壁式连采连充保水采煤技术及实践

针对极薄阻隔层条件下保水采煤难题,提出一种壁式布置、负压通风和全采充填的连采连充保水采煤技术.该技术将壁式体系采煤法和房式连续快速采煤法相融合,建立了"多支巷布置、采充并行"的开采模式,将充填材料密实充入始终受到保护的采场支巷约束空间内,在能满足保护浅表生态水资源或维持含水层稳定性的同时,高效采出极薄阻隔层条件下的煤炭资源.开采块段按正常壁式采煤工作面布置回采巷道,设置2个及以上安全出口,并形成负压通风系统.按照旺格维利式布置采场支巷,对采场支巷进行多阶段间隔开采,块段内始终保持一条或多条采场支巷采煤与充填同时作业的高效开采模式,直至开采并充填完毕所有采场支巷.为了提高采煤效率,研发了高强度、大排距和低成本的大断面采场支巷快速支护技术,研制了以工业固体废渣为基础的多元化高水膨胀充填材料,发明了内置排气管的受约束空间内充填材料主动密实接顶技术,并结合快速采煤与连续运输技术,形成了"采装运支充"一体化高效采煤工艺及作业线.建立了基于壁式连采连充的覆岩变形结构力学模型,得出了包括隔水层在内的采场上覆各岩层变形计算公式,确定了能够保证安全开采的采场支巷最大空巷数目、最大滞后充填距离等关键开采参数.研究成果在煤矿现场进行了工业性试验,实现了极薄阻隔层条件下水资源保护性采煤.     

煤岩破裂过程中应力对红外辐射的控制效应试验

煤岩破裂是引发突水与煤柱失稳等矿山灾害的根本原因,准确有效地对煤岩受力破裂过程(裂隙发育过程)进行监测预警,是实现矿山保水开采和岩层控制的重要基础。煤岩在受力破裂过程中,伴随着应力调整会发生红外辐射变化,为探索应力变化与红外辐射变化之间的量化关系,提出煤样表面红外辐射方差突变系数新指标,进行煤单轴加载红外辐射观测实验研究。研究结果表明,应力对单轴加载煤样的红外辐射普遍具有控制效应,50 mm×50 mm×50 mm煤样表现出控制效应的比例约为93%;50 mm×50 mm×100 mm煤样表现出控制效应的比例约为85%。在红外辐射试验中,煤样表面红外辐射方差突变系数平均达到煤样应力调整系数的2个数量级,可运用此特征对承载煤岩体裂隙发育及破裂状况进行红外实时监测。同时,应力对红外射的控制效应具有时间滞后性,50 mm×50 mm×50 mm煤样的红外辐射方差突变平均滞后其应力调整时刻约2.7 s,50 mm×50 mm×100 mm煤样的红外辐射方差突变平均滞后其应力调整时刻约2.9 s。     

近距煤层高效保水开采理论与方法

地下煤炭资源开采极易导致珍贵的浅表水资源流失,从而造成地表植被死亡和生态系统失衡。为保护维系西部矿区生态环境的浅表层水(河流湖泊水和第四系砂层潜水),尤其是为保护地下潜水(生态)水位,基于前期已取得的浅埋单一煤层保水开采理论成果和岩层控制工程经验,提出保(生态)水位和突水防治一体化的近距煤层水资源保护性采煤构想。以"高效保水采煤"为目标,针对近距煤层与极近距浅表水下开采条件,研究解决反复开采扰动区区域覆岩导水裂隙协同控制、极薄阻隔层低损伤控制,以及采掘面涌(突)水灾害监测预警等技术难题。提出长壁保水采煤方法、壁式连采连充保水采煤方法和采掘面突水红外监测辐射预警方法,实现近距煤层安全高效保水采煤,具体包括近距煤层岩层控制、采动覆岩导水裂隙带高度计算、隔水层变形计算和承载煤岩红外辐射响应等理论和特征,以及反复开采扰动区域导水裂隙控制、充填体主动接顶和"采-支-运"快速作业等技术。最终确定了保水开采薄弱区,形成基于水资源保护的浅埋近距煤层工作面优化布置、采煤方法配置与水资源运移监测的高效采煤理论与方法体系。研究成果已在陕北与华北等矿区进行了保水采煤实践,为实现我国煤炭资源的绿色化开采提供支撑。     

“采充并行”式保水采煤方法

针对目前充填保水采煤方法存在的充填时间和充填空间不足，采煤与充填作业协调困难等问题，提出“采充并行”式充填保水采煤方法。在开采过程中，首先将整个开采块段内的所有采场支巷划分为多个开采阶段，每当开采并充填完一个阶段内的所有采场支巷后，再进行下一阶段采场支巷的开采和充填，直至开采和充填完所有采场支巷，最终实现充填体与煤炭的完全置换。为有效控制覆岩移动，每个采场支巷开采完毕后就立即对其进行充填。为确保正在开采的采场支巷两帮是实体煤或已达到设计强度的充填体，在阶段内对采场支巷进行间隔开采。研究成果应用于王台铺煤矿，在块段内煤炭资源采出率达96.8%的条件下，实现了浅表水资源的保护，地表变形量也小于建筑物Ⅰ级损坏等级指标。该方法采用一采一充一备的“采充并行”式充填开采模式，充分发挥快速连采和充填采煤的优点，可实现保水采煤。     

“充填体-煤柱”复合结构势能突变破坏机理北大核心

为研究巷式充填开采“充填体-煤柱”复合结构稳定性,分析了复合结构承载特征,建立了复合结构充填体承载部分与煤柱承载部分势能函数表达式;运用突变理论,分析了势能发生燕尾型突变的临界条件,给出了以塑性区宽度为主要指标的复合结构破坏失稳判别公式,研究了采场巷道宽度、煤层埋深以及开采阶段数等开采参数对复合结构稳定性的影响;采用数值计算的方法,结合王台铺煤矿工程案例,分析了复合结构垂直应力分布特征、塑性区宽度等承载参数,验证了复合结构破坏失稳判别公式的准确性。