了厚松散层薄基岩非对称开采与底含疏水共同作用下井筒偏斜机理及其影响因素。研究表明:在煤层开采与底含疏水固结共同作用下,大幅增大了地层下沉与水平移动系数、沉降和水平移动范围;反演郭屯矿井筒偏斜参数,得到其松散层主要影响角正切值为0.6,远小于《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》规定的2.41~3.54;导致该矿工广内立井井筒偏斜的机理是,煤层开采引发的底含疏水固结沉降叠加作用,致使该矿主、副、风井均处于覆岩移动变形影响范围内,在非对称煤层开采(西北方向)条件下,上覆深厚松散层向该方向发生水平移动,从而导致井筒发生偏斜;井筒偏斜量与底含厚度M、松散层与基岩层厚度比k0以及底含水位降深Sw等因素成正相关,且影响敏感度依次为Sw,k0,M。
  • 作者(Author): 许家林, 秦伟, 陈晓军, 胡国忠, 谢建林, 王晓振, 朱卫兵

    摘要:采动覆岩经历了卸荷膨胀与再压实的动态过程,将覆岩卸荷膨胀总量随卸荷高度及承受载荷不断累积而发生动态变化的现象称为采动覆岩卸荷膨胀累积效应。采动覆岩卸荷膨胀累积效应是岩层移动过程中的自然现象,对岩层移动规律具有重要影响。基于修正后的采动覆岩卸荷膨胀累积效应力学模型,以山西赵庄煤矿1311工作面内部岩层移动实测结果为基础,针对采高、采深和岩性对采动覆岩卸荷膨胀累积效应的影响开展了理论研究。结果表明:采动覆岩卸荷膨胀总量主要由垮落带和裂隙带的塑性膨胀与主关键层下部弯曲下沉带的弹性膨胀所组成,其中垮落带的塑性膨胀占比最大,弯曲下沉带的弹性膨胀占比最小。采动覆岩卸荷膨胀总量随覆岩卸荷高度的逐步增大呈现先增大到峰值后再逐步减小的过程,当覆岩主关键层破断后,弯曲下沉带的弹性膨胀量降为0,此时覆岩卸荷膨胀总量达到最小值,为覆岩残余膨胀量。采高对覆岩卸荷膨胀累积效应的影响主要体现在不同采高条件下垮落带与裂隙带高度不同。覆岩卸荷膨胀总量随采高的增大而增加,当采高由2.5 m增大至10.5 m时,卸荷膨胀总量峰值和残余碎胀量均增大3倍以上。与采高相比,采深变化一般不会改变垮落带与裂隙带高度,采深对覆岩卸荷膨胀总量峰值影响较小。采深对覆岩卸荷膨胀累积效应的影响主要体现在不同采深条件下覆岩残余膨胀量的不同,覆岩残余膨胀量随采深增大而减小,当采深由496.6 m增加至896.5 m时,覆岩残余膨胀量减少了32.5%。岩性对覆岩卸荷膨胀累积效应的影响主要体现在不同岩性碎胀煤岩被压实的难易程度不同,覆岩卸荷膨胀总量随岩性的变硬而增加。当初始切线模量和弹性模量由降低50%到增大50%时,覆岩卸荷膨胀总量峰值增加4.3%,但覆岩残余膨胀量增加110%。覆岩残余膨胀量决定了地表下沉系数大小,因此,覆岩卸荷膨胀累积效应可影响地表下沉系数变化规律。采高对地表下沉系数的影响并非单调线性的,下沉系数随采高增大是微量减小还是微量增大取决于关键层位置对裂隙带高度的影响情况。在充分采动条件下,由于塑性膨胀区残余膨胀量随采深增大而减小,下沉系数随采深增大而增大。当岩性由软变硬时,塑性膨胀区越不易被压缩,地表下沉系数相应减小。
  • 作者(Author): 张东升, 范钢伟, 张世忠, 马立强, 王旭锋

    摘要:煤炭资源保水开采是实现绿色化开采的核心技术之一,保水开采可行性评价则是开展科学开采设计的基础问题。从采动覆岩整体阻水性角度入手,综合考虑覆岩整体的阻水行为与地下水系统的动态响应之间的关系,提出了将上覆隔水岩层(组)虚拟为等效阻水层的学术思想,形成了基于采动覆岩等效渗透系数计算等效阻水厚度进行保水采煤可行性定量评价的新思路与方法。基于达西定律、Kozeny-Caman方程以及采动覆岩移动影响函数递推关系,采用分层、分区组合等效方法,在单岩层水平方向上通过并联来计算整层垂向等效渗透系数,进而通过垂直方向上进行多岩层等效渗透系数串联计算,建立了基于采高、工作面长度、沉陷参数和岩层初始水理参数的采动覆岩整体垂向等效渗透系数的计算方法;以采后覆岩地下水渗漏速度与目标含水层补给速度相等作为保水采煤临界条件,确定了保水采煤最大临界渗透系数与采高、等效岩层厚度之间的关系;基于采动覆岩的渗透系数与其等效阻水厚度成反比的假设,建立了采动覆岩等效阻水厚度的计算方法,进而根据维持含水层水位稳定所允许的最大临界渗透系数,提出了基于采动覆岩等效阻水厚度的保水采煤可行性评价方法,并通过伊犁四矿保水采煤含水层水位变化实测进行了实例验证。研究成果为保水开采预测评价、方法选择和参数优化提供了新的方法。
  • 作者(Author): 刘长友, 张宁波, 郭凤岐, 安森, 陈宝宝

    摘要:综放工作面放煤工艺中的煤矸智能识别是智能化综放开采的瓶颈,经过十几年的不断探索研究,基于煤层的沉积环境和岩性赋存特征,提出了煤岩层低水平自然γ射线辐射高精度实时探测方法和煤矸自动识别原理,为综放工作面放煤工序的煤矸智能识别控制奠定了基础。根据特厚煤层含多层夹矸的复杂结构特征,以提高煤矸识别的精准性为目的,分析了特厚煤层夹矸的赋存特点及自然辐射特性;开展了煤-矸(夹矸)-岩(直接顶岩石)放落流动的时序规律研究,得出顶煤中夹矸的层位、间距、层数等因素会影响放落流动时序,且呈现不同的时序状态,据此进行了放落流动时序分区;相应地不同时序区的混矸率会呈现不同的特征:当夹矸无时序放出时,混矸率在一固定的范围内波动,当煤-夹矸渐次放出时,混矸率呈现上升—稳定—连续台阶式上升的特征,直接顶矸石的混入,使得混矸率呈线性增加;基于煤-矸-岩放落流动的时序特征,得出了不同时序条件下自然射线的辐射变化特征,确定了自然射线辐射强度台阶式变化与夹矸赋存参数的影响关系,区分了放煤流中含有夹矸和直接顶矸石混入的辐射特征,确定了不同煤-矸-岩放落时序区的辐射强度范围,提出了以自然射线辐射强度作为煤-矸-岩自动识别的主要参数和2种不同关窗方式的识别方法;在同煤集团塔山煤矿进行了现场测试,测试结果与研究结果得到了很好的印证,达到了预期效果,为智能放煤的现场应用奠定了基础。
  • 作者(Author): 窦林名, 田鑫元, 曹安业, 巩思园, 贺虎, 何江, 蔡武, 李许伟

    摘要:随着煤矿开采强度和深度的增加,冲击地压矿井数量和冲击危险程度显著增加,政府关注度不断上升,我国冲击地压防治研究取得了一系列重要进展,冲击地压矿井防治能力取得长足的进步,多数冲击地压矿井达到事故可控。基于冲击地压重要研究成果,全面地阐述了冲击地压领域在法规建设、发生机理、监测预警等方面研究进展与发展趋势,同时指明了未来冲击地压防治面临的难题。法规与标准方面,形成了《煤矿安全规程》和《防治煤矿冲击地压细则》为核心的法规体系,法规建设的具体化、标准化不断完善;冲击地压发生机理方面,形成了“三因素”理论、动静载叠加诱冲理论等多种机理共存的局面,从多角度叙述了冲击地压致灾过程,呈现多元化发展;冲击地压预测预报方面,形成了综合多因素、多系统、多前兆信息的复合预测预警体系,预警效率不断上升;冲击地压巷道支护方面,形成了三级支护理论体系,增强了巷道稳定性和抗动载扰动的能力;冲击地压限员管理方面,实现了智能化限员;冲击地压防治层面,形成了区域防范、局部解危相结合的冲击地压防治技术体系,灾害防控能力不断提升。当前我国建立了较为完善的冲击地压防治理论与技术体系,防治效果显著,但由于冲击地压的震动性、瞬时性、复杂性以及难预知性,还存在冲击地压与矿震关系不清、冲击危险预测方法难以定量、空间监测精度不足等问题亟待解决。
  • 作者(Author): 齐庆新, 王守光, 李海涛, 穆鹏宇, 杜伟升, 杨冠宇

    摘要:冲击地压作为应力敏感型动力灾害,具象化地描述应力在煤岩介质中的空间流动特征,对于冲击地压科学评价与防控具有重要意义。为此,完善了冲击地压应力流理论,指出应力流在时间上表征了应力率,在空间上表征了应力梯度,提出了应力流张量与应力流矢量的概念及计算公式,指出应力流张量描述了不同位置、不同时刻应力的流动趋势,而应力流矢量总是与应力梯度增量方向相同。理论推导表明应力流越大的区域,应力强度因子变化越大,材料可能更易发生断裂破坏。在非线性有限元程序中开发了应力流矢量计算程序,实现了应力流的可视化,通过数值分析还原了单轴压缩试验、单煤层常规开采条件下的动态应力状态,计算结果表明:岩石单轴压缩过程中,应力流矢量呈近水平分布,向外发散;常规开采过程中,垂直方向应力流较大,由顶底板岩层指向中间煤层,水平方向应力流主要指向工作面前方,当开挖距离增大,采空区附近应力梯度明显增大,应力流矢量分布区随工作面前移。通过单轴压缩试验,发现应力流矢量方向与试样破坏变形方向较为吻合,初步验证了应力流与岩体开裂破坏的内在相关性。最后探讨了工程现场的应力流监测方法。研究成果有望为煤矿冲击危险性定量评价与差异化防治措施制定提供直观的认知形式和实用的理论工具。
  • 作者(Author): 谭云亮, 范德源, 刘学生, 张俊文, 宁建国, 姚强岭, 付小敏

    摘要:煤矿深部超大断面硐室群因其围岩应力集中程度高、破坏影响范围大,特别是在复杂动载扰动下易发生连锁破坏失稳现象,其安全和稳定已成为制约深部煤炭资源开采的主要瓶颈之一。围绕煤矿深部超大断面硐室群围岩连锁失稳控制开展研究,针对现有煤矿硐室仅以断面尺寸划分的不足,综合硐室失稳临界埋深、断面面积、围岩综合抗压强度和围岩综合完整性系数等影响因素,提出了基于模糊综合聚类分析的煤矿硐室地质力学等效分类方法,实现了对煤矿深部超大断面硐室的有效判识;通过室内试验、理论分析和数值模拟相结合的方法,考虑密实性系数构建了适于动静组合加载条件的岩石蠕变损伤本构关系,建立了深部复杂应力环境下硐室群围岩连锁失稳机理与能量判据,揭示了深部动静组合载荷下超大断面硐室群围岩变形破坏演化规律;提出了深部硐室群围岩协同支护机理,研发了新型高强超塑吸能支护材料及新型高强拉压耦合锚索,基于长期安全稳定性,构建了深部硐室群围岩递进式加固技术及分步设计方法;研发了超大断面硐室群围岩长时变形失稳监测预警平台,给出了围岩综合预警方法及阈值。在新巨龙煤矿煤矸分选硐室群,硐室断面最大收缩率约6.2%,松动圈发育范围1.0~1.5 m,保证了井下煤矸分选系统的空间安全利用。
  • 作者(Author): 冯国瑞, 朱卫兵, 李竹, 白锦文, 罗泽强

    摘要:针对山西元宝湾煤矿浅埋深上覆和下伏柱式采空区中部煤层的安全复采难题,综合采用理论分析、实验室实验、物理模拟、数值模拟和现场实测方法,探究了柱采区蹬空开采底板煤柱垂直荷载及内应力分布形态,并基于Mises等效应力探讨了柱采区蹬空煤柱潜在破坏形式;揭示了柱采区蹬空开采底板关键柱破坏形式及破坏剥落体运动特征;阐明了底板煤柱破坏次序及柱群动态失稳演化规律。提出通过柱采区注浆充填强化底板煤柱承载能力的方法来进行中层遗煤资源的回收,并据此给出了确保元宝湾煤矿6107工作面中部遗煤蹬空安全复采的底板柱采区临界充填高度。结果表明:若底板9号煤层柱式采空区不充填,层间岩层的非均匀下沉将使柱采区煤柱产生偏心压缩,导致关键柱及其剥落体出现旋转下沉的现象;当柱采区关键柱破坏失稳后,覆岩载荷呈现出双向传递的特点,整个煤柱群表现为以关键柱为中心,双向多米诺骨牌式的链式失稳特征,而三维空间中则呈现出以关键柱为圆心的外向辐射波状失稳扩展特征,柱采区关键柱的破坏失稳将诱发底板煤柱群整体失稳,导致6107工作面蹬空开采区域采掘设备及工作人员、超前煤岩体大面积塌陷等动力灾害。数值模拟及物理相似模拟结果表明,确定6107工作面蹬空段安全复采的底板柱采区临界充填高度为6 m,即充填不接顶高度为2 m,这一结论亦得到了实测结果的证实。在此基础上,针对充填效果较差且充填高度未达6 m的局部区域,进一步提出了底板空洞二次充填和加固处理方法,确保了蹬空段中层遗煤资源的安全复采。

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