深部煤巷帮部失稳诱冲机理及“卸-固”协同控制研究

采用室内试验、理论分析、数值模拟和工程实践相结合的综合研究方法,研究了"煤体"自身能量释放型和"煤体+顶底板"共同能量释放型两类煤巷帮部失稳诱冲机理,分析了深部煤巷帮部不同破坏类型的能量释放特征,揭示了深部煤巷帮部"卸-固"协同控制机理,研发了深部煤巷帮部失稳"卸-固"协同控制技术。结果表明:①顶底板及煤体内积聚弹性变形能共同释放是导致深部煤巷帮部发生冲击破坏的基本力学机制;②深部煤巷帮部按破坏程度由弱到强依次为产生宏观裂缝、轻微帮鼓片帮、严重片帮和帮部整体抛出共4类破坏形态;③产生宏观裂缝和轻微帮鼓片帮破坏驱动能量主要来自煤体本身,而严重片帮和帮部整体抛出破坏驱动能量来自煤体和顶底板共同作用;④深部煤巷帮部冲击地压防控应从"卸"和"固"两方面入手,包括巷帮浅部破裂区煤体加固和巷帮深部完整区煤体及顶底板卸压,实现煤巷帮部冲击地压"卸-固"协同控制。如何提升巷道锚固支护系统与围岩结构耦合吸能水平,构建冲击地压灾害"卸-固"协同控制理论与技术体系,是深部开采冲击地压防治工程中需重点研究内容之一。     

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。     

煤矿超大断面硐室判别方法及其工程特征

随着矿井大型化、井下机械化和智能化水平的提高,煤矿大型硐室的使用逐年增多,硐室断面增大导致其围岩变形破坏规律不同,控制技术和策略也相应改变。本文首先随机对国内外15个井工开采煤矿的29条主要硐室进行调研,统计其埋深、断面面积和围岩岩性等情况。然后,采用模糊综合聚类法,以硐室埋深、断面面积、单轴抗压强度和围岩完整性系数作为指标,建立基于模糊综合聚类法的硐室断面分类方法,将硐室断面分为超小、小、中等、大和超大共5类,并对所调研硐室中的超大断面硐室进行判别。最后,利用数值模拟和现场调研验证该判别方法的合理性和准确性,并探讨煤矿超大断面硐室的工程特征,即围岩变形破坏剧烈、多因素共同影响、围岩控制和施工难度大,为其围岩支护设计和稳定性控制提供指导。     

基于进化算法的矿山岩层运动模型识别系统研究

为了更加准确的表达矿山岩层运动的复杂演化规律,用模拟生物繁衍的进化算法进行模型识别研究.采用树状层次结构设计方法,不需事先假定模型的具体函数形式,根据进化过程中的选择、交叉、变异等遗传算子操作,可得到自适应模型.在VC++6.0语言平台基础上,自主开发了基于进化算法的矿山岩层运动模型识别系统,该系统具有模型智能识别和预测功能.应用结果表明,进化模型对采空区顶板离层的非线性演化过程的规律表达比较准确,模型值与实测值的误差非常小,平均仅为3.99%;以树状结构表达的进化算法适合描述岩层运动的复杂特征,开发的软件系统运行稳定、可靠,模型识别精度较高.     

基于应力梯度理论的锚杆合理预紧力

巷道围岩的稳定性不仅与岩体强度有关,还与围岩应力场梯度密切相关。为研究锚杆在巷道围岩支护中合理支护强度的确定方法,在特定的地质条件中提出合理的预紧力,以连续损伤力学模型为基础并引入材料力学领域中的应力梯度理论,推导出了考虑围岩塑性区与弹性区交界面处的平衡方程和边界条件,建立了基于Mohr-Coulomb准则、Drucker-Prager准则以及Hoek-Brown准则下的围岩应力梯度求解模型;以Mohr-Coulomb准则为例,借助FLAC3D对比出模拟结果与理论计算值吻合度为93%且变化趋势一致,验证了提出的应力梯度求解方式适用性,发现随着锚杆预紧力的增加,巷道围岩的塑性区应力梯度相应增加,弹性区应力梯度不断减小,岩体劣化程度减弱。提出应力补偿系数,模拟计算出不同锚杆预紧力下巷道围岩应力梯度分布规律和支护效果,发现预紧力的变化与巷道围岩的锚固效果呈正相关趋势,塑性区范围随预紧力的增加不断减小,围岩稳定性随应力梯度的增加不断提高,并据此得出了锚杆预紧力与围岩应力梯度的对应补偿关系并提出最优补偿比。在现场实践中对巷道变形控制效果提高40%以上,并且应力梯度补偿系数高于0.65,高于该矿围岩变形安全控制要求,为确定锚杆合理支护强度提供了一种研究思路。     

顺槽巷道锚杆支护决策咨询系统研究

针对煤矿顺槽巷道特点，采用Ｔｕｒｂｏ Ｐｒｏｌｏｇ和Ｔｕｒｂｏ Ｃ混合编程，研制成了锚杆支护决策专家系统（ＢＤＥＳ）。本系统具有较强的推理功能、丰富多样的知识库、良好的解释功能和反馈机制。在开滦、焦作等矿区现场初步应用表明，本系统易操作、运转可靠，具有良好的应用前景。     

非均质煤层瓦斯渗流的SPH方法模拟研究

应用光滑粒子流体动力学（smoothed particle hydrodynamics,SPH）方法对煤层瓦斯渗流进行模拟研究。针对非均质煤层瓦斯瞬态渗流问题,利用Fortran语言编制了变系数瓦斯渗流偏微分方程的求解程序,通过虚粒子法处理边界条件,构建了无网格性质的SPH瓦斯渗流模型。进行了不同原始瓦斯压力和透气性系数时常系数渗流方法下结果的误差分析,同时考虑透气性系数受矿山压力及Weibull分布影响的非均质煤层,分析了非均质煤层中瓦斯压力及涌出量的变化规律。模拟结果表明：应用SPH方法能很好的模拟煤层的瓦斯渗流;矿山压力影响以及透气性系数按Weibull分布赋值的非均质煤层都会导致瓦斯渗流的非线性。     

锚杆支护煤巷围岩变形速度的混沌预测研究

锚杆支护煤巷围岩变形具有非线性特征,本文基于围岩变形速度时间序列重构相空间的最大Lyapunov指数,建立了煤巷围岩变形速度的递进预测和非递进预测方法,并对木城涧煤矿+250m水平北石门三槽西四壁工作面中平巷两帮移近速度进行预测,结果表明:围岩变形速度具有混沌特性,且两帮变形速度比顶底板变形速度的混沌程度高;围岩变形速度的拟合效果好,误差较小;采用递进预测比非递进预测方法的预测效果好,最大可预测时间尺度为45 d,平均误差为10.99%。以递进预测结果为依据进行围岩补强支护实践,获得了满意效果。