特厚煤层卸压综放开采技术原理的实验研究

我国西部地区发现存有大量20 m以上特厚煤层,大部分无法实现露天开采,国内外均没有成熟的理论与技术可以借鉴,为了实现20 m以上特厚煤层的安全高效开采,创造性地提出了特厚煤层卸压综放开采技术。采用60∶1的大比例相似模拟试验方法,研究20 m以上特厚煤层卸压综放开采顶煤垮落破碎的块体分布特征、顶煤位移场分布特征、支架阻力及其对顶煤垮落破碎的影响等。结果表明:当卸压工作面推进75 cm时,500 cm~3以内的顶煤块体较密集,块体比例约为94%,块体数量约为860个;当卸压工作面推进135 cm时,体积为500 cm~3以内的顶煤块体所占累计比例约为96%,块体数量约为1 700个,与卸压工作面推进75 cm时相比,块体比例增加了2%,块体数量增加了840个;当综放工作面推进17 cm时,累计体积达到500 cm~3时几乎包含全部顶煤块体,块体比例约为99.9%,块体数量约为4 810个,与卸压工作面推进135 cm时相比,块体比例增加了3.9%,块体数量增加了3 110个,二次破碎效果显著,能保证顶煤的顺利放出。卸压开采阶段上位顶煤位移中位顶煤位移下位顶煤位移。二次综放阶段下位顶煤位移最大,垮落破碎程度最好。由于支架的支撑作用,下位顶煤中产生多条明显的竖直裂隙,受支架影响的顶煤厚度约为10 cm,支架的反复支撑作用明显促进了顶煤的破碎效果。     

软弱基底排土场边坡破坏模式模型试验研究

为了全面分析软弱基底排土场边坡潜在破坏模式及渐进破坏全过程,开发模型试验的非接触测量系统,其中,图像采集子系统获取试验过程中的高清照片,测量分析子系统基于散斑技术和追踪技术获取模型表面位移场和标志点时程曲线。基于模型试验的非接触测量系统,对软弱基底排土场边坡开展一系列底摩擦试验,试验结果表明,软弱基底排土场边坡的破坏具有渐进性,破坏始于坡脚,并沿着基底软弱层向坡体深部逐渐扩展,最终在坡体后部形成贯通滑面,边坡发生整体滑动。破坏裂缝可以分为2种类型:错动裂缝,裂缝主要为错动变形,并伴随水平分离,主要分布在坡体内部;拉张裂缝,裂缝主要为水平分离,并伴随错动变形,主要分布在坡体后缘。研究结果为软弱基底排土场边坡稳定性评价方法和防治措施的选择提供了依据。     

顶煤预制裂隙定向水力压裂研究

为改善厚硬顶煤冒放性和工作面作业环境,提出顶煤预制定向裂隙水力压裂技术。利用理论分析研究了定向压裂基本原理,分析了钻孔和裂隙的受力模型,得到裂隙的起裂条件、扩展过程及其形态。利用RFPA2D-Flow渗流软件研究顶煤定向压裂规律:在压裂起始阶段,定向裂隙尖端出现高应力集中现象,在钻孔和定向裂隙两面形成卸压区,且随着注水压力的增大逐渐扩大;钻孔和定向裂隙周围形成高水压区,且随着注水压力的增大逐渐扩大。压裂初期煤体发生剪切破坏,压裂后期出现大量拉伸破坏。定向裂隙倾角α介于0°~60°时,裂隙尖端首先起裂、扩展,然后发生转向;当倾角α=75°和α=90°时,裂隙沿最大水平主应力方向扩展。     

大采高采场周期来压顶板结构稳定性及动载效应分析

为提高大采高采场围岩控制效果,采用相似模拟、理论分析及现场实测手段对顶板结构稳定性及动载冲击效应产生机理进行了研究。结果表明:大采高采场初次来压、周期来压期间基本顶形成类似的静定三铰拱结构,结构失稳后,对工作面支架产生影响的岩层范围增加,引发采场来压和顶板动载冲击现象;得到周期来压期间基本顶结构的极限承载能力、回转失稳极限位置、滑落失稳危险点及失稳发生条件;根据能量守恒和动量定理推导出基本顶结构不同失稳类型条件下冲击用时和冲击作用力的解析表达式,揭示了动载效应产生机理,并对8101工作面动载冲击现象进行了分析。     

综采工作面厚硬顶板预裂爆破技术研究

厚硬顶板工作面高强度来压致灾事故频发,为保证该类工作面的安全回采,以九里山煤矿为工程背景,分析了切顶卸压对厚硬顶板来压特征造成的影响。14141工作面受大落差断层的影响,厚硬顶板的高强度来压极易造成断层活化,导通底板灰岩含水层和回采工作面造成断层突水事故;从能量角度解释了预裂爆破切顶措施造成工作面来压步距减小的内在机理,爆破裂隙的产生减小了基本顶破断时所需的内力耗散功率,导致基本顶极限跨距减小,来压期间的支架阻力同来压步距成正比,切顶卸压可有效降低工作面来压强度;14141工作面采用在开切眼沿工作面倾斜方向布置爆破钻孔,在运输巷沿走向布置钻孔的预裂爆破措施,现场检测表明:爆破后可在开切眼和运输巷顶板分别形成沿倾向和走向的垂直破坏面,同相邻工作面相比,14141工作面来压步距减小、来压强度明显降低,保证了该工作面的安全回采。     

煤基固废制备充填材料配比优化试验研究

为制备低成本、高强度的煤矿充填材料,以煤矸石做骨料,以粉煤灰、脱硫石膏、硅钙渣为 胶凝材料制作试件,并对其进行单轴抗压强度、坍落度、扩展度指标测试,研究了充填材料配比优 化前后的力学性能、各组分影响情况。 结果表明,脱硫石膏、硅钙渣在一定掺量范围内具有较强 的胶凝作用;随着粉煤灰掺量增加,充填材料初期强度增长较慢,应控制其掺量不高于6.67%;粉 煤灰与硅钙渣联合使用能激发硅钙渣的胶凝性能;煤矸石、粉煤灰、脱硫石膏、硅钙渣、水泥最优 质量比为70:6:3:12.5;8.5。 利用响应面法对结论进行了验证,试验结论与预测一致。     

特厚煤层卸压综放开采顶煤破碎及运移规律实验研究

为了实现20m以上特厚煤层的安全高效开采,提出特厚煤层卸压综放开采技术。采用60∶1的大比例相似模拟实验方法,研究20m以上特厚煤层卸压综放开采顶煤垮落破碎及运移特征、顶煤位移场和矢量场演化特征、支架阻力的影响等。研究结果表明:卸压开采阶段,顶煤顶板垮落空间形态呈近似梯形,支架上方台阶状顶煤悬臂梁结构的破断和失稳具有周期效应,上位顶煤位移中位顶煤位移下位顶煤位移,基本顶初次来压后出现切顶压架事故。综放开采阶段,短悬臂梁结构最终破碎成散体结构,且中位顶煤的总位移大于上位顶煤。由于支架的支撑作用,下位顶煤中产生明显的竖直裂隙,受支架影响的顶煤厚度约为10cm。顶煤位移场、矢量场演化特征和实验结果一致。为我国20 m以上特厚煤层开采技术开发奠定了理论基础,具有重大科学意义与应用价值。