深部煤矿井下智能化分选及就地充填技术研究进展

我国已探明2 000 m以浅煤炭资源储量中埋深超过千米的储量占53.3%。深部矿井开采处于高应力、高地温、高岩溶水压、高瓦斯以及强烈开采扰动("四高一扰动")的复杂环境,面临着巷硐及采场围岩突变、煤与瓦斯突出等灾害加剧、煤炭提升效率低等难题。科技部于2018年立项开展"深部煤矿井下分选及就地充填关键技术装备研究与示范"的研究,旨在创新与发展深部煤矿井下分选及就地充填理论、技术、装备、标准及工程建设体系。本文紧密围绕深部煤矿充填开采岩层控制,超大断面密集硐室群围岩连锁破坏失稳,井下受限空间煤矸精确分离3个关键科学问题,在系统阐述深部煤矿井下智能化分选及就地充填技术总体框架基础上,详细介绍了目前取得的最新进展。具体包括:深部煤矿井下智能分选及就地充填技术框架体系、井下矸石少量化选择性回采、煤矸全粒级水介精确分离、超大断面硐室围岩失稳机理及控制、深部充填开采岩层控制与新汶矿业集团新巨龙煤矿工程示范建设等6个方面。研发的深部煤矿井下智能化分选及就地充填技术及装备体系可为我国深部煤矿高效生产与绿色矿业发展提供新的技术支撑。     

基于固体充填开采的井筒保护煤柱留设方法研究

为解决固体充填开采工业广场煤柱时井筒保护煤柱的合理留设问题,根据井筒破坏特性,对充实率、井筒保护煤柱尺寸等充填开采条件下影响井筒失效主控因素进行分析,提出了基于充实率控制的井筒保护煤柱留设原理;以此为基础,分析了垂直剖面法、科瓦尔契克概率积分法及ABAQUS数值模拟法等井筒保护煤柱留设方法,并提出了剖面法设置煤柱边界,理论计算与数值模拟相结合逐渐缩小边界的充填开采井筒保护煤柱综合留设方法及设计流程,并将此方法应用于百善煤矿充填开采回收工业广场煤柱,得到不同充实率条件下井筒保护煤柱范围划分.结果表明,固体充填开采充实率控制在80％以上,以留设半径154 m井筒煤柱计算,至少可安全解放出煤炭174.5万t.     

充填采煤液压支架充填特性理论研究及工程实践

固体充填采煤液压支架既具有传统支架掩护采煤所需要的基本功能,又具有掩护充填所需要的特殊功能,是实现采充一体化的关键设备。针对其掩护充填的特殊功能,提出充填特性的概念,并分别从支护强度、后顶梁支护强度、运动特性、夯实力、夯实离顶距以及地质条件适应性6方面具体阐述了充填特性的基本内涵。架型结构、地质条件、充填工艺是影响充填特性的主要因素,其中架型结构直接决定充填支架的充填特性;煤层厚度、煤层顶底板、煤层倾角、煤层埋深等地质条件影响充填特性的发挥;充填工艺则通过改变离顶距及夯实力大小、改善对不同地质条件的适应性3方面影响充填性能的保障。具体工程实践中则通过工作面布置优化、结构设计优化、充填工艺优化、实时在线监测等措施保障充填性能的发挥。济三矿ZZC10000/20/40型六柱正四连杆充填采煤液压支架的工程应用验证了本文的研究成果。     

空心岩样径向渗流-轴向应力特征与巷道围岩渗透突变机理

为了探究承压水下巷道围岩的渗透突变机理，针对空心岩样的渗流-应力特征开展了一系列室内试验和渗透突变表征模型研究。自主研制了一套空心岩样径向渗流-轴向应力试验系统，突破了仅开展轴向渗流的传统试验条件限制，实现了径向渗流及轴向应力同步进行。采用该新型试验系统，以孔径(5～20 mm)和水压(0.5～2.5 MPa)为变量开展多组空心红砂岩渗流-应力试验，得到空心岩样径向渗流-轴向应力特征。试验结果表明径向渗流的蚀损作用引起岩样黏聚力、内摩擦角等力学参数衰减，增大水压，渗流的蚀损作用变强，岩样内部裂隙贯通通道形成时间缩短，渗透突变现象提前发生。大孔径岩样对轴向应力敏感度更高，内部结构受径向渗流蚀损作用易破坏，渗透突变发生时间缩短。岩样渗透率在试验过程中存在3种状态：(1)以孔隙结构为主要渗流介质的孔隙渗流状态；(2)以局部裂隙结构为主要渗流介质的非稳定渗流状态；(3)以贯通裂隙结构为主要渗流介质的渗透突变状态。渗透率达到峰值的试样渗流介质为受水压影响产生的贯通裂隙结构，峰值渗透率随水压增大呈线性增长，与孔径没有明显关系。以裂隙体积变化为纽带建立空心岩样渗透突变表征模型，模型计算值与实验结果吻...     

充填综采矸石-粉煤灰压实变形特性试验研究及应用

为了掌握矸石-粉煤灰充填开采中充填体的变形特性,采用MTS 815.02电液伺服岩石力学试验系统及自行设计的压实装置,通过一系列压实特性试验,比较分析了矸石-粉煤灰充填材料压实过程中的变形特征,研究了矸石-粉煤灰充填材料的基本变形规律,将其变形过程分为3个基本阶段,得出了矸石与粉煤灰充填体的最佳配比为1:0.3,并提出...     

固体充填材料保障系统研究与应用

针对"三下"压煤工作面所采用的综合机械化固体充填采煤技术,分析了合理充填材料的选择、连续高效地将煤矸石等充填物料运输至工作面技术——垂直投料系统。济宁花园煤矿应用效果表明该系统可以解放"三下"压煤,提高矿井资源采出率,大大增加矿井服务年限。将掘进矸石直接于井下处理,减轻了矿井辅助提升的压力;解决了矸石等在地面堆放造成的环境污染与破坏问题。     

“采选抽充采”集成型煤与瓦斯绿色共采技术研究

在总结综合机械化固体充填采煤技术研究进展的基础上,提出实施"采选抽充采"集成型煤与瓦斯绿色共采的现实需求与意义,并着重阐述了高瓦斯低渗透煤层开采技术、井下煤矸分选技术、混采工作面开采技术,提出了"采选抽充采"共采技术的基本原理。结合平煤十二矿存在的埋深超千米辅助提升困难、主采煤层瓦斯含量高与渗透率低、上覆煤岩体不具备常规保护层开采条件以及依靠开采"建筑物下"压煤保障矿井产量的开采条件,介绍了该矿"近全岩保护层开采→煤矸井下分选→瓦斯卸压抽采→充填与综采混合开采"的集成型共采技术的主要系统设计及工程应用效果。研究表明:"采选抽充采"集成型煤与瓦斯共采技术实现了高瓦斯低渗透煤层安全高效开采以及矸石直接井下回填,拓展了保护层与充填开采技术,提高了矿井资源采出率,延长了矿井服务年限。     

"孤岛"工作面回采巷道围岩变形的控制

通过对"孤岛"综采工作面机巷与风巷围岩变形观测,分析回采巷道的矿压显现特点,以此提出了回采巷道围岩变形的控制措施,改善了工作面生产条件.     

跨采下山维护技术与矿压显现规律

龙固煤矿720下山采区采用轻型支架放顶煤采煤法。为增加工作面推进长度，减少下山保护煤柱损失，7201综放工作面跨上山回采。对在跨采条件下运输下山及轨道下山的稳定性进行了分析，表明两条下山及车场受采动影响的区域未加固前不能保持稳定。通过FLAC数值模拟，对两上山受采动影响的区域进行了分类，并确定了加固方案。工程实践证明，该方案成功地解决了跨采时下山维护的难题。     

巨厚火成岩下采动覆岩应力场-裂隙场耦合演化机制

针对杨柳煤矿主采10煤层诱导上覆巨厚火成岩运移破断引发剧烈地表沉陷、瓦斯喷井以及工作面压架等动力灾害的难题,基于巨厚火成岩破断特征,采用物理模拟、数值模拟与理论分析相结合的方法研究了巨厚火成岩下覆岩裂隙发育规律与采动应力分布规律,得到火成岩破断前后裂隙发育高度、支承压力峰值和应力集中区最大高度等指标随工作面推进的变化特征,从而揭示了巨厚火成岩下采动应力场-裂隙场耦合演化致灾机制,即煤层采动→应力重新分布→应力集中→裂隙发育→覆岩破断→应力转移→裂隙扩展→"弧形"离层→火成岩破断→动力灾害。从控制应力集中与裂隙发育两方面提出了"采空区充填技术—离层注浆充填技术—保护层开采技术"的防灾技术体系。