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Prediction of upper limit position of bedding separation overlying a coal roadway within an extra-thick coal seam 被引量:5
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作者 YAN Hong ZHANG Ji-xiong +2 位作者 LI Lin-yue FENG Rui-min LI Tian-tong 《Journal of Central South University》 SCIE EI CAS CSCD 2018年第2期448-460,共13页
Failure of the surrounding rock around a roadway induced by roof separation is one major type of underground roof-fall accidents.This failure can especially be commonly-seen in a bottom-driven roadway within an extra-... Failure of the surrounding rock around a roadway induced by roof separation is one major type of underground roof-fall accidents.This failure can especially be commonly-seen in a bottom-driven roadway within an extra-thick coal seam("bottom-driven roadway"is used throughout for ease of reference),containing weak partings in their roof coal seams.To determine the upper limit position of the roof interlayer separation is the primary premise for roof control.In this study,a mechanical model for predicting the interlayer separation overlying a bottom-driven roadway within an extra-thick coal seam was established and used to deduce the vertical stress,and length,of the elastic,and plastic zones in the rock strata above the wall of the roadway as well as the formulae for calculating the deflection in different regions of rock strata under bearing stress.Also,an approach was proposed,calculating the stratum load,deflection,and limiting span of the upper limit position of the interlayer separation in a thick coal seam.Based on the key strata control theory and its influence of bedding separation,a set of methods judging the upper limit position of the roof interlayer separation were constructed.In addition,the theoretical prediction and field monitoring for the upper limit position of interlayer separation were conducted in a typical roadway.The results obtained by these two methods are consistent,indicating that the methods proposed are conducive to improving roof control in a thick coal seam. 展开更多
关键词 extra-thick coal seam bedding separation coal roadway roof fall mechanical model
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Enhanced permeability mechanism in coal seams through liquid nitrogen immersion:multi-scale pore structure analysis
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作者 LI Xue-long CHEN De-you +5 位作者 LIU Shu-min WANG Deng-ke SUN Hai-tao YIN Da-wei ZHANG Yong-gang GONG Bin 《Journal of Central South University》 2025年第7期2732-2749,共18页
The geological structure of coal seams in China is remarkably varied and complex,with coalbed methane reservoirs marked by significant heterogeneity and low permeability,creating substantial technical challenges for e... The geological structure of coal seams in China is remarkably varied and complex,with coalbed methane reservoirs marked by significant heterogeneity and low permeability,creating substantial technical challenges for efficient extraction.This study systematically investigates the impact of liquid nitrogen immersion(LNI)on the coal’s pore structure and its mechanism of enhancing permeability with a combination of quantitative nuclear magnetic resonance(NMR)analysis,nitrogen adsorption experiments,and fractal dimension calculations.The results demonstrate that LNI can damage the coal’s pore structure and promote fracture expansion through thermal stress induction and moisture phase transformation,thereby enhancing the permeability of coal seams.The T_(2)peak area in the NMR experiments on coal samples subjected to LNI treatment shows a significant increase,the Brunauer-Emmett-Teller(BET)specific surface area decreases to 6.02 m^(2)/g,and the Barrett-Joyner-Halenda(BJH)total pore volume increases to 14.99 mm^(3)/g.Furthermore,changes in fractal dimensions(D_(1)rising from 2.804 to 2.837,and D_(2)falling from 2.757 to 2.594)indicate a notable enhancement in the complexity of the pore structure.With increasing LNI cycles,the adsorption capacity of the coal samples diminishes,suggesting a significant optimization of the pore structure.This optimization is particularly evident in the reconstruction of the micropore structure,which in turn greatly enhances the complexity and connectivity of the sample’s pore network.In summary,the study concludes that LNI technology can effectively improve the permeability of coal seams and the extraction efficiency of coalbed methane by optimizing the micropore structure and enhancing pore connectivity,which offers a potential method for enhancing the permeability of gas-bearing coal seams and facilitating the development and utilization of coalbed methane. 展开更多
关键词 liquid nitrogen immersion(LNI) coal seam pore structure PERMEABILITY nuclear magnetic resonance(NMR) fractal dimension
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Control mechanism of a cable truss system for stability of roadways within thick coal seams 被引量:7
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作者 YAN Hong HE Fu-lian +2 位作者 LI Lin-yue FENG Rui-min XING Peng-fei 《Journal of Central South University》 SCIE EI CAS CSCD 2017年第5期1098-1110,共13页
Cable truss systems have been widely applied in roadways with complicated conditions, such as the large cross-sections of deep wells, and high tectonic stress. However, they are rarely applied to roadways with extreme... Cable truss systems have been widely applied in roadways with complicated conditions, such as the large cross-sections of deep wells, and high tectonic stress. However, they are rarely applied to roadways with extremely thick coal seams because the control mechanism of the system for the deformation of the roof and the separation between coal rock segments is not completely understood. By using the relationship between the support system and the roof strata, a mechanical model was established to calculate the deformation of the roof in a thick coal seam with bedding separation under different support conditions: with an anchor truss support and without support. On this basis, the research was used to deduce a method for computing the minimum pre-tightening forces in the anchor truss, the maximum amounts of subsidence and separation with, and without, anchor truss support under the roof, and the maximum subsidence and the decreasing amounts of the separation before and after adopting the anchor truss. Additionally, mechanical relationships between the minimum pre-tightening force and the anchoring force in the anchor were analyzed. By taking a typical roadway with thick coal roof as an example, the theoretical results mentioned above were applied in the analysis and testing of a roof supporting project in a roadway field to verify the accuracy of the theory: favorable experimental results were achieved. In addition, the relationships among other parameters were analyzed, including the minimum pre-tightening forces applied by the anchor truss, the angle of inclination of the anchor cable, and the array pitch. Meanwhile, the changing characteristics of the amounts of roof separation and subsidence with key parameters of the support system(such as array pitch, pre-tightening force, and inclination angle) were also analyzed. The research results revealed the acting mechanism of the anchor truss in control of roadway stability with a thick coal seam, providing a theoretical basis of its application in coal mining. 展开更多
关键词 cable TRUSS system THICK coal seam ROOF separation pre-tightening force
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Factors affecting thin coal seam shearer drum coal-loading performance by a model test method 被引量:3
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作者 GAO Kui-dong XU Wen-bo +1 位作者 JIANG Shou-bo DU Chang-long 《Journal of Central South University》 SCIE EI CAS CSCD 2019年第6期1619-1636,共18页
To solve the problem of a low coal-loading rate being exhibited by the drum shearer on Chinese thin coal seams,systematic tests and research were performed to study the pivotal factors’influences on drum coal-loading... To solve the problem of a low coal-loading rate being exhibited by the drum shearer on Chinese thin coal seams,systematic tests and research were performed to study the pivotal factors’influences on drum coal-loading rate using a model test method.The effects of the drum hub diameter,cutting depth,vane helix angle,drum rotation speed and hauling speed on drum coal-loading rate were determined under circumstances of coal-loading with drum ejection and pushing modes,and reasons for these phenomena were analyzed.The results indicate that the influence of the drum cutting depth on the drum coal-loading rate is the most significant.The parameters of hub diameter,drum rotation speed and hauling speed can influence the drum coal-loading rate by cutting the coals’filling rate in the drum.The parameters of vane helix angle and drum rotation speed can influence drum coal-loading rates by influencing the ratio of cutting coals’tangential and axial speed in the drum.The coal-loading rate with drum ejection is clearly higher than that observed with drum pushing.Research in this study can provide support to design the drum structure and select drum operational parameters for a thin coal seam shearer. 展开更多
关键词 thin coal seam SHEARER CUTTING DRUM coal-loading rate model test
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Layout and support design of a coal roadway in ultra-close multiple-seams 被引量:5
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作者 严红 翁明月 +1 位作者 冯锐敏 李伟康 《Journal of Central South University》 SCIE EI CAS CSCD 2015年第11期4385-4395,共11页
A roadway within ultra-close multiple-seams(RUCMSs) is one of the most difficult supported coal roadways to deal with in underground coal mines. This is usually due to the unknown stress distributions, improper roadwa... A roadway within ultra-close multiple-seams(RUCMSs) is one of the most difficult supported coal roadways to deal with in underground coal mines. This is usually due to the unknown stress distributions, improper roadway layout, and unreasonable support parameters. In order to solve this support problem and effectively save RUCMSs from frequent and abrupt disasters(such as serious deformation of the surrounding rock, roof cave ins, and coal side collapse), a comprehensive method is adopted here which includes theoretical analysis, numerical simulation, and field monitoring. A mechanical model was constructed to determine the stress distribution in the coal pillar after two sides of a longwall panel had been mined. Based on this model, the horizontal, vertical, and tangential stress equations for the plane below the floor of the upper-left coal pillar were deduced. In addition, a typical coal mine(the Jinggonger colliery, located in Shuozhou city, Shanxi province, China) with an average distance between its 9# and 11# coal seams of less than 8.0 was chosen to conduct research on the proper layout and reasonable support required for a typical coal roadway located within coal seam 11#. Using FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3-Dimensions) numerical software, eight schemes were designed with different horizontal distances(d) between the center lines of the coal pillar and the roadway in the lower coal seam(RLCS). The simulations and detailed analysis indicate that the proper distances required are between 22.5 and 27.5 m. A total of 20 simulation schemes were used to investigate the factors influencing the support provided by the key bolts(bolt length, spacing, distance between two rows, installation angle, and pre-tightening force). The results were analyzed and used to determine reasonable values for the support parameters. Field results show that the stability and strength of the RLCS can be effectively safeguarded using a combination of researched stress distribution characteristics, proper layout of the RLCS, and correct support parameters. 展开更多
关键词 ultra-close multiple-seams coal ROADWAY stress DIS
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Study on the Theory and Method on Identification of the Mobile Block in the Face-Contacted Blocks Structure in Rocks Between Coal Seams to Mine the Left-over Coal Above the Gob
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作者 Guorui Feng,Lixun Kang,Xuyan Zhang Institute of Mining Technology,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China. 《地学前缘》 EI CAS CSCD 北大核心 2009年第S1期180-180,共1页
In mining the left-over coal above the gob,stope wall rock of mining area have hard limestone.through field observation,the face-contacted block structure was found in rocks between coal seams to mine the left-over co... In mining the left-over coal above the gob,stope wall rock of mining area have hard limestone.through field observation,the face-contacted block structure was found in rocks between coal seams to mine the left-over coal above the gob.In order to probe into the movement law of rock strata and strata control measures,it is very important to identify the mobile block in face-contacted block structure of rocks between coal seams.This paper relies on the thought of block theory to establish appropriate parameter matrix and figure out its discrimination matrix in view of the fact that the block in face-contacted block structure has high intensity and stiffness,the 展开更多
关键词 MOBILE BLOCK ROCKS BETWEEN coal seams rock mechanics IDENTIFICATION of the MOBILE BLOCK
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矿井槽波地震数据处理系统Geo Coal软件开发与应用 被引量:8
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作者 王保利 金丹 《煤田地质与勘探》 CAS CSCD 北大核心 2019年第1期174-180,共7页
定位于矿井槽波地震勘探,开发一套针对槽波地震数据的处理解释平台,以期推动矿井槽波地震勘探技术更好地为煤矿安全生产服务。构建了软件设计架构,介绍了软件主要子系统和每个子系统包含的功能模块和软件运行环境,最后进行了部分软件界... 定位于矿井槽波地震勘探,开发一套针对槽波地震数据的处理解释平台,以期推动矿井槽波地震勘探技术更好地为煤矿安全生产服务。构建了软件设计架构,介绍了软件主要子系统和每个子系统包含的功能模块和软件运行环境,最后进行了部分软件界面和成果的展示。 展开更多
关键词 矿井槽波 软件开发 数据处理
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基于低位覆岩结构力学解析的特厚煤层大采高综放工作面支架工作阻力计算方法 被引量:1
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作者 郭军 王子 +9 位作者 冯国瑞 段宏飞 白锦文 李丽绒 文晓泽 皇文博 张洁 杨龙龙 刘全 张家豪 《煤炭学报》 北大核心 2025年第S1期98-111,共14页
为探究特厚煤层对超大采高综放工作面液压支架的压架机理和工作阻力计算方法,以大同矿区塔山井田为背景,通过相似模拟试验和理论分析研究了特厚煤层大采高综放采场上覆岩层结构特征及其演化规律,建立了上覆岩层“组合简支梁”和“砌体... 为探究特厚煤层对超大采高综放工作面液压支架的压架机理和工作阻力计算方法,以大同矿区塔山井田为背景,通过相似模拟试验和理论分析研究了特厚煤层大采高综放采场上覆岩层结构特征及其演化规律,建立了上覆岩层“组合简支梁”和“砌体梁”的结构模型,并对其进行了力学解析,研究结果表明:特厚煤层综放开采空间大,覆岩受影响范围广,上覆岩层存在多层厚硬岩层时,在高位易形成砌体梁结构,低位岩层形成“组合悬臂梁”结构,随着工作面推进,该结构先后经历了“回转—分离—反向回转—滑落”的运动过程。组合悬臂梁发生破断后向采空区一侧发生回转并对液压支架产生变形压力,随后“组合悬臂梁”结构发生滑动分离,形成“组合简支梁”结构,并将上覆岩层的荷载通过顶煤传递至工作面液压支架,当荷载大于支架工作阻力时易引发压架事故。通过力学分析,获得了“组合简支梁”结构任意层位岩层煤壁侧支撑力的表达式,并依次迭代获得该结构作用于支架上方顶煤处的压力,提出了低位“组合简支梁”结构作用下的特厚煤层超大采高综放工作面液压支架工作阻力的计算方法。其中“组合简支梁”结构作用于液压支架上的荷载由结构中各岩梁的厚度、长度、破断角和回转角决定。上述研究结果为进一步分析特厚煤层超大采高综放开采工作面支架围岩关系这一矿压控制的核心问题提供理论依据,对特厚煤层智能化超大采高开采设备的选型和自动控制有一定借鉴意义。 展开更多
关键词 特厚煤层 超大采高 覆岩结构 相似模拟 工作阻力
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特厚煤层采放协调智能群组放煤工艺模型及关键技术研究 被引量:1
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作者 李东印 王祖洸 +5 位作者 王伸 李化敏 彭维平 李红斌 张国澎 张旭和 《河南理工大学学报(自然科学版)》 北大核心 2025年第3期22-33,共12页
目的综放开采是特厚煤层安全高效的开采方法,放煤环境复杂多变、采放协调难度大、放煤工艺及参数受控因素多,导致智能化综放开采尤其是智能放煤控制技术发展较为缓慢。针对特厚煤层综放面群组放煤下的智能化放煤控制难题,方法采用理论... 目的综放开采是特厚煤层安全高效的开采方法,放煤环境复杂多变、采放协调难度大、放煤工艺及参数受控因素多,导致智能化综放开采尤其是智能放煤控制技术发展较为缓慢。针对特厚煤层综放面群组放煤下的智能化放煤控制难题,方法采用理论分析、实验室仿真试验、计算机控制软件研发、现场试验与示范等方法,以“智能群组放煤机理-采放协调控制理论及方法-放煤工艺决策模型-放煤软件现场应用”为主线展开深入研究。结果结果表明:提出多放煤口群组协同放煤方法,以连续群组放煤为例,揭示了多放煤口群组协同放煤下的顶煤放出体和煤岩分界面的空间关系;深入剖析综放工作面的采放协调关系及群组放煤逻辑,提出特厚煤层综放面采放协调智能放煤控制理论,构建了综放面采放时间、空间和运能协调控制模型和基于强化学习及隐马尔科夫随机场模型的群组放煤协同控制决策方法,为智能化放煤决策与精准控制提供可靠理论基础;深度融合地质信息与采放工艺参数,建立了综放面多源信息数据库,为智能决策及数字孪生提供数据基础。结论基于群组放煤条件下的采放协调特征,构建了智能放煤决策模型,自主研发智能放煤决策系统(软件),实现了智能放煤工作面年产1500万t。 展开更多
关键词 特厚煤层 综放开采 智能放煤 采放协调 群组放煤
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多层厚硬顶板大采高综放工作面强动载矿压特征及机理 被引量:1
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作者 张震 黄志增 +4 位作者 徐刚 刘晓刚 刘前进 赵铁林 蔺星宇 《煤炭学报》 北大核心 2025年第7期3369-3387,共19页
针对榆神矿区特厚煤层多层厚硬顶板大采高综放工作面下开采液压支架立柱急剧下缩、工作面易压架等强矿压显现问题,采用立柱压力传感器和位移传感器对工作面回采期间支架工作阻力、顶板下沉量进行了全程系统监测;对工作面矿压显现宏观特... 针对榆神矿区特厚煤层多层厚硬顶板大采高综放工作面下开采液压支架立柱急剧下缩、工作面易压架等强矿压显现问题,采用立柱压力传感器和位移传感器对工作面回采期间支架工作阻力、顶板下沉量进行了全程系统监测;对工作面矿压显现宏观特征、近远场覆岩运移与矿压的联动性进行了分析,明确了多层厚硬顶板大采高综放开采工作面矿压显现特征,得到了多层厚硬顶板破断的空间形态及覆岩结构演化规律;阐述了矿压作用机制,建立了考虑煤壁前方弯曲变形、多层厚硬顶板各层位间受力关联下的低、中、高不同层位覆岩结构力学模型,给出了不同层位岩层破断失稳判据及支架临界支护强度。结果表明:多层厚硬顶板大采高综放开采工作面除具有“来压区域性明显、来压急增阻、大小周期来压、周期性强动载来压”的特点外,还呈现出强动载来压期间多次连续性或短距间断性大周期来压的新特征;强动载期间连续性大周期来压矿压显现程度总体呈先增大后减缓的趋势,工作面周期性强动载来压呈不规律性,每隔4~10个小周期来压,间隔120.9~241.9 m,平均161 m发生1次强动载来压,强动载来压期间矿压显现异常强烈;上覆岩层呈现“低位悬臂梁+中位非铰接梁+高位联贯破断叠合铰接梁结构”,低位悬臂梁结构位于煤层上方20 m以内,该结构的周期性回转破断造成工作面小周期来压,中位非铰接梁位于煤层上方20~70 m范围,该范围内岩层的架前拉伸破断或架后剪切破断导致工作面发生大周期来压,高位岩层位于煤层上方70 m以上,中部厚硬岩层破断后,对高位铰接梁有效接触及支撑力减小,造成高位铰接梁相继破断失稳,继而导致工作面多次连续性或短距间断性大周期来压的强动载来压;中位非铰接梁结构破断失稳时支架合理支护强度为1.897 MPa,高位联贯破断铰接梁回转变形失稳对应的支架合理支护强度为2.470 MPa,滑落失稳对应的支架合理支护强度为3.180 MPa,现有的高强度支架难以对顶板的强矿压进行有效控制,须采取顶板弱化的手段进行采场围岩控制。研究成果对特厚煤层多层厚硬顶板开采围岩控制具有一定的指导意义。 展开更多
关键词 特厚煤层 多层厚硬顶板 矿压显现特征 破断结构 矿压作用机理
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深埋特厚煤层坚硬顶板多维分段水力压裂控冲减损技术 被引量:1
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作者 谭毅 王宇 +5 位作者 何满潮 李辉 郭文兵 李林猫 刘伟东 张少普 《煤炭学报》 北大核心 2025年第2期794-809,共16页
水力压裂技术是煤矿顶板弱化及冲击地压防治的有效方法之一。以陕西某煤矿2305特厚煤层综放工作面为工程背景,采用理论分析、数值模拟、现场试验以及工程监测等手段对坚硬顶板区域弱化控制技术进行研究。基于“塑性绞线”理论构建基本... 水力压裂技术是煤矿顶板弱化及冲击地压防治的有效方法之一。以陕西某煤矿2305特厚煤层综放工作面为工程背景,采用理论分析、数值模拟、现场试验以及工程监测等手段对坚硬顶板区域弱化控制技术进行研究。基于“塑性绞线”理论构建基本顶“薄板结构”力学模型,提出了结合煤层采出过程中坚硬顶板初次破断临界状态积蓄的弯曲应变能及微震事件分布与响应特征确定水力压裂目标层位的方法,根据此方法确定2305工作面压裂目标层位为14.50 m厚粗砂岩;构建流固耦合模式下应变软化数值计算模型,在目标层位设计有无定向分段水力压裂数值模拟对比试验,并引入强度−应力比参数对顶板局部稳定性进行分析。结果表明:定向长钻水力压裂有效破坏了基本顶的整体性并缩短了基本顶来压步距,初次来压步距降低了25.81%,周期来压步距降低了24.64%,减小了因顶板悬空面积过大而形成巨大动载及诱发冲击地压的可能性;根据2305工作面地质条件,设计定向长钻+常规浅孔的多维分段水力压裂施工方案,20号、21号、22号定向长钻孔压裂过程中分别出现30、35、23次3 MPa以上压降现象,定向分段水力压裂使顶板的整体性得到破坏,常规浅孔压裂过程中不同裂隙的拓展形式在压裂曲线上表现出双阶段稳定型及多阶段发育型的不同阶段性特征,顶板以及顶煤压裂效果显著;联合多种监测手段对2305工作面围岩活动进行监测,多维分段水力压裂技术的实施破坏了坚硬顶板的完整性,与未实施水力压裂的2303工作面相比,初次来压步距与周期来压步距分别降低24、12 m,降幅分别达33.33%、32.19%,有效减小了采面支架工作阻力,降低了大能量微震事件发生的可能性,为井下安全生产提供了保障。 展开更多
关键词 特厚煤层 坚硬岩层 塑性力学 水力压裂 微震监测
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大倾角极近距离煤层群重复采动巷道围岩破坏规律与控制方法 被引量:5
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作者 贾后省 张志明 +4 位作者 刘少伟 彭博 于辉 邵帅钦 王艺博 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第2期68-80,共13页
大倾角极近距离煤层群开采过程中,巷道受多重采动影响,支护维护困难。针对此类问题,以代池坝煤矿大倾角极近距离煤层群重复采动巷道31233运输巷为工程背景,主要采用数值模拟和现场试验研究方法,研究了巷道围岩应力环境演化特征及其作用... 大倾角极近距离煤层群开采过程中,巷道受多重采动影响,支护维护困难。针对此类问题,以代池坝煤矿大倾角极近距离煤层群重复采动巷道31233运输巷为工程背景,主要采用数值模拟和现场试验研究方法,研究了巷道围岩应力环境演化特征及其作用下巷道围岩破坏规律,设计了有利于围岩塑性破坏分布收敛的非对称屋顶断面,提出了基于巷道围岩塑性区分布规律的非均匀锚杆(索)支护设计方法。研究结果表明:大倾角极近距离煤层群重复采动影响条件下,巷道周边双向主应力差值较大且方向偏转,导致巷道围岩周边破坏呈现非均匀、局部湮灭、最大破坏深度偏转等蝶形特征,巷道内错位置和断面形状决定了巷道破坏形态和范围,内错距直接影响了其围岩塑性区分布与扩展的程度,而坚硬岩层的存在造成塑性区局部湮灭。当巷道内错距离大于17 m时,巷道周边应力趋于稳定,其围岩塑性区大小与形态无明显变化,内错位置大于该距离时,对巷道的围岩稳定性最有利。巷道断面的单边跨度尺寸决定了其所在侧的塑性破坏深度,当巷道断面为非对称屋顶断面时,围岩塑性分布收敛程度显著。巷道断面设计时,巷道最长边应位于坚硬岩层侧且尽量避开最大破坏深度方向,以便充分利用坚硬岩层塑性区湮灭特性,避免巷道围岩塑性区蝶叶过度扩展。因此,可充分利用大倾角非对称屋顶形巷道断面的几何特征,基于巷道围岩塑性区分布规律与合理锚固层位分布特征,进行非均匀锚杆(索)支护设计,有效保障锚杆(索)支护力的发挥的同时,保障巷道围岩的整体稳定。同时,在31233运输巷进行了试验,布设了巷道顶板深部位移与锚索支护力监测站,监测期间顶板变形量在100 mm以内,锚索支护力发挥稳定,围岩整体控制效果较好。 展开更多
关键词 大倾角 极近距离煤层群 重复采动 回采巷道 支护
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深部高突煤层典型特征、诱突机制及防治对策 被引量:8
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作者 林柏泉 杨威 刘统 《煤炭学报》 北大核心 2025年第1期311-325,共15页
我国煤炭开采已逐渐进入深部,随着采深的不断增加,煤层的突出风险显著升高,突出发生的频率和强度均明显增大,给深部煤炭资源的安全高效开发带来巨大挑战。首先剖析了深部不同深度下煤层开采面临的复杂应力环境,并系统研究了深部高突煤... 我国煤炭开采已逐渐进入深部,随着采深的不断增加,煤层的突出风险显著升高,突出发生的频率和强度均明显增大,给深部煤炭资源的安全高效开发带来巨大挑战。首先剖析了深部不同深度下煤层开采面临的复杂应力环境,并系统研究了深部高突煤层的典型特性,阐明了深部开采诱突机制,最后提出了深部开采突出灾害防治的对策建议。结果表明:对突出煤层开采而言,深部没有一个固定深度值,而是应力、瓦斯压力和煤体强度等因素综合影响下煤层所表现出的非线性力学状态。深部煤层应力高,采动煤体呈强塑性破坏;突出煤的孔隙率低且连通性差、高应力下煤层渗透率极低;高压瓦斯高饱和赋存、低压吸附能力强;煤的基质尺度大且通达性差、瓦斯跨尺度运移难;深部煤层最大水平主应力增大,强构造应力作用下构造煤破碎程度高,在构造应力集中带内形成高压瓦斯包,导致突出风险激增。当深部开采工作面前方遇到构造软煤时,工作面附近硬煤内更容易形成强应力集中,对构造软煤内高压瓦斯的封闭作用显著增强,造成工作面前方瓦斯压力高、梯度大,煤体内的瓦斯膨胀能显著高于浅部;同时高应力下工作面前方煤体更容易发生强塑性流变破坏,诱发变形能的猛烈释放。构造煤煤体发生大变形损伤,孔裂隙空间增大;基质尺度急剧减小,被封闭的大量瓦斯快速解吸。二者共同造成游离瓦斯存储空间和压力的同步迅速增大,引发游离瓦斯膨胀能的迅速升高,当瓦斯膨胀能高于突出阈值时,大量瓦斯将破碎并抛出煤体,导致突出事故发生。基于此提出深部突出灾害防治应通过合理化采掘布置,从整体上降低采掘过程中的局部应力集中;通过超前探测准确获取煤层隐蔽构造、煤岩力学参数以及瓦斯参数等关键信息,超前识别突出风险进而施行精准防控;强调了要通过深度卸压充分释放应力,降低煤层应力集中,提高煤层渗透率,同时诱导大量低压吸附瓦斯脱附解吸,通过强力造缝增透减小基质尺度并活化基质孔隙,加速瓦斯运移如有必要采用物理化学联合增透方法,构建基质孔隙-裂隙跨尺度流动通道,提高瓦斯抽采效果,充分降低煤层气含量,最终达到超前、精准和均匀消突的目的,实现深部煤层安全高效开采。 展开更多
关键词 深部开采 突出煤层 高应力 诱突机制 突出防控
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特厚煤层坚硬顶板多场耦合致灾机理及协同控制技术
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作者 于斌 王希廷 +4 位作者 邰阳 卢国志 夏彬伟 匡铁军 霍丙杰 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第8期1-16,共16页
针对特厚煤层综放开采过程中坚硬顶板大跨度破断诱发的强矿压、瓦斯等多重灾害耦合难题,通过理论分析、试验研究与工程实践相结合,系统揭示了坚硬顶板多场耦合致灾机理,提出了远近场协同控制技术及特厚煤层坚硬顶板-瓦斯协同控制技术。... 针对特厚煤层综放开采过程中坚硬顶板大跨度破断诱发的强矿压、瓦斯等多重灾害耦合难题,通过理论分析、试验研究与工程实践相结合,系统揭示了坚硬顶板多场耦合致灾机理,提出了远近场协同控制技术及特厚煤层坚硬顶板-瓦斯协同控制技术。基于不同应力路径力学试验,阐明了阶梯循环动载下煤岩强度弱化与裂隙动态扩展规律,揭示了坚硬顶板覆岩采动裂隙“三带”递进演化特征及其分形维数“S”形增长模式。通过构建“应力-损伤-渗流”多场耦合模型,探明了采动裂隙网络内瓦斯运移与孔隙率动态响应的非线性关联,提出了煤体变形与瓦斯渗流耦合控制方程。创新性研发链臂锯切顶定向弱化技术与地面水力压裂远场预裂技术,形成了特厚煤层坚硬顶板-瓦斯协同控制技术,破解了传统单一灾害治理效率低的技术瓶颈。通过塔山煤矿现场实践表明:地面压裂后支架最大工作阻力降低16.9%,周期来压步距缩短15%;通过“一井双控”技术实现顶板弱化与瓦斯抽采协同调控,工作面推进至超过钻孔50~100m后,地面钻孔抽采效果逐渐减弱。地面垂直立孔配合地面水平压裂井抽采瓦斯,可有效解决8204工作面瓦斯问题,将工作面回风流瓦斯浓度控制在安全范围以内。 展开更多
关键词 特厚煤层 坚硬顶板 地面压裂 多场耦合 协同控制
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强突煤层地面丛式井造穴卸压辅助石门揭煤技术 被引量:3
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作者 刘厅 翟成 +4 位作者 童校长 徐鹤翔 邹全乐 林柏泉 徐吉钊 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第5期144-157,共14页
针对深部强突煤层石门揭煤危险性高,打钻过程易喷孔、效率低的难题,基于数值模拟和现场试验研究了强突煤层地面丛式井全覆盖造穴辅助石门揭煤降突机理及关键技术参数优化方法。首先开发了地面丛式井多级造穴技术及配套系统;其次揭示了... 针对深部强突煤层石门揭煤危险性高,打钻过程易喷孔、效率低的难题,基于数值模拟和现场试验研究了强突煤层地面丛式井全覆盖造穴辅助石门揭煤降突机理及关键技术参数优化方法。首先开发了地面丛式井多级造穴技术及配套系统;其次揭示了丛式井造穴卸压煤体物理场演化规律,提出了造穴关键技术参数优化方法;最后成功开展了石门揭煤控制区地面丛式井全覆盖造穴辅助消突工程试验,验证了技术的有效性。结果表明:提出了多场协同调控防突方法,揭示了地面丛式井区域全覆盖造穴强化卸压增透,辅助石门揭煤消突机理,开发了“机械扩孔-水力喷射-排水释压”多级造穴技术,并配套研发了“造穴-排渣-水渣分离”一体化系统。煤体塑性区体积与等效直径平方呈线性关系,研究条件下的比值为81.90;洞穴附近低渗透区瓦斯压力随着洞穴直径的增大先降低后升高,对应的最优洞穴直径为2.0 m;揭煤巷道沿着垂直于最大主应力方向布置时,造穴后巷道两侧煤体更容易消突。成功开展了石门揭煤控制区地面丛式井全覆盖造穴辅助消突工程试验,技术实施后,煤层透气性系数提高约10倍,残余瓦斯压力和残余瓦斯含量显著降低,试验地点井下揭煤措施孔数量减少了24%、钻孔工程量降低了21%。开发的技术可进一步拓展形成“地面井煤气共采”方法,有望实现难采-难抽煤层煤与瓦斯的协同高效共采。 展开更多
关键词 强突煤层 石门揭煤 地面井造穴 应力-渗流耦合 煤气共采
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松软煤层无水化增透理论及技术发展趋势 被引量:1
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作者 刘勇 张汶定 +5 位作者 陈长江 魏建平 徐向宇 张宏图 南勤聪 校朋伟 《煤炭学报》 北大核心 2025年第4期2123-2146,共24页
在未来相当长的历史时期内,我国仍然要坚持以煤为主的基本国情。煤炭作为兜底保障能源,其高效开采对我国能源安全极为关键。但我国70%以上的煤层为低渗煤层,瓦斯抽采难度大、时间长。瓦斯抽采率低导致的采掘失衡是遏制煤炭产能释放的首... 在未来相当长的历史时期内,我国仍然要坚持以煤为主的基本国情。煤炭作为兜底保障能源,其高效开采对我国能源安全极为关键。但我国70%以上的煤层为低渗煤层,瓦斯抽采难度大、时间长。瓦斯抽采率低导致的采掘失衡是遏制煤炭产能释放的首要因素。尤其是随着浅部资源的枯竭,深部资源复杂赋存环境将使这一问题更加凸显。因此对低渗煤层增透是实现瓦斯高效抽采、解决采掘失衡、提高煤炭产量的有效手段。水力冲孔、水射流割缝和水力压裂等水力化技术因其技术装备成熟、应用灵活,是目前使用范围最广、行之有效的增透技术。然而在松软煤层应用水力化技术时,钻孔易出现塌孔,导致抱钻、喷孔、瓦斯超限等问题。相较于水力化技术,无水化技术从源头上避免了水对煤体强度的软化。采用无水化技术增透松软煤层,能实现瓦斯通道长时间保持通畅,具备高效抽采能力,符合新质生产力的发展理念。因此,无水化技术是目前突破松软煤层瓦斯高效抽采技术瓶颈的可行性方法。无水化技术种类繁多,但均没有在工程中得到应用或推广。为寻求无水化技术在瓦斯抽采领域的发展方向,促进无水化技术发展,突破松软煤层瓦斯高效抽采技术瓶颈,系统梳理了机械刀具、可控冲击波及(磨料)空气射流等10种无水化增透技术,并将其归纳为3类:机械类增透技术、电磁波/机械波增透技术及气体相关增透技术。详细阐述了其技术原理、增透机制、优势及瓶颈,提出了无水化技术在松软煤层瓦斯抽采工程中发展的可行性建议。形成以下主要结论:无水化技术是以机械力、冲击力或热应力的作用形式破裂煤岩,形成卸压区域、裂隙网络,促进瓦斯解吸、渗流,提高瓦斯抽采率。受能量密度和力传递方式的制约,多数无水化技术相较于水力化技术的卸压范围小。这是遏制无水化技术工程应用的主要因素。此外,技术装备的成熟度,可操作性和适用性也是遏制其应用的重要因素。低压(磨料)空气射流在松软煤层应用中发现,在气体压力小于1 MPa条件下,扩孔半径仍可大于1 m,能够实现煤层大范围的均匀卸压。综合能量传递效率和技术装备成熟度,低压(磨料)空气射流在进一步完善安全保障技术的条件下,具有应用推广的潜力。 展开更多
关键词 松软煤层 无水化技术 卸压增透 瓦斯抽采 空气射流
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中国南方煤层气主要地质特点、勘探开发进展及策略 被引量:1
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作者 郭涛 周亚彤 +2 位作者 金晓波 高小康 彭兴平 《煤田地质与勘探》 北大核心 2025年第3期44-53,共10页
【目的和方法】中国南方多、薄煤层叠置条件下煤层气资源丰富,是我国煤层气勘探开发的重要接替区,近年来煤层气产业取得长足进展,但要实现全面效益开发仍面临诸多挑战。为进一步助推煤层气产业快速发展,总结南方煤层气主要地质特点,梳... 【目的和方法】中国南方多、薄煤层叠置条件下煤层气资源丰富,是我国煤层气勘探开发的重要接替区,近年来煤层气产业取得长足进展,但要实现全面效益开发仍面临诸多挑战。为进一步助推煤层气产业快速发展,总结南方煤层气主要地质特点,梳理勘探开发现状与进展,基于存在问题提出开发对策。【结果】结果表明:南方地区煤层气资源丰富,具有“煤层层数多而薄、累厚大、中−高热演化、高含气,深部高饱和、富含游离气;构造条件与煤体结构复杂”典型特征。勘探开发经历了资源调查与技术借鉴(1989−2009年)、技术探索(2010−2020年)与技术升级及深部煤层气攻关(2021年至今)3个阶段,当前正处于南方深部煤层气地质理论认识提升、适应性有效支撑压裂技术升级优化阶段,有望支撑南方煤层气快速发展。【结论】针对南方煤层气地质特点,提出“加大地震勘探投入,优选构造稳定区,边评价边建产,井组式滚动开发;优化产层组合实施多层大规模压裂合采;优选主力煤层实施水平井分段压裂;加快深部煤层气勘探评价”4项开发建议。发挥多煤层优势、实施有效支撑压裂改造、加快深部煤层气地质评价与选区是南方煤层气走向规模化开发的重要途径。 展开更多
关键词 南方煤层气 多煤层 地质特点 勘探开发 技术策略
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浅埋煤层开采地表裂缝发育规律及形成演化机理 被引量:4
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作者 侯恩科 慕佳欣 +6 位作者 谢晓深 冯栋 杨磊 李研 何涛 包康光 陈小绳 《煤田地质与勘探》 北大核心 2025年第2期107-117,共11页
【目的】地表裂缝是陕北煤矿区最常见的一种地质灾害,不仅损伤地表生态环境,与覆岩裂隙贯通的地表裂缝还是地表水溃入井下的主要通道,威胁井下安全生产。【方法】为进一步揭示浅埋煤层开采地表裂缝发育规律,并阐明其形成及演化机理,以... 【目的】地表裂缝是陕北煤矿区最常见的一种地质灾害,不仅损伤地表生态环境,与覆岩裂隙贯通的地表裂缝还是地表水溃入井下的主要通道,威胁井下安全生产。【方法】为进一步揭示浅埋煤层开采地表裂缝发育规律,并阐明其形成及演化机理,以陕北红柳林煤矿15218工作面和25213工作面为研究对象,采用地表裂缝填图、裂缝动态监测和数值模拟等方法,对地表裂缝进行深入研究。【结果和结论】研究表明:(1)浅埋煤层开采地表裂缝整体呈“C”形展布,其发育特征与发育位置和地貌类型密切相关。相同开采条件下黄土沟壑区>5 cm宽度的裂缝数量占比是风沙滩地区的2.15倍,发育程度明显大于风沙滩地区;工作面边界裂缝发育程度明显大于面内裂缝。(2)浅埋煤层开采地表裂缝具有超前和滞后2种动态发育特征,其中,25213工作面开采诱发的地表裂缝滞后回采位置发育,滞后距6.49 m;15218工作面开采诱发的地表裂缝超前回采位置发育,超前距20.07 m;面内裂缝具有4种活动特征,边界裂缝宽度仅呈现“开裂-增大-稳定”的活动特征,地表裂缝整体活动时间4~14 d。(3)采空区地表附近形成压缩区、拉压转换区和拉伸区,随着工作面推进,采空区顶板岩层和地表移动变形破坏区不断向前扩展。地表下沉盆地范围略大于采空区,最大下沉系数0.82。(4)非贯通裂缝主要由地表移动盆地边缘土体拉伸变形超过其极限值所引起,贯通裂缝是覆岩内部上行裂缝与地表裂缝相接或直接导通地表的结果。随着工作面推采,基本顶周期破断引起地表裂缝向前不断扩展。地表裂缝宽度变化特征与裂缝两侧块体的复杂运动密切相关。研究成果对浅埋煤层开采区地表裂缝防治具有重要参考价值。 展开更多
关键词 浅埋煤层 开采损害 地表裂缝 数值模拟 红柳林煤矿
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“三软”厚煤层开采覆岩多层位离层注浆减沉技术及应用 被引量:5
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作者 郭文兵 吴东涛 +3 位作者 郭明杰 胡玉杭 杨伟强 王比比 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第5期1-12,共12页
采动覆岩离层注浆中注浆层位精准识别及保护层厚度合理确定,对防治地表沉陷、保护地表建(构)筑物具有重要意义。为了实现覆岩多层位离层精准注浆减沉,基于组合梁理论改进了离层位置判别方法,确定了覆岩多层位离层注浆充填位置;通过弹性... 采动覆岩离层注浆中注浆层位精准识别及保护层厚度合理确定,对防治地表沉陷、保护地表建(构)筑物具有重要意义。为了实现覆岩多层位离层精准注浆减沉,基于组合梁理论改进了离层位置判别方法,确定了覆岩多层位离层注浆充填位置;通过弹性薄板理论,建立了覆岩离层注浆保护层采动岩体结构力学模型;构建了覆岩多层位离层注浆充填空间的等效模型,并根据注浆空间上位岩层和下位岩层破断规律,给出了充填空间的最小和最大总体积;采用概率积分法并结合地表实际监测结果,评价了“三软”厚煤层覆岩多层位离层注浆效果,并对郑州矿区裴沟煤矿22151工作面开展了实例分析。结果表明:钻孔窥视验证了多层位离层注浆位置的准确性,在距煤层152.6 m中粒砂岩底部和距煤层168.6 m处细粒砂岩下方之间成功实施覆岩多层位离层注浆;工作面在开采厚度为7.1 m时,保护层厚度为25.2 m能够实现覆岩离层注浆工作的安全实施;理论计算注浆量为9.5×10^(4)~14.7×10^(4)t,实际工程注浆量约为13.3×10^(4)t,注采比约为0.41;采用覆岩多层位离层注浆开采后,地表最大下沉量为649.8 mm,大部分民房处地表最大水平变形值处于Ⅰ级损害程度内;覆岩多层位离层注浆开采地表沉陷控制效果显著,减沉率约77.91%。 展开更多
关键词 “三软”厚煤层 软硬交互覆岩 覆岩离层 多层位注浆 保护层 沉陷控制
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煤层双重孔隙瓦斯输运机理及模型评估 被引量:1
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作者 刘伟 韩冬阳 +2 位作者 徐浩 周禹军 李天男 《煤炭科学技术》 北大核心 2025年第2期151-162,共12页
瓦斯是赋存于煤层中的非常规天然气。瓦斯的输运行为是煤层气开采的核心问题,然而双重孔隙煤层的瓦斯输运机理还没有达成共识。为了明确瓦斯输运机理,可视化瓦斯动态输运过程,构建裂隙中瓦斯由压力梯度驱动、煤基质内瓦斯分别由压力梯... 瓦斯是赋存于煤层中的非常规天然气。瓦斯的输运行为是煤层气开采的核心问题,然而双重孔隙煤层的瓦斯输运机理还没有达成共识。为了明确瓦斯输运机理,可视化瓦斯动态输运过程,构建裂隙中瓦斯由压力梯度驱动、煤基质内瓦斯分别由压力梯度驱动和密度梯度驱动的2种煤层双重孔隙钻孔瓦斯渗流模型。2种模型均采用有限差分法求解。通过自主开发的数值模拟软件得到瓦斯压力分布、瓦斯涌出速度和瓦斯累计涌出量。通过对比数值解算结果与现场实测数据,探讨2种模型的准确性和差异性。结果表明:①2种模型在抽采前期均由达西流主导,其瓦斯涌出速度和累计瓦斯涌出量与现场基本保持一致,而煤基质内的气体将在后期主导气体输运。②由于游离瓦斯的存在,基质密度梯度模型的钻孔瓦斯压力变化范围比压力梯度模型的更大,更符合现场实测情况。说明煤基质中的扩散行为更符合游离瓦斯密度梯度驱动模型。③钻孔瓦斯涌出速度与原始瓦斯压力、孔隙率、裂隙渗透系数呈正相关,与基质半径负相关。所构建的裂隙瓦斯压力梯度驱动、基质游离瓦斯密度梯度驱动双重孔隙钻孔瓦斯输运模型更真实、准确地反映煤储层钻孔瓦斯输运的物理行为。 展开更多
关键词 煤层 瓦斯输运 密度梯度 双重孔隙模型 瓦斯涌出速率 参数敏感性
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