掘进工作面瓦斯流动规律数值模拟分析

研究煤层巷道掘进过程瓦斯流动规律对认识掘进巷道瓦斯涌出规律和瓦斯治理具有重要的理论意义和现实意义。本文通过建立流固耦合模型,考虑煤与瓦斯流固耦合作用,进行了不同掘进长度,掘进工作面瓦斯压力分布规律,瓦斯压力梯度改变以及瓦斯流动规律的数值模拟研究。研究表明,掘进巷道周边煤层瓦斯压力随煤壁暴露时间的增长逐渐降低,采掘活动对工作面前方煤体的影响范围达30m。并且越靠近煤壁瓦斯压力梯度越大,在距离巷帮5m范围内,瓦斯压力变化幅度最大。煤壁瓦斯流速随巷道掘进长度的增加先增加后减小,最后瓦斯流速趋于稳定。掘进工作面瓦斯流动规律的研究为矿井瓦斯治理提供安全可靠的依据,保证矿井安全生产。     

综采工作面周期来压步距受回采速率影响研究

为实现不同采煤速率条件下综采工作面周期来压步距的预测,保证来压时工作面稳定,以陕北某煤矿14204工作面为工程背景,通过对工作面支架压力实时监测得出矿压显现规律,并分别采用对数函数和双曲函数对周期来压步距受推采速率的影响进行回归分析。分析结果表明,14204工作面平均来压步距为13.3 m;经过对比分析,发现双曲函数能很好的拟合推采速率对周期来压步距的影响;随回采速率的提高周期来压步距有所增加,但是由于工作面两端及中间位置的顶板所处的边界条件、地质条件等不尽相同,所以周期来压步距增加的幅度有所差异。研究成果为陕北地区综采工作面矿压显现规律的预测及控制提供了有益的实践经验。     

超大采高工作面顶板电阻率监测可行性试验

顶板覆岩破坏是造成回采工作面突水的主要原因之一,利用矿井电法进行顶板电阻率监测可以对覆岩破坏情况进行动态探查,但是超大采高工作面顶板电阻率监测面临着常规方法音频信号难以穿透、顶板监测电极埋设施工困难以及回风巷顶板监测电极难以保护等问题。为了解决上述问题,利用音频电透仪和回采工作面电阻率监测系统开展了超大采高工作面顶板电阻率监测可行性试验研究。结果显示：单极-偶极装置音频信号透视穿透距离可达340 m;锚杆可以作为监测电极进行电流发射和信号采集;可以将回风巷监测电极布置于巷道底板加以保护。在某矿超大采高工作面部署了回采工作面电阻率监测系统,信号测试结果与可行性试验的结论一致。     

工作面长度对覆岩空间结构演化及大采高采场矿压规律的影响

工作面长度的增加是导致采场矿压强度增加的原因之一。通过相似模拟试验证明了覆岩能破断成梯形台形态,并指出了梯形台形成机制及梯形台的参数计算原理。利用梯形台分析了工作面长度对覆岩破断规律的影响,指出了梯形台与关键层理论的关系。基于薄板理论推导了岩层破断步距的计算公式,分析了工作面长度对梯形台空间结构演化及采场矿压显现特征的影响。结果表明：由于覆岩按梯形台破断,工作面长度较短时,加载层厚度较小,来压强度小。对比研究了赵庄2号井1305大采高工作面（工作面长度为85 m）和1302大采高工作面（工作面长度为180 m）矿压特征。结果表明：1305工作面基于梯形台和薄板理论进行选型计算,支架计算工作阻力为4 738 kN,现场选用额定阻力5 500 kN能够满足顶板控制的要求;1302工作面基于梁理论进行选型计算,支架计算工作阻力为7 623 kN,现场需选用额定阻力7 800 kN才能满足顶板控制的要求。     

深部硬煤掘进工作面煤与瓦斯突出机制探讨

为深入探讨硬煤的煤与瓦斯突出机制,对深部硬煤掘进工作面煤与瓦斯突出的相关理论和模型试验进行研究。根据断裂力学、岩石力学及煤与瓦斯突出有关理论,提出深部开采过程中硬煤掘进工作面薄板理论假设,并将该理论应用于深部硬煤掘进工作面煤与瓦斯突出模拟试验研究。对硬煤掘进工作面薄板理论分析,认为工作面尺寸、煤的弹性模量、围岩侧压系数、瓦斯压力等因素对硬煤掘进工作面突出具有较大影响。试验结果表明,在围岩应力、煤的坚固性系数较大的情况下,硬煤突出临界条件主要受围岩应力、煤的弹性模量、围岩侧压系数及工作面尺寸等因素影响,而受瓦斯压力影响相对较小;在围岩应力、试样的坚固性系数较大且煤的弹性模量和侧压系数稳定不变的情况下,发生突出的临界轴向应力随模拟工作面尺寸增大而近似呈线性减小。试验结论基本符合本硬煤突出薄板模型理论公式,在一定程度上验证了硬煤掘进工作面煤薄板模型理论及硬煤掘进工作面突出机制假设。     

开采沉陷数值计算的空间效应和层面效应分析

数值计算结果的实用性主要取决于模型和参数的选取。在相同地质、开采条件下，笔者探讨了平面模型与三维模型、设置弱面与不设置弱面、弹性与弹塑性等不同状态对矿山开采沉陷计算结果的影响，通过计算模型之间的对比，分析了空间效应、层面效应等对计算结果的影响程度和原因。其结论对今后矿山开采沉陷数值计算具有参考价值。     

随采地震监测数据采集控制软件开发

随采地震能够对工作面前方地质异常体进行连续探测和实时预报,成为近几年的研究热点,但是目前还没有能够在煤矿井下开展随采地震长期连续监测的装备及配套软件。为了解决这个问题,基于Microsoft Foundation Classes（MFC）开发框架,开发了一套随采地震监测数据采集软件,在室内、野外进行了为期3个月的联调测试,并且在贵州岩脚煤矿与井下随采地震监测设备开展了为期3个月的全面试运行。测试表明,软件实现了随采地震信号的高效采集、完全存储和处理软件的实时通信功能,具有运行稳定、操作便捷、处理高效、便于维护、无人值守等优点。     

综采工作面回撤巷强矿压显现机理及控制技术

为保障厚煤层综采工作面回撤巷的安全使用,以鄂尔多斯纳林河二号井31102工作面回撤巷强矿压显现为背景,通过现场监测与理论分析相结合的方法,对厚煤层综采工作面开采过程中回撤巷强矿压显现进行研究。结果表明：厚煤层综采工作面回撤巷强矿压显现,主要为工作面采动引起的超前支承压力、相邻采空悬顶引起的双向支承应力,以及回撤巷开掘引起的静载三者耦合作用的结果。根据强矿压发生机理,提出回撤巷道及相邻巷道钻孔卸压和补强支护相结合的控制方案,使其处于“强支、强卸”状态。在相邻31103工作面回撤巷实施强矿压控制技术,通过现场观测和数据分析,表明强矿压控制技术效果良好,可有效保障回撤巷的安全使用。     

韩城矿区煤与瓦斯突出主控因素及突出区预测

通过大量地质调查与瓦斯地质特征的研究表明,影响韩城矿区煤与瓦斯突出的主控地质因素为煤层瓦斯含量、煤体结构类型及地质构造应力。文章确定了瓦斯突出预测的定量指标及临界值;提出了等性块段叠加法的概念。通过划分瓦斯等性块段、煤体结构等性块段与构造应力等性块段,建立块段突出危险类型评定原则与方案。运用等性块段叠加法,圈定并预测了3号煤层突出危险区,为矿井合理开展突出防治工作提供了科学依据。     

A mathematical programming approach for scheduling equipment in a surface coal mining operation

Summary A mathematical programming model for scheduling open pit mining was developed and validated using data from a surface mining operation. A two-phase solution procedure was used involving repeated evaluations of an integer scheduling model and a simple transportation model.     

地应力和瓦斯压力作用下深部煤与瓦斯突出试验

基于目前煤与瓦斯突出模拟试验均为人为控制突出口打开的实际情况,自主研制了可改变轴压、围压和孔隙压,实现突出口自行打开的煤与瓦斯突出模拟仪。以典型高瓦斯矿井-阜新孙家湾矿为例,试验模拟了煤层开采深度分别为900、 1 100、1 300 m时,突出煤层临近工作面区域在地应力和瓦斯压力共同作用下诱导发生煤与瓦斯突出全过程。试验利用轴压、围压模拟地应力作用,孔隙压模拟瓦斯压力作用。经相似理论计算确定了3种开采深度下轴压和围压值、孔隙压逐级增加得到了突出时瓦斯压力,并拟合了关系曲线。研究结果表明：开采深度、轴压、围压、瓦斯压力与突出距离、突出强度间均呈幂指数增加规律。随深度增加,地应力与瓦斯压力对突出影响增量逐渐减小。瓦斯压力对突出影响作用存在3阶段特征,分别为急剧影响增加阶段、稳定影响增加阶段和缓慢影响增加阶段,确定了瓦斯压力对突出影响变化率最大值,即瓦斯压力变化异常区与稳定区分界点为0.75 MPa,对应开采深度为350 m,与前人理论分析结果基本吻合。由此可以推断,随深部开采,地应力与瓦斯压力共同作用下煤与瓦斯突出频度将增加,但强度和破坏程度增加率将趋于平缓。所得结论对该矿深部煤与瓦斯突出机制认识和预测防治具有参考意义。     

孤岛顶煤综放采场冲击矿压形成机制及控制技术

应用覆岩空间结构学术观点对孤岛顶煤综放采场冲击矿压机制及其控制技术进行研究。根据覆岩关键层的岩性、层位、范围等因素,覆岩关键层空间结构分为覆岩空间大结构和基本顶有限矿压结构。孤岛顶煤采场冲击矿压发生机制：①孤岛顶煤综放采场 ? 型空间大结构形成过程是集中压力逐渐增加的过程,是该时间段发生冲击矿压的力源;②采场基本顶形成最下位 ? 型空间结构后,随着工作面推进,基本顶块体产生滑落失稳,造成工作面冲击矿压现象。通过对分段来压理论、基本顶结构失稳理论和坚硬顶板预断裂理论对覆岩关键层空间结构运动的控制作用研究,提出采用覆岩空间结构理论分析、分阶段降低放煤率、坚硬覆岩预爆泄压技术、覆岩坚硬岩层破裂的微地震监测技术等方式方法预防冲击矿压的发生。     

煤巷掘进迎头煤与瓦斯突出的突变机制分析

将巷道简化为圆形,并将掘进迎头视为圆形直立层裂体建立力学模型;导出了层裂体总势能函数的表达式,建立了圆形层裂体的折叠突变模型,得出了瓦斯突出起动的突变条件,并用有限元方法进行了数值模拟。研究表明,层裂体两侧压力差超过临界值将导致瓦斯突出,这对有效防止瓦斯突出具有重要指导意义。     

PS-InSAR技术在北京采空塌陷区地表形变测量中的应用探析

本文从采空塌陷区地表形变监测手段入手,分析传统形变监测手段(如水准、GPS、常规D-InSAR等)的不足,详细介绍了PS-InSAR技术原理、优缺点及应用现状。最后通过总结北京地区采空塌陷变形特征,并针对PS-InSAR技术的特点和局限性进行可行性分析,最终提出门城镇地区适宜采用PS-InSAR技术进行地表形变监测。     

任意形状工作面沉陷预测的概率积分法及其应用

概率积分法是煤矿开采沉陷预测的重要方法,可适用于缓倾斜、倾斜煤层开采地表移动分布曲线符合正态分布规律的地表移动和变形计算。针对原方法对任意形状工作面存在的不足,在原有走向和倾向概率积分函数的基础上,以走向和倾向为基准划分积分函数区域,在该区域内剖分非结构化的三角形单元作为二重积分的基本单位;通过坐标旋转变换的二重积分换元法,转化为以直线为上、下限的二重积分,计算旋转后的影响半径,对新的二重积分采用复合辛普森数值积分公式,积分得出地表任意点在基本三角形开采单元下的积分下沉值;最后,通过叠加计算完成任意点、任意形状工作面概率积分法的沉陷预测计算。算法在GIS系统下实现,实例应用效果良好,可为“三下”采煤提供地表移动预测计算的支持。     

矿用钻孔瓦斯抽采多参数监测系统与装置

为了弥补传统瓦斯抽采监测系统区域化监测的不足,提出了以钻孔为监测单元构建钻孔瓦斯抽采监测系统,能够实时动态掌握各个钻孔在瓦斯抽采过程中的抽采效果,将大面积区域化测量转变为区域内部各钻孔的测量,实现了瓦斯抽采的精细化监测。针对钻孔瓦斯抽采监测系统需求,结合钻孔孔口处瓦斯抽采参数的特点,研制了一款矿用瓦斯抽采钻孔多参数监测装置,该装置具有超声波气体流量测量、非色散红外瓦斯浓度测量、压电陶瓷气体压力测量、铂电阻气体温度测量四参数于一体的实时数据采集功能,搭载了数据显示、数据存储、数据远程传输、数据Wi-Fi传输等功能性人机交互模块,并开发了瓦斯抽采分析软件、移动数据采集站两款配套软件。装置根据实际应用需求,结合行业相应计量标准,于具有国家计量检定资质的检验单位进行了计量检测,并在黄陵矿业公司二号煤矿进行了井下工业性试验,对装置的实际应用效果进行了验证。试验结果表明：矿用瓦斯抽采钻孔多参数监测装置的四项测量参数均满足相应行业标准的计量要求,可实现各项参数的准确测量,且该装置在实际井下应用中具有良好的工作可靠性与工作稳定性,达到了以钻孔为监测单元的瓦斯抽采监测目的,能够为瓦斯抽采评价提供有力的数据支撑。移动阅读     

煤矿掘进工作面瓦斯涌出规律研究

煤矿掘进工作面瓦斯涌出一般来说只与直接源瓦斯涌出量的大小有关；而在许多矿井的生产实践中，掘进工作面瓦斯涌出量却显示出与直接源涌出量不一致的特性，常常出现瓦斯涌出异常现象。本文通过对所谓”异常现象”进行观察研究，利用瓦斯监测系统和温度计、气压计对地面的气象状况进行观测，对所获得的数据进行综合分析，找出异常涌出瓦斯的来源、影响因素等，发现瓦斯涌出曲线呈现较为规律变化；经比较发现了与大气物理参数变化的关系。从而找出了掘进工作面的瓦斯涌出规律，即与大气物理参数变化之间的关系。为矿井制定生产规划、合理安排组织生产、减少瓦斯事故、保证矿井安全生产提供参考；在安全管理方面提出有针对性地加强瓦斯检查及其它措施。     

高强度开采工作面矿压显现的面长和推进速度效应

高强度开采工作面矿压显现复杂,容易发生压架、冒顶等灾害。为从理论上解释高强度开采工作面的矿压特征,分析了高强度开采工作面的一般特征及其对矿压显现的影响,以顶板初次断裂为例,运用薄板理论并结合岩石力学试验成果,推导出不同面长和不同推进速度下顶板断裂步距的计算公式,并分析了面长和推进速度对来压时支架工作阻力的影响机制。结果表明,面长影响顶板应力分布,推进速度改变顶板承载能力,而且面长越短,推进速度越快,顶板的初次断裂步距就会越大。对于高强度开采工作面,面长普遍大于200 m,面长效应影响微弱,矿压显现主要受推进速度作用,断裂步距和来压时支架工作阻力都比非高强度开采工作面大,容易发生压架和冒顶等灾害。     

孤岛工作面底板破坏深度微震测试与模拟分析

针对孤岛工作面煤层开采底板损伤问题,以河北葛泉煤矿11913孤岛工作面为研究对象,采用微震方法分析其底板破坏深度;并通过数值模拟对首采、跳采及孤岛3种工作面回采过程中围岩采动应力与底板破坏的规律进行了对比分析。微震测试结果显示11913工作面回采过程中微震事件主要发生在下巷,识别出工作面最大破坏深度20~25 m;基于COMSOL的11912首采、11914跳采及11913孤岛3个工作面数值模拟结果显示,11912首采与11914跳采条件下煤柱地应力集中状态变化不大,最大破坏深度小于11.56 m,仅发育至工作面底板的注浆改造层内部;而11913孤岛回采条件下,受到重复采动影响,工作面两侧煤柱应力集中状态骤增,最大破坏深度剧增至23 m,已发育至煤层底板的本溪组灰岩含水层。研究结果对于华北型煤田下组煤层开采底板破坏规律分析与不同类型工作面回采条件下底板水害防治有一定的参考价值。