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千米深井超长工作面支架阻力分布特征及影响因素研究

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采矿与安全工程学报 2023年第1期40卷 1-10页

作者：王兆会唐岳松李辉杨印朝李家龙王志峰中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083 中国中煤能源集团有限公司北京100120 冀中能源股份有限公司河北邢台054000

为促进深部煤炭资源安全高效开采,以中煤新集口孜东矿121304工作面为工程背景,研究千米深井超长工作面支架阻力分布特征及影响因素,指导深部围岩控制。结果表明:千米深井超长工作面超前采动应力呈三峰式分布,采空区压实特征呈三区式分布... 详细信息

为促进深部煤炭资源安全高效开采,以中煤新集口孜东矿121304工作面为工程背景,研究千米深井超长工作面支架阻力分布特征及影响因素,指导深部围岩控制。结果表明:千米深井超长工作面超前采动应力呈三峰式分布,采空区压实特征呈三区式分布,造成工作面长度方向上支架阻力呈现“两端高、中部低”的分布特点;埋深增加,采动应力峰值接近基本顶单轴抗压强度,叠加侧向卸荷作用下,基本顶萌生超前采动应力驱动型破坏裂隙;采动应力峰值越大,局部裂隙发育程度越高,基本顶破碎块度减小,支架阻力降低,超前采动应力三峰式分布造成来压阶段支架阻力“两端高、中部低”分布类型;根据冒落矸石压实程度将采空区划分为充分压实区、非充分压实区和悬露顶板支撑区,构建了空区矸石支撑下基本顶悬臂梁力学模型,得到基本顶W型下沉曲线;将液压支架视为弹性体,得到作用于支架之上的顶板载荷M型分布曲线,解释了千米深井超长工作面正常推进阶段支架阻力呈现“两端高、中部低”分布类型的原因,最后提出了基于液压支架分区控制的差异化顶板管理方法。

关键词：千米深井超长工作面支架阻力采动应力采空区压实特性分区控制

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千米深井大能量事件多因素耦合分析

煤炭科学技术 2023年第5期51卷 45-52页

作者：赵丞王永李志深王涛王维斌盖德成于海峰王存文陈洋董春雨吴陈贺北京科技大学土木与资源工程学院北京100083 山东李楼煤业有限公司山东菏泽274900 济宁矿业集团公司安居煤矿山东济宁272059 山东能源集团有限公司山东济南250014

以山东李楼煤矿为研究背景,采用现场调研、工程对比、现场监测等方法,对李楼煤矿2020年以来发生的大能量事件展开研究,得出如下结论:①系统分析了支承压力分布、工作面“见方”、过断层以及回采速度等4个影响因素与大能量微震事件的关... 详细信息

以山东李楼煤矿为研究背景,采用现场调研、工程对比、现场监测等方法,对李楼煤矿2020年以来发生的大能量事件展开研究,得出如下结论:①系统分析了支承压力分布、工作面“见方”、过断层以及回采速度等4个影响因素与大能量微震事件的关系以及大能量事件的诱发原因。1302(上)工作面采动影响范围约为工作面后方30 m至工作面前方170 m,超前应力峰值约为工作面前方70 m,而侧向微震事件主要分布在沿空巷道附近,整体向采空区一侧偏移;1303工作面微震事件在工作面推进方向的分布范围为工作面后15 m至工作面前200 m,超前应力峰值约为工作面前80 m,1303工作面微震事件在侧向分布形态呈双峰型,向运输巷一侧偏移,受宽煤柱影响,运输巷一侧应力集中程度高于回风巷一侧;工作面“见方”前,微震事件频次和能量逐渐增高,“见方”后趋于平稳;在过断层前,微震事件逐渐升高,过断层期间急剧下降,过断层后逐渐趋于平稳,事件峰值位置距离“见方”前或断层前40 m左右;当1302(上)工作面回采速度为50 m/月,1303工作面回采速度为60 m/月时,频次与能量最大。②通过分析大能量事件的诱发因素及发生位置,可将大能量事件划分为3类:“能量积聚型”大能量事件、“断层活化型”大能量事件及“孤岛结构型”大能量事件,并针对不同类型事件提出具体的防控措施,为周边类似地质因素和开采技术条件的矿井提供参考。

关键词：冲击地压微震监测大能量事件能量频次千米深井

千米深井巷道高压劈裂注浆改性技术研发与实践

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煤炭学报 2020年第3期45卷 972-981页

作者：张振峰康红普姜志云李文洲姜鹏飞蔡瑞春朱阳涛王军煤炭科学研究总院开采研究分院北京100013 天地科技股份有限公司开采设计事业部北京100013 中煤新集能源股份有限公司口孜东矿安徽阜阳236153

高压劈裂注浆改性技术通过注浆改性方法可提高围岩自承能力,是巷道围岩“支护-改性-卸压”协同控制技术的重要一环。针对口孜东矿121302运输巷锚杆支护效果差,常规注浆方法无法注入巷道围岩等难题,开展了千米深井巷道高压劈裂注浆改性... 详细信息

高压劈裂注浆改性技术通过注浆改性方法可提高围岩自承能力,是巷道围岩“支护-改性-卸压”协同控制技术的重要一环。针对口孜东矿121302运输巷锚杆支护效果差,常规注浆方法无法注入巷道围岩等难题,开展了千米深井巷道高压劈裂注浆改性技术研究与实践。开发高压劈裂注浆工艺,研制高压劈裂注浆装备,试制的矿用气动注浆泵最大工作压力超过30 MPa,采用微纳米无机有机复合改性材料,经过超细加工,95%的粒径≤9μm,在121302运输巷掘进工作面进行高压注浆改性试验,对注浆压力-流量变化规律、注浆量、浆液扩散半径等参数统计分析,对注浆改性后的效果进行了测试评价。试验结果表明:注浆压力与注浆流量是劈裂注浆的主控因素;掘进工作面超前注浆平均启劈压力在22 MPa左右;滞后掘进工作面6~8 m注浆,适当降低排量,注浆过程进入高压微劈裂-渗透注浆阶段,增强注浆效果。高压劈裂注浆改性工艺解决了高应力低渗透软岩“注不进”的难题,保证锚杆索锚固质量,改善新掘巷道成型。巷道围岩改性效果理想:现场取样SEM扫描电镜细观形貌分析可发现,高压劈裂注浆工艺下,新型微纳米有机无机复合改性材料可注入最小约2μm宽度的裂隙;浆液水化固结体密实并与煤界面结合致密;纳米压痕试验证明煤浆界面区弹性模量高于煤,致裂重新黏合后的煤体力学性能强于之前。

关键词：千米深井劈裂注浆注浆加固围岩改性

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千米深井超长工作面采动应力旋转特征及应用

煤炭学报 2020年第3期45卷 876-888页

作者：王家臣王兆会杨杰唐岳松李冰冰孟庆保中国矿业大学(北京)能源与矿业学院北京100083 放顶煤开采煤炭行业工程研究中心北京100083 中煤新集能源股份有限公司口孜东矿安徽阜阳236153

千米深井超长工作面采动应力环境更为复杂,围岩破坏程度和控制难度升高,威胁开采安全。为提高该类采场围岩控制效果,采用理论分析、数值模拟和现场实测等综合研究手段,从采动应力旋转角度分析该现象对围岩稳定性的影响及其应用原则。结... 详细信息

千米深井超长工作面采动应力环境更为复杂,围岩破坏程度和控制难度升高,威胁开采安全。为提高该类采场围岩控制效果,采用理论分析、数值模拟和现场实测等综合研究手段,从采动应力旋转角度分析该现象对围岩稳定性的影响及其应用原则。结果表明:千米深井超长工作面围岩裂隙发育程度升高,稳定性受到采动应力大小和方向的双重影响,含裂隙围岩存在优势裂隙扩展角,采动应力旋转造成围岩承载能力降低,采动应力旋转角度愈大,围岩稳定性愈差;采动后,121304工作面采动应力发生旋转,旋转轨迹与采动影响程度、工作面推进方向密切相关,距采空区边界愈近,采动应力旋转速度和旋转角度愈大;煤层和低位岩层最大主应力在平行和垂直于工作面推进方向的竖直平面内旋转,倾角减小,最小主应力则首先向平行和垂直于工作面推进方向的竖直平面内旋转,然后在上述平面内与最大主应力同步旋转,倾角增大;岩层位态升高,采动应力旋转角度先增大后减小,高位岩层采动应力旋转轨迹受121303工作面采空区影响,采动应力旋转轨迹向临近工作面采空区偏转;根据工作面推进方向与采动应力旋转轨迹的关系,提出围岩中存在一组、多组优势裂隙及裂隙随机分布条件下工作面推进方向确定原则,并分析了采动应力旋转现象对覆岩“砌体梁”结构稳定性的影响。

关键词：千米深井超长工作面采动应力旋转原生裂隙围岩稳定

千米深井软岩大巷围岩锚架充协同控制原理、技术及应用

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煤炭学报 2020年第3期45卷 1020-1035页

作者：姜鹏飞康红普王志根刘庆波杨建威高富强汪向明张群涛郑仰发王海涛天地科技股份有限公司开采设计事业部北京100013 煤炭科学研究总院开采研究分院北京100013 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室北京100013 中煤新集能源股份有限公司安徽淮南232170 中煤新集能源股份有限公司口孜东矿安徽阜阳236153

针对煤矿千米深井高应力、软岩大巷围岩强时效大变形难题,以中煤新集口孜东矿软岩大巷为工程背景,根据井下实测数据与支护状况,分析了不同支护方式下巷道围岩大变形、支护构件破坏与失效特征。采用理论计算得出U型钢支架在均布载荷和不... 详细信息

针对煤矿千米深井高应力、软岩大巷围岩强时效大变形难题,以中煤新集口孜东矿软岩大巷为工程背景,根据井下实测数据与支护状况,分析了不同支护方式下巷道围岩大变形、支护构件破坏与失效特征。采用理论计算得出U型钢支架在均布载荷和不同类型集中载荷作用下的垂直反力、水平推力及弯矩,揭示了充填体对提高U型钢支架发挥其承载能力的作用机制;采用数值模拟分析对比了锚网喷、锚网喷+钢管混凝土及锚架充3种支护方式控制围岩变形与破坏的效果,阐明了千米深井软岩大巷锚架充协同控制原理。在引进与自主研发的基础上,形成了包括支护材料与构件、充填材料与系统、自动架棚机、单轨吊巷道锚杆支护平台的锚架充协同控制技术。基于上述研究成果,提出口孜东矿软岩大巷锚架充协同控制方案与参数,并进行了井下试验与推广应用。结果表明,锚架充协同控制技术能够有效控制千米深井软岩大巷围岩大变形,特别是强流变,保持巷道长期稳定。与原支护相比,巷道变形量降低90%以上,同时节约了巷道维护成本,为千米深井软岩大巷围岩控制提供了一条有效的途径。最后,对锚架充协同控制技术下一步研究工作进行了展望。

关键词：千米深井软岩大巷锚杆支护 U型钢支架架后充填协同控制

千米深井切顶成巷卸压效应及采场应力分布特征研究

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煤炭工程 2023年第3期55卷 94-99页

作者：张磊李伟东汪义龙李永元杨阳华能煤炭技术研究有限公司北京100070

以千米深井安居煤矿5307工作面为工程背景,通过数值模拟和现场实测研究了超千米埋深切顶成巷无煤柱开采卸压效应及采场应力分布特征,并对工作面压力分布进行了分区。数值模拟结果表明,相对于留煤柱开采,切顶成巷无煤柱开采超前支承压力... 详细信息

以千米深井安居煤矿5307工作面为工程背景,通过数值模拟和现场实测研究了超千米埋深切顶成巷无煤柱开采卸压效应及采场应力分布特征,并对工作面压力分布进行了分区。数值模拟结果表明,相对于留煤柱开采,切顶成巷无煤柱开采超前支承压力峰值和应力增高系数均有降低,且越近留巷侧卸压效应越明显,切顶成巷实体煤帮应力峰值较留煤柱开采降低6.7%;现场实测结果表明,切顶成巷无煤柱开采工作面倾向压力分布具有非对称性特征,近切缝侧一定范围内出现明显的卸压区,卸压影响范围15 m,切缝影响区内的支架平均工作阻力较工作面中部降低28%,较未切缝的运输巷侧降低22%。

关键词：千米深井采场应力沿空留巷矿山压力切顶卸压

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千米深井井壁与围岩共同承载理论研究及应用

煤炭工程 2023年第9期55卷 6-10页

作者：宋刚周晓敏中煤天津设计工程有限责任公司天津300120 北京科技大学土木与资源工程学院北京100083

为了解决传统井壁设计理论无法合理计算超千米深井井壁的难题,以磁西矿1341.6 m深副立井井壁设计为工程背景,通过分析千米深井力学作用机理,将井壁与围岩纳入统一的力学模型,并引入水土耦合作用机理,建立井壁与围岩固液耦合作用力学模... 详细信息

为了解决传统井壁设计理论无法合理计算超千米深井井壁的难题,以磁西矿1341.6 m深副立井井壁设计为工程背景,通过分析千米深井力学作用机理,将井壁与围岩纳入统一的力学模型,并引入水土耦合作用机理,建立井壁与围岩固液耦合作用力学模型。根据厚壁圆筒理论和第三强度理论,得到了井壁与围岩共同承载理论井壁厚度计算式。根据井壁与围岩共同承载理论表达式可知,影响井壁合理厚度的因素包括井壁与围岩的抗压强度、弹性模量、剪切模量和泊松比、岩层含水渗透压等物理力学参数。应用该理论计算了磁西一号矿井副立井井壁厚度:泥岩段(埋深1280 m)井壁合理厚度计算结果为0.852 m,设计取0.9 m;砂岩段(埋深1200 m)井壁合理厚度计算结果为0.747 m,设计取0.8 m。井筒自设计施工完毕使用至今,井壁完好,满足了安全生产需要。工程应用表明:井壁与围岩共同承载理论及井壁厚度表达式符合超千米深井井壁安全设计要求。

关键词：千米深井井壁与围岩共同承载井壁结构井壁厚度设计理论

千米深井锰矿炭质页岩顶板巷道围岩变形破坏特征

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金属矿山 2023年第12期 14-22页

作者：申业兴高林黄小芬赵世毫战新宇赵芳昊贵州大学矿业学院贵州贵阳550025 煤炭行业巷道支护与灾害防治工程研究中心北京100083 喀斯特地区优势矿产资源高效利用国家地方联合工程实验室贵州贵阳550025

贵州省锰矿埋深普遍较深且巷道顶板以炭质页岩为主,层间节理、裂隙发育,导致该类巷道围岩变形破坏较为严重。为了揭示千米深井锰矿炭质页岩顶板巷道围岩变形破坏特征,以贵州铜仁某千米深井锰矿-75 m中段回风平巷为例,基于围岩力学试验... 详细信息

贵州省锰矿埋深普遍较深且巷道顶板以炭质页岩为主,层间节理、裂隙发育,导致该类巷道围岩变形破坏较为严重。为了揭示千米深井锰矿炭质页岩顶板巷道围岩变形破坏特征,以贵州铜仁某千米深井锰矿-75 m中段回风平巷为例,基于围岩力学试验及数值仿真试验方法,对不同炭质页岩厚度下中段回风平巷的变形破坏特征进行分析。结果表明:千米深井锰矿中段回风平巷炭质页岩顶板及锰矿层天然状态下抗压强度分别为70 MPa、60 MPa,炭质页岩坚固性系数为3.4~5.0;随着炭质页岩顶板厚度增加,巷道顶板及两帮位移量逐渐增大,顶板最大垂直位移量为96.7 mm,左、右两帮最大水平变形值分别为117 mm、104 mm,且两帮位移图像整体呈现出“倒V”字形分布,表现出显著差异性变形破坏特征;巷道顶板塑性区范围随着炭质页岩厚度增大而扩大,在炭质页岩厚度为3 m时,塑性区体积达到最大值,且巷道塑性区以剪切破坏为主,剪切破坏体积占塑性区总体积的93.82%。综合分析得出,随着炭质页岩厚度的增加,顶板破坏范围越大,围岩稳定性越差,故加强深井高应力锰矿炭质页岩顶板非对称冒落拱的控制是该类巷道围岩稳定性控制的关键。

关键词：千米深井炭质页岩围岩变形走向长壁开采力学特性

千米深井大采高俯采工作面四柱液压支架适应性分析

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煤炭学报 2020年第3期45卷 865-875页

作者：王国法胡相捧刘新华于翔刘万财吕益郑植中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院北京100083 中国矿业大学(北京)智慧矿山与机器人研究院北京100083 天地科技股份有限公司开采设计事业部北京100013 中煤新集能源股份有限公司口孜东矿安徽阜阳236153 中煤新集能源股份有限公司安徽淮南232170

针对口孜东矿121302工作面使用的四柱支撑掩护式液压支架适应性较差的问题,统计分析了121302工作面的矿压和支架受力特点,基于平面杆系建立了四柱支撑掩护式支架的力学模型,推导出支架极限外载荷大小和分布区间的解析表达式,得出支架外... 详细信息

针对口孜东矿121302工作面使用的四柱支撑掩护式液压支架适应性较差的问题,统计分析了121302工作面的矿压和支架受力特点,基于平面杆系建立了四柱支撑掩护式支架的力学模型,推导出支架极限外载荷大小和分布区间的解析表达式,得出支架外载荷与顶梁合力和底座合力是一一对应关系,支架能够平衡的外载荷必须满足其对应的顶梁合力和底座合力均在其长度范围内,否则,支架将不能保持稳定状态;支架极限外载荷区间不是完全覆盖顶梁长度,依据前后排立柱的最大工作阻力和最大拉力分为5个区域:前排立柱达到最大拉力区、后排立柱达到最大工作阻力区、前排立柱达到最大工作阻力区、后排立柱达到最大拉力区、无承载能力区,其中,无承载能力区的区间取决于支架高度、摩擦因数以及顶梁前端至底座前端的水平距离。通过实例分析了支架前后排立柱不同工作阻力分配比例和摩擦因数对支架适应性的影响,结果表明:支架前后排立柱工作阻力不能相差太大,太大会降低支架的适应性;顶底板松软和较大俯采角度的工作面,支架前后排立柱工作阻力分配比例6∶4时最为合理;通过增大中缸环形面积以提高后柱的受拉能力来提高支架适应性,为了保护导向套和立柱连接件不受损坏,立柱的上腔加装安全阀,并加强后排立柱的连接件强度;摩擦因数取负时,支架极限外载荷区间最小,随支架高度降低,支架极限外载荷区间增大;摩擦因数取非负时,摩擦因数越大,支架前端的承载能力越大,随支架高度降低,支架极限外载荷区间减小。

关键词：千米深井大采高俯采工作面四柱液压支架适应性