特厚煤层大采高综放面“远场”瓦斯治理技术研究

为治理特厚煤层大采高综放面"远场"瓦斯,以塔山矿8214工作面为研究背景,运用"O"形圈理论,分析了煤层瓦斯在采空区上覆岩层裂隙中流动特征。研究发现,地面"L"型钻孔的终孔点层位位于"远场"瓦斯富集区内。因此,采用地面"L"型钻孔抽采技术治理"远场"瓦斯,对比分析了实施地面"L"型钻孔抽采"远场"瓦斯前后,顶板巷的瓦斯浓度的变化规律。研究表明,实施地面"L"型钻孔后,顶板巷的瓦斯浓度出现明显的降低,且顶板巷的瓦斯浓度趋于平缓,变化幅度不大,基本维持在2.5%左右。因此,地面"L"型钻孔很好的分担了顶板巷的抽采压力,保障矿井的安全生产。     

基于低透气性煤层的二氧化碳爆破增透技术试验研究

为考察利用二氧化碳爆破增透技术对低透气性煤层瓦斯抽采效果的影响,采用理论分析研究了二氧化碳爆破增透技术对低透气性煤层的增透原理,并在20321工作面回风巷道进行了二氧化碳增透技术试验,对比分析了爆破孔间距分别为2 m和3 m时与爆破前的增透效果。试验表明,距离2m处的抽采孔瓦斯抽采浓度提高至5倍,抽采纯量提高至6倍,160min后瓦斯浓度衰减明显;距离3m处抽采孔瓦斯抽采浓度提高至4倍,抽采纯量提高至4倍,120min后瓦斯浓度衰减明显。     

渗流作用下圆形巷道围岩弹塑性分析

在假设岩体在无限小的区域内材料属性相同,将岩体划分为若干个塑性区域环的情况下,应用统一强度理论,结合岩石应变软化力学模型与围岩峰后强度和变形演变规律,推导了渗流作用下圆形巷道围岩破裂分区的计算公式,分析了渗流作用下巷道围岩的弹性区、塑性软化区和破裂区的力学性态。结合具体算例,对比分析了渗流作用下和无渗流作用下巷道塑性区范围影响因素,得出支护反力、巷道半径以及采深对渗流作用下的巷道塑性区域影响尤为明显。研究表明,考虑渗流作用使得分析结果更加接近于实际,能显示出巷道围岩变化破坏情况,为地下工程的优化支护设计及安全性评价提供理论依据。     

基于通风量与推进度的采空区自然发火数值模拟

为了优化注氮防灭火技术的治理效果,以大同煤矿集团马道头煤业有限责任公司8401工作面为研究对象,采用数值模拟的方法,研究在没有注氮条件下和有注氮条件2种情况下工作面的通风量与推进度对采空区自燃氧化带范围的影响。研究表明:无论是注氮还是不注氮,工作面风量越大,氧化升温带越宽,采空区自然危险性越大;从预防工作面采空区自然发火角度考虑,尽量减小工作面的风量,即采用合理风量通风技术;8401综放工作面供风量的合理的范围为1 400～1 755 m~3/min;同时得出8401综放工作面必须采取注氮措施,且保证工作面月推进度不小于36 m,该条件下注氮防灭火技术的应用效果最佳。     

特厚煤层综放沿空掘巷小煤柱合理宽度研究

为了解决特厚煤层综放沿空掘巷小煤柱宽度确定的难题,以同忻矿8305综放工作面为研究背景,根据岩层移动理论,利用岩层三角形滑移区运动特征,分析了采空区稳定前后侧向支撑压力的分布规律,得出三角滑移区内岩体的质量在破断前后作用在煤柱上方的压力降低是侧向支撑应力减小的根本所在。同时,应用理论分析和数值模拟等方法得出采空区稳定后应力降低区宽度为17～21 m。从而将特厚煤层综放沿空掘巷小煤柱最大宽度确定为11.5 m,并利用矿压观测的手段进行了现场验证。研究表明,巷道变形量小,小煤柱留设较合理,小煤柱最大宽度11.5 m能满足工作面安全生产需要,同时提高了煤炭回收率。     

矿井大断面巷道风速分布规律及风量监测研究

人工测风方法难以实现大断面巷道的全断面测试,测试误差大。通过研究大断面巷道风速分布规律及风速测试原理,采用“多点网格测风法”和传统人工测试法进行现场实测,并通过FLUENT软件模拟与现场测量结果对比,验证了平均风速分布稳定区选取的合理性。现场实验表明,大断面拱形巷道传统人工测法测定值偏低,建立校准系数为1.15。FLUENT软件模拟结果表明,随着断面面积的增大,测风员的面积对风速测定值影响越来越小。     

特厚煤层综放面高温热害(源)分析研究

为了弄清同忻矿8309综放面高温热害来源,从火成岩、地温、通风状况、采空区遗煤氧化等方面对工作面高温热害(源)进行了分析,得出地表空气温度直接影响矿内进风巷的温度,由于进风距离比较长,通风压缩热等,致使进风巷的温度23.8℃～24℃。研究表明,采空区遗煤低温氧化散热未对采面的气候条件产生显著影响。     

渗流作用下非均匀应力场巷道围岩稳定性分析

将巷道围岩视为多孔介质,考虑地下水渗流作用的影响,应用弹塑性理论,分析了非均匀应力场圆形巷道围岩的力学性态,推导出了非均匀应力场下圆形巷道弹塑性的解析解,基于Mo-hr-Coulumb强度准则,得出了渗流作用下巷道围岩的塑性区边界线方程,并通过具体实例,对比分析了当λ=0.5时渗流作用对应力场的径向应力与切向应力在巷道两帮和顶底板的分布情况。研究表明,考虑渗流作用,对应力场的影响作用更为显著。     

切顶卸压预裂技术在特厚煤层综放工作面的 应用

为了提高特厚煤层综放工作面两端头顶煤资源及初采初放期间煤炭资源采出率、降低初采初放期间初次来压对工作面的冲击以及减小临近工作工作面采掘期间的矿压显现,采用断裂损伤理论,分析了切顶卸压后顶板岩梁的断裂垮落步距和综放工作面初次来压强度的变化,得出综放工作面的支撑压力区域发生前移,增强了煤层的冒放性和初采初放期间的煤炭资源回收率。以山西同煤集团同忻煤矿综放工作面为研究背景,对综放工作面在初采前及两巷端头应用切顶卸压预裂技术,对比分析了有无实施切顶卸压预裂综放工作面在推进过程中初次来压步距和初次放煤步距的差异。研究结果表明,实施切顶卸压预裂技术后,综放工作面初次来压步距较未预裂时缩短了11.1 m,初次放煤步距较未预裂时提前了16 m;并且利用钻孔窥视技术,得出了采空区三角区悬滞的顶煤沿着预裂爆破导通的裂隙发生断裂垮落,有效解决两巷采空区悬顶过大的问题。     

基于德鲁克-普拉格准则的围岩损伤区渗透系数研究

利用损伤力学,考虑了中间主应力作用,应用德鲁克-普拉格准则,推导了圆形巷道围岩应力场的解析解,给出了围岩渗透系数的表达式,并对孔隙水压力和围岩塑性区域半径与渗透系数之间的关系进行了研究。研究表明：在损伤区域范围内,渗透系数 K随着r 的增加呈非线性减小,随着孔隙水压力 p 的增大呈指数增加。研究成果可为巷道在渗流作用下变形破坏计算及稳定性分析提供理论依据。