摘要：导水断层岩体的高渗透性为煤炭-水热型地热能高效协同开采提供了新思路,研究深部热-流-固耦合条件下断层岩体的渗透性演变规律是实现煤-热协同开采的重要前提。自主研制了热-流-固耦合三轴试验系统,开展了导水断层岩体热-流-固耦合特性试验。试验结果表明,热-流-固耦合作用下破碎岩体的渗透过程可以划分为冲蚀增透阶段及体缩抑流阶段,其中,冲蚀增透阶段发生在试验初期,岩体的渗透性参数(孔隙率、流速及渗透率)在该阶段迅速增长,进入体缩抑流阶段后保持小幅波动。高温下岩石颗粒的热膨胀效应抑制了岩体孔隙空间扩展,导致渗透参数在冲蚀增透阶段增长缓慢;水压越高,渗透参数在冲蚀增透阶段增幅越大,表明高水压的冲蚀效应更显著;加载轴压与围压均会促进岩体的体缩效应,抑制渗透压力的冲蚀效果,导致试样渗透特性降低。文章丰富了导水断层岩体热-流-固耦合特性研究,为煤-热高效协同开采提供了试验基础。

摘要：深部巷道的围岩对应力扰动的敏感度较高,在强采动期间易发生强矿压和大变形现象,影响巷道正常使用和顶板安全性能。由于围岩已发生大范围破坏,此类巷道的修复技术难度高于常规巷道。本文以呼吉尔特矿区深埋矿井的采动型大煤柱巷道修复工程案例为背景,分析巷道变形破坏特征,揭示强矿压发生机理,并明确失稳巷道治理原则,提出修复关键技术,设计巷道修复及加固方案。该方案已成功实践,并取得良好效果。本研究成果可为类似强矿压大变形巷道支护和修复工作提供参考。

摘要：通过对巷道顶板岩梁的变形及破坏特征分析,确定了顶板岩层失稳的宏观过程;针对煤系巷道顶板沉积岩层的分层特征,建立了煤系巷道顶板叠加梁力学模型,基于其协调变形及共同承载特性,求解出了叠加梁中各分层岩梁等效承载应力、层间作用力以及锚杆(索)支护强化参数,揭示了锚杆(索)对叠加梁结构的支护作用机理,即优化不同抗弯刚度的各层顶板的承载应力分配,充分发挥各岩层力学承载性能,控制顶板岩层的整体下沉,同时提高叠加梁的黏聚力及变形模量,间接强化整体锚固结构的承载强度。针对顶板叠加梁支护结构在巷道不同服务阶段的失稳条件,提出了煤系巷道顶板支护的“有效锚固”状态以及有效锚固层厚度理念,用于评价巷道支护中锚杆(索)对顶板实际的锚固能力,形成了煤系巷道顶板叠加梁支护理论。基于该支护理论,以皖北煤电集团任楼煤矿Ⅱ7_(3)24S工作面回风巷为工程背景,对其在近距离煤层、采空区下伏成巷条件下进行了顶板支护设计,根据层间距在>6,4~6以及2~4 m的3种不同范围,将该巷道进行了分区,通过对顶板叠加梁结构进行分析与有效锚固层厚度计算,分别确定了在不同巷道区域内采用锚杆与注浆锚索为主的支护技术参数,并结合现场工业性试验验证了该支护方案的合理性与有效性。

摘要：在采充工序自驱执行过程中,能否实现机构干涉的自主解调,是固体充填液压支架能否实现智能化的基础。利用理论分析方法,以ZC5160/30/50型固体充填液压支架为例,从充填支架机构的几何及运动约束关系出发,建立了正交位姿控制指标:夯实铰点顶梁平距和夯实铰点顶梁垂距,实现了任意工况下支架后顶梁的位姿表征;分析了充填支架底卸式输送机在各工况因素作用下的运动特征,建立了正交位姿控制指标:底卸式输送机顶梁垂距和输送机顶梁平距,实现了任意工况下底卸式输送机的位姿表征;基于后顶梁和底卸式输送机的位姿控制指标进一步得出充填物料卸料过程中在煤层底板的落点位置表征指标:卸料中心距,实现了任意工况下充填物料的落点位置表征;分析了采充工序执行过程中各工序阶段机构动作与位姿调整的衔接关系和易干涉位置,基于正交位姿控制指标,利用投影法建立了任意工况下落料与典型碰撞位置的干涉临界控制方程;以夯实机构转角和夯实油缸行程表征典型工况下的干涉临界曲线,提出采用“干涉区、易干涉区、非干涉区”的三区分布特征表征干涉临界程度,并给出各干涉状态的解调路经;基于干涉临界控制方程、干涉三区分布特征和充填工序过程中机构动作与位姿调整的衔接关系,提出了干涉状态自主识别方法:利用角度传感器及行程传感器获取夯实机构的实时转角和行程,代入各易干涉位置的干涉临界方程得到处于该位置干涉临界状态的夯实机构转角或行程的理论值和干涉临界曲线,判断实际值在干涉临界曲线三区分布图上的位置即可实现干涉位置及状态的自主判别,根据干涉三区分布曲线图即可实现自主解调;基于干涉位置及干涉状态自主识别方法设计了干涉自主判别和解调算法。研究结果为充填液压支架机构位姿表征提供了新的参考指标,为机构干涉的智能避障和解调提供了基础判据,为固体智能充填的采充工序自驱执行提供了算法基础。

摘要：坚硬覆岩作为诱发冲击地压的主要因素之一,已经严重威胁煤矿安全高效开采。通过分析坚硬覆岩条件下冲击地压灾害的灾变过程及诱冲关键层能量的关键控制因素,给出诱冲关键层的判定方法,提出利用采空区充填和离层注浆充填弱化诱冲关键层致灾能量的思路,以2个典型煤矿坚硬覆岩下工作面采矿地质条件为背景,研究不同充填条件下诱冲关键层变形规律及致灾能量演化规律,揭示充填弱化坚硬覆岩致灾能量作用机制并给出相应的工程设计方法,最后通过现场实测分析进行验证。研究结果表明,坚硬覆岩形成的诱冲关键层变形产生的能量积聚、释放和传递是诱发冲击地压灾害的关键,采空区充填和离层注浆充填能够有效控制诱冲关键层变形,降低致灾能量的积聚程度和释放速度,同时,充填体可吸收部分能量并降低致灾能量的传递效率,进而实现弱化坚硬覆岩诱发冲击地压灾害危险性的目的。

摘要：深部巷道周边的煤体在承受高地应力基础荷载的同时,往往还受到由远及近的采掘活动扰动,使其内部的裂隙损伤在近似于高应力逐级加卸载的应力路径下不断发育,若还处于水岩作用的影响下,承载性能将进一步劣化。通过对某矿深部煤样进行吸水特性描述、波速信息对比、力学试验分析及声发射监测,总结了该矿深部含水煤样具有以下特征:吸水迅速、极易饱和、饱水后整体结构完整性增强,且主要以张开型主控裂隙的张拉破坏造成试件整体失稳。基于上述特征,结合吸水率、裂隙参数、系统尺寸等因素,优化建立了荷载梁式主控裂隙模型,阐述了深部含水煤样产生上述失稳特征的机制,并进行了敏感性分析、强度验证,验算结果较为贴合试验数据,可为深部高应力扰动富水巷道中的裂隙煤岩体进行类似的试验研究、理论建模及采掘设计提供一定的参考。

摘要：为探索采动影响下的断层活化突水机理,开展断层破碎岩体剪切变形与渗透性演化试验研究。基于流固耦合原理设计一套破碎岩体压剪渗流试验系统,实现破碎岩体剪切变形与渗流的耦合过程,开展多因素影响下的破碎岩体剪切-渗流耦合试验,获得连续剪切过程中颗粒级配和初始孔隙率对孔隙率和渗透性参量的影响规律。结果表明,连续剪切条件下,破碎岩体的渗透率和孔隙率变化过程大致相同,可分为3个阶段:缓慢增长阶段,破碎岩石颗粒由散乱状态向有序的组织结构调整;加速增长阶段,破碎岩石颗粒剪切膨胀;增速放缓阶段,破碎岩体颗粒的剪切变形在围压的约束下达到动态平衡。试样Talbot指数越小或初始孔隙率越大,渗透率和孔隙率敏感性越强,渗透率和孔隙率越大;非Darcy流β因子的演化规律与渗透率的演化规律相反。结合数值模拟发现,剪切作用下破碎岩体剪切带内岩石颗粒的运移是剪胀现象发生的主要原因,破碎岩体剪胀过程中颗粒的力链由随机分布向特定方向转化,表现为局部孔隙和孔喉的膨胀,是孔隙率和渗透率增加的主要原因。研究成果可为深部煤矿突水灾害机理揭示与灾害防治提供参考。

摘要：废弃矿井地下空间利用是煤炭行业重点支持的方向。将地下空间利用、汛期蓄洪和冬季供热相结合,提出了基于地面引水蓄洪、井下蓄水储能和热泵取热技术的废弃矿井蓄洪储能与取热综合利用模式,阐述了该模式的概念、关键技术和科学问题;分析了我国废弃矿井分布及其与降水量分布之间的关系,论证了废弃矿井地下空间的蓄洪储能潜力。研究发现,安徽、河南、山东等13个省份的废弃矿井地下空间近6000万m3,可储存约6个西湖的水量,适宜开展废弃矿井地下蓄洪储能和取热的工程示范。其中,仅淮南矿区5个废弃矿井的地下空间资源高达30万m3,储能量达94500 GJ,可满足21万m2的建筑供暖需求。以旗山矿为例,设计了地面引水沟渠布置、井下储水空间布置以及矿井水提取和利用等方案,初步测算旗山矿蓄洪储能方案的供热功率可达6835 kW,可为13.67万m2的建筑供暖,减少二氧化碳排放量约5330 t,经济效益达350.75万元,初步论证了废弃矿井地下空间蓄洪储能的可行性。废弃矿井蓄洪储能与取热综合利用模式既可有效利用废弃矿井地下空间,还可以缓解汛期的局部洪涝灾害,并开发矿井水中的低品位清洁热能,对提高废弃矿井地下空间利用的附加值和推进废弃矿井地下空间利用有一定意义。

摘要：深部矿山地热能作为地热资源的重要组成部分一直是世界各国关注的热点,但受地热开发技术和成本的限制,深部矿山地热能还未被广泛开发利用。随着我国逐渐向深部煤炭资源开采的转变,矿山地热能的高效开发迎来了机遇和挑战。为此,本文创新性地提出了矿山相变蓄热功能充填采热方法,研发了适合深部矿山地热能开发的相变蓄热功能充填材料,揭示了矿山功能充填采热结构的相变蓄热机理,探究了矿山相变蓄热功能充填采热的热量补给机制,研究了功能充填采热性能的调控特征,形成了深部矿山相变蓄热功能充填采热的系统优化分析与设计流程。研究成果为实现深部矿山地热能高效开发、拓展煤基固废资源化利用途径和实现能源结构低碳转型奠定了基础。

摘要：以建新煤矿大埋深、强矿压显现的4206孤岛工作面为研究对象,结合力学建模和数值模拟等方法,研究了大范围采空区覆岩承压拱结构演化规律。本工作面、相邻两工作面和相邻3工作面范围内扩展演化的覆岩承压拱拱脚恰好作用于区段煤柱,是孤岛工作面回采期间强矿压频现的主要原因,据此提出了断高位承压拱卸压技术。结合承压拱层位及岩性特征设计了断拱卸压参数,并优化了末采期断拱卸压参数。实践证明:卸压效果显著,有效降低了两巷维护难度,并实现了末采期15 d内装备的快速回撤,取得显著的经济和社会效益。研究成果可为彬黄矿区厚煤层强矿压工作面安全回采提供较好的工程参考。