大倾角煤层开采覆岩空间倾斜砌体结构

以大倾角煤层走向长壁采场为研究对象,采用相似材料模拟实验、数值模拟和理论分析综合方法,分析了采场顶板应力分布特征和变形破坏规律,认为大倾角煤层采场顶板破断后形成了倾斜砌体结构,该砌体结构以倾向堆砌和反倾向堆砌两种形式存在,且沿工作面走向和倾向均具有不同的分布特征,该结构的非均衡运动是导致"R-S-F"("顶板-支架-底板")系统失稳的主导影响因素,同时,该结构的运动形式亦受到上覆未垮岩层的变形破坏影响。倾斜砌体结构不仅是支护结构的施载体,也是"似壳结构"断裂失稳对工作面支护系统作用的传力媒介,对倾斜砌体结构的深入研究是探讨大倾角煤层采场"主承载结构"失稳致灾的关键。     

大倾角大采高采场覆岩应力路径时空效应

为揭示大倾角大采高采场覆岩变形破坏的时空演化特征及应力路径效应,以2130煤矿25221工作面为研究背景,采用3DEC数值模拟方法,在对覆岩变形破坏时空演化特征的综合厘定与分析的基础上,提出了大倾角采场上覆岩层在采动应力作用下的扰动分区,量化了采场沿工作面走向、倾向及不同层位覆岩采动应力路径的空间演化规律,揭示了采场空间不同区域覆岩采动应力与断裂失稳过程中的对应关系。研究结果表明：在大倾角大采高开采中,重力-倾角效应作用下矸石呈现非均匀充填特征,导致覆岩垮落形态及顶板承载拱在采场空间均呈现出典型的跨层迁移转化特性,包络面内中上部区域“倒三角临空面+倾斜砌体结构+高位梯阶岩层”形成空洞现象,“高位梯阶岩层”失稳易诱发“倾斜砌体结构”同时断裂,对支架形成较大的冲击动载荷。工作面煤层开采导致采场上覆岩层的三向采动应力大小、方向均发生了显著变化。沿工作面走向,覆岩最大主应力演化先增大再减小,最小主应力则先减小再反向增大,最大和最小主应力沿推进方向的垂直平面内向采空区旋转,上覆岩层的极限平衡状态界面沿工作面倾斜方向呈非对称展布。沿工作面倾向,煤柱侧上方岩层产生应力集中,工作面上方岩层卸荷,覆岩层...     

大倾角煤层长壁开采底板非对称破坏形态与滑移特征

底板破坏滑移是大倾角煤层开采亟待解决的关键问题之一,以2130煤矿25221大倾角综采工作面为研究背景,采用理论分析、数值计算和现场监测相结合的研究方法,系统研究了底板的破坏和滑移特征。结果表明,在采动应力和支架载荷作用下底板的力学性状发生改变,由层状连续介质状态演化为具有"结构体+结构面"的块裂介质状态;底板沿工作面倾向的破坏形态呈现为下大上小的非对称反拱,其最大破坏深度位于工作面倾向下部区域,且其破坏深度和范围随着煤层倾角的增大而减小;支架载荷对底板破坏影响有限,主要涉及采场直接底岩层;在底板重力倾向分量及支架和相邻块体载荷作用下,当滑移体存在临空面、滑移体所受主动力与滑移面相交、且主动力合力与滑移面法线方向的夹角大于滑移面的摩擦角时出现底板滑移,且底板岩体结构失稳滑移的概率随着煤层倾角的增大、支架倾斜幅度和范围的增大、直接底破碎程度的增大而增大。     

大倾角煤层长壁开采覆岩空间活动规律研究

针对大倾角煤层长壁开采覆岩变形、破坏和运移规律复杂,对工作面安全开采影响大等问题,采用现场实测、数值模拟和相似材料模拟,研究总结了大倾角煤层长壁开采直接顶、基本顶和高位岩层空间的变形、破坏和运移规律。结果表明:大倾角煤层走向长壁机械化开采过程中,沿倾斜方向采场顶板低位岩层与高位岩层均呈现出非对称力学特征,且破坏运移呈现出时序性和不均衡性。沿工作面倾斜方向中、上部区域内"三带"特征明显,且层位较高,而下部则顶板岩层没有明显的"三带"特征或"三带"形成的层位较低且不完整;多区段、多煤层开采时,上覆岩层影响程度远大于单一煤层,且具有一定冲击性。     

大倾角煤层开采“关键域”岩体结构稳定性分析

以大倾角煤层走向长壁采场为研究对象,分析采场覆岩运动、应力场分布特征,揭示了围岩"关键域"迁移转化特征,认为"关键域"是大倾角煤层开采覆岩垮落形成的非对称"拱壳"形态区域内对覆岩活动起决定作用的岩层,沿工作面倾斜方向"关键域"转换导致不同区域关键岩块形成层位不同,关键岩块相互作用形成倾向"梯阶"结构。根据倾向"梯阶"结构形成特征,建立倾向"梯阶"结构力学模型,分析得出不同区域"关键域"岩梁的受力特征,揭示了"关键域"岩体结构的剪破裂和张破裂机制,确定了"关键域"关键岩块的破坏失稳引起覆岩"拱壳"空间失稳模式,为大倾角煤层安全高效开采奠定理论基础。     

大倾角层状采动煤岩体重力-倾角效应与岩层控制

大倾角煤层开采过程中，重力-倾角效应是导致细观层状煤岩体单元体主应力偏转和层间接触面应力非均衡传递，介观层状采动模型优势破裂面方向偏移，宏观层状关键层区域迁移、岩体结构异化的主要因素。研究表明，在倾角35°以上煤层采场中重力-倾角效应影响尤为明显：(1)煤岩组合界面倾角35°～60°时，非均衡传力特性逐渐凸显，界面附近煤岩体内应力传递方向发生偏转，且偏转量随倾角增加逐渐增大；煤体破坏由压剪破坏转化为近平行于界面的滑移剪切破坏，煤岩体的强度和弹性模量也随之减小。(2)改变了采场围岩采动应力路径演变规律，在采动应力驱动下顶板的损伤变形与破坏运动存在明显的区域性和时序性。(3)诱发了大倾角采场顶板结构跨层迁移转化、底板非对称破坏滑移、区段煤柱或煤壁局部-整体破坏，以上围岩失稳存在多尺度链式时空关联性，特别是引发围岩灾变的采场关键岩块位置多变，形成采场围岩承载结构异化和泛化特征。理论与实践表明，重力-倾角效应作用下大倾角煤层岩层控制具有显著的多维度和多尺度特点，突破传统开采方法与技术瓶颈，研发全新型成套装备是实现该类煤层安全高效开采的有效途径。     

不同煤层倾角对围岩及顶底板影响的数值模拟

以安徽某煤矿倾角煤层采煤工作面的开采为工程背景,通过FLAC3D大型模拟软件对不同煤层倾角采煤工作面开采后采场围岩及顶底板矿压分布规律进行研究。研究结果表明:倾角对煤层工作面开挖后采场围岩应力分布、支承压力的分布有显著影响。倾角煤层工作面开采后,采场顶板岩层的变形、破坏和运动形式不同于一般煤层工作面且采场顶板应力分布是不对称的。     

大倾角煤层长壁采场倾斜砌体结构与支架稳定性分析

大倾角煤层覆岩变形、破坏和运移规律复杂,采场顶板倾斜砌体结构对支架稳定性影响大,大量的现场实践、实验研究和理论分析表明,倾斜砌体结构与支架的相互作用可分为正压、倾向挤压、反倾向挤压、后推和走向挤压型,其易造成支架发生挤压型失稳、下滑失稳、倾倒失稳,建立了支架-顶板接触力学模型,基于基础动力学、“R-S-F”动力学控制理论分析了大倾角煤层长壁采场覆岩特有的结构形式倾斜砌体结构与支架在不同状态下的稳定性,并给出了其动力学方程和“支架-围岩”稳定性判定条件。     

大倾角煤层开采围岩的力学行为研究

针对大倾角工作面上覆岩层运动和破坏特征、支承压力分布规律及其对开采的影响,以走向长壁大倾角综采工作面为工程背景,采用现场实测、理论建模及数值模拟等方法,研究了大倾角煤层开采顶板岩层的断裂机制,以及大倾角煤层煤壁前方和采空区倾向的最大应力集中系数、支承压力塑性区范围、顶板的来压步距、顶底板的位移量等特征。在获得大倾角煤层开采矿压特征基础上,提出工作面支架稳定性、设备防滑以及来压期间采场围岩的控制技术。对减少煤矿顶板事故、提高大倾角煤层开采的安全性具有一定的指导意义。     

大倾角煤层开采围岩的力学行为研究

针对大倾角工作面上覆岩层运动和破坏特征、支承压力分布规律及其对开采的影响,以走向长壁大倾角综采工作面为工程背景,采用现场实测、理论建模及数值模拟等方法,研究了大倾角煤层开采顶板岩层的断裂机制,以及大倾角煤层煤壁前方和采空区倾向的最大应力集中系数、支承压力塑性区范围、顶板的来压步距、顶底板的位移量等特征。在获得大倾角煤层开采矿压特征基础上,提出工作面支架稳定性、设备防滑以及来压期间采场围岩的控制技术。对减少煤矿顶板事故、提高大倾角煤层开采的安全性具有一定的指导意义。     

受载煤体电阻率变化规律的实验研究

通过建立受载煤体电阻率变化实时测试系统,分别测试了不同煤体在不同加载方式下不同方向的电阻率变化特征,并对电阻率变化机制进行了探讨。研究结果表明：在加载初期不同煤样电阻率随压力的变化趋势有所不同,但在煤体发生破裂后电阻率均呈现上升趋势;对于同一煤样而言,电阻率随压力的变化趋势是一致的,在不同加载方式下电阻率与应力保持良好的对应性;煤体电阻率呈现明显的各向异性特征,在受载过程中不同方向的电阻率中呈现不同的变化规律;煤体的导电特性和孔隙结构的演化共同决定了电阻率的变化特征。     

Three-dimensional strata movement around coal face of steeply dipping seam group

Steeply dipping seam group, which has complex occurrence conditions, belongs to the steeply dipping seam. The research on the strata movement around the coal face not only improves safe production technology in practice, but also develops the mining theory. By using physical simulation experiments, numerical simulation and site test, the deformation, failure and movement of surrounding rock in longwall working face were analyzed. According to the analysis, characteristics of the seam group were formed which is different from the single seam. Asymmetry mechanics, sequential changes and imbalance of strata movement along the tendency working face were summarized. Furthermore, the features of upper and lower seams were different. The mining of the lower seam induced more complex strata movement along the strike. Multi-section mining disturbed surrounding rocks in larger areas than the single section mining did, which had an impact on and dynamic loading function to the support when mining the lower seam, and produced a great influence on the stability of support-rock system. Supported by the New Century Excellent Talents in University of China (NCET-04-972)     

“顶板-煤层”结构体冲击倾向性演化规律及力学特性试验研究

针对单纯以煤层或顶板岩层进行煤层冲击倾向性判定存在"低估"问题,以典型的冲击危险矿井为背景并结合煤层赋存的实际情况和冲击地压的显现特征,建立"顶板-煤层"结构体模型。通过对纯煤层、顶板岩层及2种不同高度比下的"顶板-煤层"结构体冲击倾向性试验和不同顶板强度、厚度、均质性及接触面角度的冲击倾向性数值试验,研究不同顶板特性对"顶板-煤层"结构体冲击倾向性的影响。研究发现,"顶板-煤层"结构体冲击倾向性高于纯煤层或岩层测定结果,更接近实际。随着顶板强度、厚度、均质性的增加,"顶板-煤层"结构体冲击倾向性增强,随接触面角度的增大,其单轴抗压强度降低,峰后塑性变形阶段越来越明显。在接触面角度一定的情况下,随着顶板岩体强度的增加,随"顶板-煤层"结构声发射累计释放能量减弱。随"顶板-煤层"结构体冲击倾向性的增强,其峰后声发射累积能量呈减小的趋势。     

半焦制铸造型焦的碳微晶结构X-衍射分析

利用X-射线衍射仪对铸造型焦的碳微晶结构进行分析,研究其微晶结构随温度变化的规律.谱图上出现了002晶面和100晶面衍射峰,并且衍射峰在形状上的变化表现出一定的规律性.研究发现,随着炭化温度的升高,2θ衍射角逐渐增加,002晶面和100晶面半峰宽逐渐减小,芳香片层间距d₀₀₂相应减小,而芳核有效堆砌高度L_c和层面直径L_a则逐渐增加,型焦的结构趋于芳构化和有序化.     

鑫安煤矿复杂地质构造3号煤自燃规律研究

选取鑫安煤矿同一煤层不同地质构造区域煤样为研究对象,利用红外光谱分析各煤样氧化官能团的变化;利用热重实验,分析了煤氧复合过程,得到了煤样自燃过程中的特征温度及规律。红外光谱表明,不同地质构造条件下煤的氧化活性基团峰值变化规律,断层及地应力作用下化学活性键较活跃;热重实验结果表明,自燃氧化初期在断层及应力场处煤样的氧化活性和挥发性活跃,易被氧化失重;进入后期加热燃烧阶段,受地应力作用的煤样进入燃烧阶段温度点升高,失重百分比增加;煤层自燃倾向性差异受地质构造影响,同一煤层,相同工作面,不同地质构造区域煤层自燃倾向性不同,自燃氧化过程也有差异。     

瓦斯对冲击性煤样能量耗散的影响

基于煤的冲击倾向性分类及指数测定方法,进行了不同瓦斯压力下煤样冲击倾向性测定,应用能量积聚与耗散的方法,分析了不同瓦斯压力环境中煤样单轴压缩与循环加卸载过程中能量积聚与耗散关系。研究表明：随着瓦斯压力的增大,煤样的冲击倾向性指数减小,冲击倾向性降低;煤样破坏前储存的弹性能降低,破坏时耗散能增率呈非线性快速降低趋势;在循环载荷作用下,煤样在相同循环中耗散能随着瓦斯压力的增加而增加。在不考虑瓦斯膨胀能的情况下,瓦斯压力的增加降低了煤层冲击地压的破坏性。因此,高瓦斯矿井在深部开采中进行冲击倾向性评价时应考虑瓦斯因素。     

基载比对薄基岩厚表土煤层工作面矿压的影响

为研究薄基岩厚表土煤层工作面矿压显现规律,以李家豪煤矿为背景,对工作面基本顶结构进行了稳定性分析,并运用数值模拟软件UDEC对工作面在不同基载比条件下的矿压显现规律进行分析,结合工作面现场实测数据,分别提出依据岩块块度i和基载比判断工作面基本顶结构的稳定性。分析认为,基本顶初次破断后岩块的三铰拱结构及触矸后的单斜结构在煤壁处发生滑落失稳区域的块度范围为0.40≤i≤1.57;基载比小于0.9时,覆岩在初次来压与周期来压时易发生滑落失稳现象;薄基岩厚表土煤层关键层出现滑动失稳破坏,工作面来压时对于煤壁前方的应力影响区域不大;薄基岩厚表土煤层工作面来压时主要特征为顶板沿煤壁切落,形成台阶下沉,工作面支架动载明显。     

酸化对富有机质页岩孔隙结构影响的试验研究

随着能源的日益紧缺,页岩气开采尤为迫切。页岩致密低渗,为提高产量必须利用增产措施提高储层渗透率。酸化预处理可有效改善岩石孔隙结构,增强孔隙的连通性,进而提高页岩渗透率及产气量。本试验采用质量分数3%氢氟酸和10%盐酸的混合酸对湖南牛蹄塘组页岩样品进行了酸化浸泡处理,通过超景深显微镜观察了不同酸化时长下页岩层理、裂隙和孔隙结构特征的演化规律,统计了页岩孔隙直径、频次、频率及孔隙度随时间的变化趋势,分析了酸化对页岩内部气体流动的影响。实验结果表明:①牛蹄塘组页岩中的脆性矿物沿层理发育,酸化处理后长石及石英矿物强烈溶蚀,可形成沿层理发育的裂隙;②随酸化时长增加,页岩表面石英、长石的出露面积先增大后减小,酸化后期,脆性矿物与周围矿物间孔隙明显增加,孔隙向深部腐蚀且呈现连通的趋势;③根据不同酸化时长页岩孔隙统计特征可见酸化分为两阶段:酸化初期为产生新生小孔阶段,酸化后期孔隙增大阶段;④酸化使页岩原始致密的单一孔隙结构转变为裂隙和孔隙并存的双重介质结构。孔隙度随酸化时间的增加呈先提高后降低的趋势,现场生产中应综合考虑储层特性和酸岩反应,设计最优作用时间。     

大南湖煤矿1301工作面切眼导硐支护方案优化

通过运用挤压加固理论分析巷道沿轴向和切向方向的挤压加固体厚度,提出了在矩形断面巷道中也要注意挤压加固结构的均匀性,尤其在围岩易破坏的煤巷中。挤压加固的均匀性不仅体现在巷道轴向和切向方向上与挤压加固体厚度接近,而且应尽量使每根锚杆形成的挤压加固面积相互重叠,形成共同承载结构。     

煤炭地下气化特征污染物迁移行为探测

煤炭地下气化潜在的地下水污染风险,是煤炭地下气化产业化的关键技术及瓶颈技术。采用直接钻探法对我国首个钻孔式地下气化炉进行了燃空区探测,并对不同气化区域的煤、岩、半焦、灰渣样品进行了取样。开展了探测样品的浸出实验,研究了浸出液中特征气化污染物及污染指标挥发酚、氨氮及COD的迁移范围及迁移特征,探讨了污染物的迁移路径。研究结果表明,特征污染物的迁移主要发生在中心气化区内,挥发酚及氨气在煤层顶板内发生了垂直向上的迁移,煤层顶板垮落带及裂隙带是污染物迁移的主要通道。污染物向底板岩层渗透迁移的倾向极低。在气化边界区域,煤层顶板内没有形成污染物迁移通道,未发现污染物向围岩的迁移。气化煤田的科学选址是煤炭地下气化地下水污染防治的重要环节。