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煤矿千米深井围岩控制及智能开采技术

来源：煤炭学报

来源于《煤炭学报》2020年第3期，共16篇论文。

行业视野: 采矿
类别; 74个
关键词; 77位
专家; 17篇
论文; 29049IP
点击量; 19818次
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高性能无机-有机复合注浆材料研究

作者(Author)：管学茂, 张海波, 杨政鹏, 李海艳, 路建军, 狄红丰, 帅波, 徐驰, 王国普

摘要：针对千米深井巷道围岩大变形控制难题，提出了支护-改性-卸压“三位一体”协同控制技术，其中要求注浆改性材料具有“高渗透、高强度、高黏结”性能。“高渗透”可以通过减小粒度、增加界面润湿性来实现;“高强度”可以通过优选快速水化矿物，添加纳米增强材料来实现;“高黏结”可以通过添加有机调节剂，增加界面润湿并形成强化学键来实现。本文以超细化的硫铝酸盐水泥熟料、石膏、石灰为主要原料，通过优化配比研发了无机注浆材料，材料粒径D95<7.0 μm，最佳配比为硫铝酸盐水泥熟料、石膏、石灰质量比5∶4∶1;合成了纳米锂铝类水滑石增强材料，具有锂离子增强和纳米晶核诱导结晶双重协同增强作用，当掺量为无机注浆材料质量的2%时，抗压强度提高145%，达到12.3 MPa;采用“一锅法”合成了两亲性有机调节剂，掺量为无机注浆材料质量的3%时，可以将水与煤表面接触角从72.80°减小到19.23°，并在注浆材料与裂隙表面间形成氢键作用，显著改善界面润湿性，增加界面黏接强度。以无机注浆材料、纳米锂铝类水滑石、有机调节剂按95%,2%,3%的质量百分比混合制备了微纳米注浆材料，材料初、终凝时间分别为2.5，6.9 min，2 h抗压强度为12.5 MPa，煤的黏结强度大于煤自身拉伸断裂强度。微纳米注浆材料在口孜东矿进行了超前注浆应用，可以良好注入10 μm开度的裂隙，与裂隙表面结合紧密，锚杆拉拔力由注浆加固前的80 kN提高到注浆后的140 kN。

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智能开采装备全位姿测量及虚拟仿真控制技术

作者(Author)：任怀伟, 赵国瑞, 周杰, 文治国, 丁艳, 李帅帅

摘要：针对深部开采复杂地质条件下的综采装备空间位姿及力学状态动态变化、随机倾斜错动难以描述和自适应控制难题，提出了基于全位姿测量及虚拟仿真控制的智能开采模式，以中煤新集口孜东矿140502工作面地质条件和7 m四柱大采高综采装备参数为基础，构建复杂条件下智能开采装备全位姿测量及虚拟仿真智能控制系统。首先，给出了智能开采“环境装备-仿真模拟-反向控制”运行体系下的智能决策过程，提出了融合视觉的装备全位姿测量、工作面装备位姿一体化描述及驱动关系建模、基于Unity3D的综采虚拟仿真控制等3项支持智能决策的关键技术。随后建立融合视觉的工作面综采装备群全位姿多参数测量系统，提出了基于设备特征点的视觉多参数测量方法，获取描述综采装备群空间全位姿的15个独立参数;给出综采装备群统一坐标描述及驱动模型，建立了特定的全局和局部坐标系、采煤机和刮板输送机位姿驱动关系模型和刮板输送机三维空间弯曲姿态模型;基于Unity3D虚拟仿真技术构建了工作面场景、装备、工艺流程等虚拟实体和关系模型，支撑井下综采装备开采过程运动仿真。开发了与全位姿测量系统通信的底层数据接口，获取装备的实际工况数据从而驱动仿真模型实现三维场景下的虚实映射。分析计算和模拟优化下一割煤循环装备协同运动及工艺过程，通过反向控制链路实现对装备虚拟模型和实际装备体的闭环控制。实验室测试表明:虚拟仿真系统实现了数据获取、模型解算、单机装备及装备群协同运动仿真，满足装备实际运行逻辑关系，具有对工作面装备运行状态实时监测和反向控制能力，系统运行流畅性满足要求，帧率＞20 fps。全位姿测量系统经井下现场测试表明:图像识别检测的支架数大于5架，图像解算时间小于0.5 s，支架顶梁测量角度误差在0.4°~1.2°，满足系统数据测量需求。

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千米深井巷道高压劈裂注浆改性技术研发与实践

作者(Author)：张振峰, 康红普, 姜志云, 李文洲, 姜鹏飞, 蔡瑞春, 朱阳涛, 王军

摘要：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≤9 μm，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2 μm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。

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深井冲击载荷下液压支架底板比压分布特性

作者(Author)：谢云跃, 孟昭胜, 曾庆良, 杨春祥, 高魁东

摘要：液压支架的自移性能是保障工作面安全高效生产、提升工作面智能化开采水平的重要因素，而影响液压支架自移性能的关键因素之一即为其底板比压分布特性。为研究冲击载荷作用下深井开采液压支架的底板比压分布特性，首先基于多体动力学分析软件ADAMS建立了液压支架整架的刚柔耦合数值分析模型，其中顶板与底座定义为刚性体，顶梁、掩护梁、四连杆结构处理为柔性体，立柱及平衡千斤顶采用弹簧阻尼系统等效替换。通过在液压支架顶梁上方不同位置分别施加冲击动载，获取了液压支架在不同冲击工况下底座柱窝和前后连杆铰接点处的冲击载荷响应谱。随后基于LS-DYNA软件建立了液压支架底座-底板柔性体数值分析模型，通过将获取的各工况下支架载荷响应谱分别输入底座-底板柔性体分析模型，研究了深井开采液压支架在不同冲击工况下的底板比压分布规律。结果表明，在各冲击工况下液压支架的底板比压均呈非线性分布，而是呈前端沉陷-中部压入-后端翘曲的“V”型分布，其中比压峰值点分布于柱窝附近，且虽然作用于液压支架的冲击载荷形式不一，但在满载失稳条件下支架底板比压危险区域均出现在底座前半部分;冲击载荷出现前后并未改变底板比压的分布特征，但会促使支架各铰接点力响应及底板比压瞬时峰值升高，从而恶化液压支架-底板的耦合状态，不利于工作面底板维护及移架操作，因而深井开采液压支架更应注重其底座结构的设计优化，以降低支架前端比压分布，提升支架的支护稳定性及自移性能。

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微裂隙中水泥浆液渗滤效应的可视化试验研究

作者(Author)：王凯, 王连国, 陆银龙, 孙小康, 张凯文

摘要：在微裂隙岩体注浆过程中，水泥浆液的渗滤效应对注浆效果的影响显著。自主研制了一套微裂隙注浆可视化试验系统，该系统由注浆系统、微裂隙模型以及监测系统3个部分组成，监测系统又分为显微监测系统和压力流量监测系统。当水泥浆液进入微裂隙模型后，利用显微监测系统对裂隙入口处的渗滤效应进行实时观测。利用压力流量监测系统对注浆试验过程中的注浆压力以及累计流量进行自动记录。运用自主设计的微裂隙注浆可视化试验系统，对微裂隙中的水泥浆液渗滤过程进行试验研究。采用3种水泥浆材(超细水泥Ⅰ、超细水泥Ⅱ和普通水泥)，研究在注浆压力2.0 MPa、水灰比1.0的条件下，不同水泥颗粒粒径大小在不同裂隙开度下的浆液渗滤效应。通过试验发现，当裂隙开度较小时，在裂隙入口处形成了完整的半圆拱形滤饼;随着裂隙开度的增加，在裂隙入口处形成断续分布状滤饼;当裂隙开度增加到无渗滤发生时，裂隙入口处仅残留少量水泥颗粒附着物。通过试验获得了3种水泥的最小可注入裂隙开度大小bmin和最小无渗滤裂隙开度大小bcrit:超细水泥Ⅰ的bmin和bcrit分别为80和280 μm;超细水泥Ⅱ的bmin和bcrit分别为100和300 μm;普通水泥的bmin和bcrit分别为140和310 μm。研究结果发现水泥粒径的减小对最小可注入裂隙开度大小的影响较大，但对最小无渗滤裂隙开度大小的影响较小。结合渗滤趋势k值，发现随着水泥粒径的减小，相应的kmin和kcrit值会随之增加，水泥浆液更容易在裂隙入口处发生渗滤，这是因为超细水泥比表面积更大，水泥颗粒间易发生团聚。

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高应力巷道岩爆过程及时空演化规律试验研究

作者(Author)：刘崇岩, 赵光明, 许文松, 孟祥瑞

摘要：为了研究岩爆灾害的发生过程及其时空演化规律，通过含圆孔花岗岩试件进行不同侧向载荷下的岩爆模拟试验，利用微型摄像机、声发射(AE)系统和红外热像仪等监测系统，分析岩爆过程中的声发射时序、时频、时空特征及热成像温度运移规律。研究结果表明:孔洞的岩爆可分为平静期、颗粒弹射期、稳定破坏期、全面崩塌期4个阶段，岩爆试验演化过程及结果与工程现场相符，围岩曲屈破坏时σθmax≈(1.38～1.85)σc;随着侧向载荷的升高，孔洞在平静期积累的弹性应变能增加，颗粒弹射期能量释放率增大，岩爆进程加快，稳定破坏期持续时间先增加后减小，侧向载荷的增大对孔洞的承载能力起到先增强后弱化的效果;声发射振铃计数率的平静期可作为孔洞全面崩塌的前兆信号，围岩屈曲破坏前定位点开始局部集中，孔洞坍塌后定位点集中条带与试件主破裂面基本吻合，形成以圆孔为中心的“X”型共轭剪切破裂，稳定破坏期较颗粒弹射期低频比例增加，高频比例降低，低侧向载荷时破坏以中高频为主，高侧向载荷时破坏以中频为主;应力集中促使围岩红外温度场整体温度逐渐升高，呈现高温区嵌套低温条带的特点，岩爆时高温区由表面浅部向深部运移，在孔洞整体失稳坍塌前，岩爆坑温度急剧上升。

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基于锚固力学效应巷道围岩稳定性分析

作者(Author)：陈登国, 高召宁, 赵光明, 李顺顺, 赵呈星

摘要：为了分析巷道在锚杆支护时锚杆和围岩耦合作用下形成的锚固承载层对巷道围岩稳定性的影响，根据围岩应力分布曲线特点，将巷道围岩划分为塑性区和弹性区进行研究。结合Mohr-Coulomb准则，分析锚杆在施加预紧力时引起容重的变化，可求解得到锚固承载层范围内切向应力的解析表达式，由静力平衡方程推导计算出锚固承载层外边界所能提供的等效支护力以及在等效支护力作用下巷道围岩塑性区的应力、半径和巷道位移计算解析表达式。通过上述所求的计算解析表达式结合全长锚固锚杆的预紧力、长度、间排距来分析3者对巷道围岩的力学效应影响。研究结果表明:等效支护力对巷道围岩的稳定性有一定的影响，在等效支护力的作用下，对巷道围岩应力分析可知，围岩应力峰值发生变化，且位置向巷道壁转移;全长锚固锚杆预紧力越大，锚杆长度越长，间排距越密，锚固承载层范围内的等效支护力越大，对巷道围岩的稳定性越有利;锚固承载层厚度与等效支护力的大小成正比，随着等效支护力的增大，巷道围岩的塑性区范围和巷道表面位移都会明显下降，等效支护力对围岩的稳定性有着很好的抑制作用。通过FLAC3D数值模拟对理论分析结果加以验证，根据模拟锚固承载层作用下的塑性区半径和巷道表面位移分析可知，数值模拟与理论分析结果基本一致。

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千米深井软岩大巷围岩锚架充协同控制原理、技术及应用

作者(Author)：姜鹏飞, 康红普, 王志根, 刘庆波, 杨建威, 高富强, 汪向明, 张群涛, 王海涛

摘要：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巷道围岩大变形，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。

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2020年第03期

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