固体密实充填采煤覆岩移动弹性地基薄板模型

固体充填采煤覆岩移动规律与传统垮落法开采相比发生了本质的变化,为准确地计算固体充填入采空区后上覆岩层的移动规律,在分析固体密实充填采煤覆岩移动特征的基础上,采用弹性地基薄板理论,建立了固体密实充填采煤充填体-基本顶力学模型,推导出了采场基本顶挠度、应力方程以及基本顶发生破断的临界条件,分析得出弹性地基系数是影响顶板移动变形的关键因素,并结合相关参数给出了基本顶最大下沉量和最大应力值随弹性地基系数的变化规律。平煤十二矿己15-13080充填采煤工作面工程实践结果表明:实测基本顶最大下沉值为347 mm,与理论计算结果相符。     

离层注浆开采关键层变形特征及地表沉陷控制效应

为研究覆岩离层注浆开采条件下关键层变形特征及地表沉陷控制效应，准确预计地表移动变形值，对离层注浆开采关键层变形进行了力学分析，将关键层下方离层注浆充填体和煤岩体的组合视为弹性地基，并将之划分为压实区、欠压实区和实体煤区3种不同的区段，基于弹性地基梁理论，给出了关键层挠度方程和弹性地基系数计算方法；采用“两步法”,通过分层模拟的方式开展了离层注浆开采关键层变形与地表沉陷数值模拟，研究了不同工作面宽度条件下离层发育和关键层破断特征，以及不同注采比条件下地表移动变形特征；借鉴等价采高理论，将离层注浆开采条件下关键层弯曲下沉空间等效视为开采空间，结合概率积分法，建立了适用于离层注浆开采的地表沉陷预计模型。以淮北矿区袁店二矿7221离层注浆开采工作面为例进行了验证，结果表明：该地质条件下，离层注浆开采工作面宽度宜设计在90～120 m;采用提出的预计模型和方法能够对离层注浆开采条件下的地表沉陷进行有效预计，预计值与实测值平均误差9 mm,在允许误差范围内；离层注浆开采地表沉陷控制效果显著，减沉率约83%。     

超高水材料充填开采覆岩活动规律分析与应用

为确保邯矿集团陶一矿区充填试验工作面开采过程中地表建筑物稳定,基于现场地质条件建立了超高水材料开放式充填综采覆岩活动力学模型,推导出充填支撑区和空顶区挠度方程;通过单轴和三轴压缩试验,得出高水材料充填体在1～7 d时间的弹性系数,然后得出充填体呈固结状态后关键层下沉变形量几乎为0,充填过渡区、初凝区及悬顶区关键层下沉量较大,且下沉量随工作面悬顶距及推进长度的增加而增加,进而计算出在安全系数为1.2的条件下悬顶距应保持在16 m范围内。通过对试验工作面开采期间地表沉陷进行测试,得出地表下沉系数仅为0.05,地表下沉值最大可达119 mm,验证了力学模型分析结果的准确性,有效抑制了覆岩的移动以及地表沉陷。     

充填与垮落协同开采覆岩层间滑移破坏规律研究

充填与垮落协同开采技术发挥了综采“高产高效”与充采“绿色环保”的双重技术优势,目前对协同开采覆岩移动变形的研究已取得了一定的成果,但忽略了岩层层间的滑移效应对覆岩移动的影响。基于充填与垮落协同开采技术原理与工艺,根据协同开采覆岩结构特征,建立协同开采覆岩复合岩梁滑移力学模型,解出双层复合岩梁挠度、滑移、剪力和弯矩的理论解,分析复合弹性地基系数k对四者的影响规律,并通过物理相似模拟试验得出不同充实率条件下覆岩层间滑移规律;研究认为,采用充填与垮落协同开采方法时,受到同一工作面中同时布置充填段和垮落段的影响,双层复合岩梁四者理论解较垮落法的单一开采均发生突变,四者统计数值随复合弹性地基系数k的变化规律具有一致性,均可划分为快速降低区、缓慢降低区和平稳区,并计算得出滑移效应影响下的充填段临界充实率为93.75%;将理论计算与物理模拟结果进行对比分析,知充填段与垮落段覆岩均向协同工作面中央位置移动,验证了滑移模型的合理性。     

充填开采临界充实率理论研究与工程实践

充实率的良好控制是充填采煤技术成功实现岩层移动及地表沉陷精准控制的关键,基于充填采煤岩层移动及控制特征,给出了临界充实率的定义,具体包括关键层破坏临界充实率、关键层弯曲下沉临界充实率、基本顶弯曲下沉临界充实率、整体弯曲下沉临界充实率等。以有周期来压的顶板类型为例,建立了不同上覆岩层逐层破断的临界充实率求解力学模型,分析了覆岩逐层破断与其对应岩层抗拉强度的关系,求解了4层覆岩逐层破断的临界充实率。翟镇矿工程实践表明:7203W固体充填工作面覆岩整体弯曲下沉临界充实率计算值为92.0%,实际控制值为92.5%,上覆所有岩层均被控制在整体弯曲下沉的临界状态,实测与理论计算吻合。可为定性定量研究不同覆岩结构下实施固体充填采煤技术的工程设计提供参考。     

固体废弃物胶结充填开采上覆岩层移动影响分析

通过建立计算机数值模型模拟固体废弃物胶结充填开采上覆岩层移动规律,观测不同工作面推进距离上覆岩层移动特征,对比长壁开采与充填开采关键层移动,分析充填开采关键层运动与上覆岩层移动特征。由于采空区被矸石和粉煤灰等材料所充填,充填工作面矿压显现和上覆岩层移动规律与一般垮落法管理顶板明显不同。研究表明：胶结充填开采工作面周期来压步距大,来压强度不明显;关键岩层弯曲下沉,不会出现岩层破断现象。上覆岩层移动范围明显减小,对地表变形能有效控制。     

条带开采关键层控制地表变形分析

以山东某煤矿3煤厚煤层宽条带开采工作面覆岩与地表变形控制为研究对象,对覆岩关键层控制覆岩与地表变形机理进行探究。根据关键层理论确定了该区域上覆岩层厚度290.97 m的细砂岩为主关键层,并且其下方有一亚关键层协同控制地表变形,二者构成复合关键层,计算了主关键层破断距。数值模拟覆岩主、亚关键层应力和位移变化规律,建立了顾及关键层的地表下沉预计模型。研究结果表明：亚关键层断裂、主关键层未断裂时,地表变形增大不明显;主关键层断裂时,地表变形有突变现象发生;同时经实测数据验证:建立的顾及关键层地表下沉预计模型是可靠的。     

充填开采覆岩变形监测及控制效果影响因素分析

基于唐山矿矸石充填综采工作面工程背景,通过现场监测分析了矸石充填减沉控制效果,建立覆岩变形力学模型,并对覆岩变形影响规律进行分析。研究结果表明,覆岩达到稳定时,充填体的支撑作用明显限制了覆岩运动,矸石压缩高度约占充填高度的12%;充填开采条件下,覆岩发生明显离层破坏的高度约占采高的6倍,岩层开裂性破坏集中发生在采空区后方80m范围内;通过降低充填前欠接顶量和提高充填体地基系数可显著降低覆岩沉降量。     

王河矿矸石充填岩层移动特征规律研究

为了研究王河矿回采工作面在矸石充填过程中岩层及地表的移动特征规律,根据工作面上下覆岩力学性能和充填体力学性能等参数,运用岩石破裂过程分析软件RFPA,对不同强度充填体全部充填和部分充填条件下的覆岩运动、关键层弯曲下沉及地表变形特征进行数值模拟,数值模拟的结果可为采空区充填方案的选取提供参考。     

采场覆岩变形分布式光纤监测岩体-光纤耦合性分析

岩体与光纤之间的耦合性是决定分布式光纤感测岩体变形准确性的关键因素。通过岩层变形光纤响应特性的力学分析,结合运动学方法,提出了光纤-岩体的耦合性判据,并建立了岩层变形光纤监测模型。通过水平埋设在物理相似模型内部的传感光纤,监测不同开挖状态下关键层的结构性变形,并借助数字图像相关技术( DIC )对关键层挠度分布进行实时跟踪监测,综合分析覆岩变形特征及演化规律,并将2者监测结果进行对比分析。结果表明：当岩层变形较小时,岩体-光纤耦合性系数在0.9～1.0内,光纤应变计算的岩层挠度与DIC测量的实际岩层挠度基本一致,最大相对误差为8.9%;当岩层变形较大时,岩体-光纤耦合性系数呈断层式直线下降,直至岩层发生破断,裂缝处岩体-光纤发生脱离,光纤-岩体接触度与光纤-岩层耦合系数k值均为0;通过光纤监测数据反演,获得采动覆岩的变形范围及特征,从而反映出光纤沿线岩层移动变形的位置及程度。研究成果为分布式光纤传感技术应用于模型及现场覆岩变形监测提供了参考。     

矸石(固体废物)直接充填采煤技术发展现状

总结了矸石直接充填采煤的技术框架,系统地介绍了综采矸石充填技术、普采矸石充填技术和掘巷充填技术的充填开采系统布置、关键设备及充填开采工艺;研发了矸石直接充填采煤技术中矸石自地表向井下运输的大垂深投料系统,并对其进行了优化设计;以综采矸石充填技术为例,分析矸石直接充填开采矿压规律的等价采高模型,得到了充填综采采场所需支护强度,以及充填综采与传统综采支护强度修正系数η,并对充填开采后的地表沉陷进行了预计和实测分析,得出了充填开采较传统综采采场矿压显现减弱、地表变形等级仅为轻微的结论;从实现煤炭资源绿色开采应重视的基础科学研究、重点技术攻关等方面对今后矸石(固体废物)直接充填采煤技术相关研究进行了展望.     

矸石充填综采工作面矿压显现规律

在分析充填综采顶板运动特征的基础上,建立了充填综采基本顶关键块力学模型,并通过分析矸石充填体与破碎直接顶压实变形规律,推导出了充填综采工作面支护强度力学关系式。对比传统综采,引入了充填综采工作面支护强度修正系数η,理论分析得出工作面采高变化在1.6～3.5m时,修正系数η的变化范围为0.49～0.84,得出充填综采工作面所需支护强度明显小于传统综采的结论。现场工程应用进一步证实了充填综采工作面没有明显的矿压显现。     

综掘机转向设计方法探讨

针对井下实际 ,对综掘机在施工过程中经常遇到的几种转向情况进行了较为全面的理论分析 ,为综掘机转向设计提供了科学依据     

特厚煤层综放开采大空间采场覆岩结构及作用机制

针对大同矿区石炭系3-5号特厚煤层坚硬顶板综放开采时工作面易出现压架、临空巷道超前区域变形、破坏严重等强矿压显现问题,采用理论分析、物理模拟及现场实测等方法,建立了特厚煤层开采大空间采场岩层结构演化模型。结果表明：特厚煤层综放开采覆岩远、近场关键层运动都可能会对采场矿压产生影响,近场关键层为“竖O-X”破断的“悬臂梁+砌体梁”结构,远场关键层为“横O-X”破断的“砌体梁”结构模型。近场关键层结构主要影响工作面支架压力及其稳定性,近场关键层结构中,以“悬臂梁”结构破断运动的关键层层数越多,对支架安全越不利;远场关键层结构则主要对工作面临空侧巷道变形产生影响,其破断块体的回转运动对临空侧巷道围岩产生径向挤压作用,是造成巷道超前底臌的主要原因。据此开发了基于地面钻孔压裂与井下顶板预裂相结合的远、近场协同弱化的坚硬顶板预控技术,将有效降低岩层破断的能量释放和关键层结构失稳的压力传递,减轻特厚煤层综放开采采场矿压的显现强度。     

7.0m支架综采面矿压显现规律研究

基于神东矿区补连塔煤矿22303工作面矿压实测结果,对世界首个7.0 m支架综采面不同开采阶段的矿压显现规律进行了总结,并结合神东矿区各类大采高综采面的矿压显现,对比分析了不同采高综采面矿压显现规律的差异。结果表明:上覆遗留煤柱区下开采时7.0 m支架工作面矿压显现正常,但在临近推出煤柱区时,工作面内煤壁片帮现象严重,直接导致刮板板输送机被压死。而长壁采空区下开采时,7.0 m支架工作面在煤层间单一关键层结构和2层关键层结构区域呈现出不同的矿压显现。煤层间单一关键层结构区域,关键层距离煤层越近,矿压显现各项参数(除来压步距外)越大;而在煤层间2层关键层结构区域,工作面来压步距及动载系数呈现出大小交替的周期性变化规律,且大来压步距对应小动载系数。通过对比7.0 m支架综采面与神东矿区其它几个大采高综采面的矿压显现规律发现,随着采高的增加,支架支护强度缓慢增加,而动载系数随之减小,且采高越大、亚关键层1距离煤层越近,越易形成亚关键层1的"悬臂梁"结构,从而来压持续长度越长。     

薄煤层破碎顶板综采工作面“拖管”式充填试验研究

针对黄河北薄煤层、薄基岩、厚冲积层、顶板破碎、吨煤利润低、地表建筑物密集、全部跨落采煤地表下沉大等问题,在对综采架后自压式矸石充填、（似）膏体充填和（超）高水充填及高位离层注浆充填对比分析的基础上,提出了综采架后垮落带“拖管”充填的概念。结合赵官煤矿1703综采工作面开采技术条件,相似材料模拟试验和原生矸石、淋浆矸石压实度仿真试验,提出了“冒落”矸石压实分区和残余碎胀系数概念和“拖管”式充填时间-空间模型及工艺系统,并在该工作面试验成功。结果表明：薄煤层、破碎顶板、缓仰斜工作面,在不改造支架、不需堵漏的情况下进行垮落带“拖管”式充填是可行的;根据采-充量预计地表下沉系数为0.4,地表最大下沉量为50 cm。     

复杂条件下影响综掘单进水平提高的因素及对策

为缓解工作面采掘接替紧张局面,结合现场实际及综掘机施工的实践经验,对影响综掘工作面单进水平提高的原因进行系统分析及采取相应的对策,以提高综掘单进水平。     

综放残煤复采过空巷群时围岩应力相似模拟

在对晋煤集团圣华煤业3#煤旧采区开采技术资料和3101复采工作面前期揭露情况充分研究基础上,应用相似模拟技术对旧采区空巷群稳定性及回采过程中采场围岩变形与应力进行研究。     

水体下急倾斜煤层采空区矸石充填顶板控制

采用数值计算和物理模拟方法,分析了水体下急倾斜煤层开采采空区矸石自溜充填顶板控制效果。结果表明：采空区矸石充填可以有效降低工作面顶板下沉挠度,减小区段平巷围岩变形;矸石充填限制了相邻分带煤柱的横向变形,减小其变形破坏程度以及降低相邻分带回采时的矿压显现;矸石充填使覆岩内的应力发生转移和重新分布,有效降低了覆岩导水断裂带的高度,减少了防水煤柱的塑性破坏范围。     

综采工作面智能化开采现状及发展展望

简述了国内外综采工作面自动化、智能化开采技术发展历程及现状,重点介绍了综采工作面智能化开采的发展规划及目前的关键技术。总结了郑煤机承担的付村6 m超大采高厚煤层和贵州众一薄煤层2个综采智能化示范项目的研发情况及关键技术。结合实施现状展望了综采工作面智能化还需突破的关键技术和重点发展方向。