坚硬顶板工作面冲击危险数值模拟研究

针对枣庄矿区某矿2603工作面的冲击矿压问题,根据现场条件采用数值模拟分析了2603工作面坚硬厚砂岩顶板的弹性能积聚规律和工作面前方支承压力分布特征,结果表明:工作面能量积聚区和应力集中区的位置大致相同,顶板弹性应变能积聚程度与其所受支承压力正相关,解决坚硬顶板型冲击矿压问题,必须从顶板和煤体2方面采取措施。该矿采用强制放顶、卸压爆破、顶板水压致裂等措施后,取得了明显效果。     

深部仰采孤岛工作面初采期间冲击地压防治

以霄云煤矿1310工作面为工程背景,通过计算判断悬顶初次破断失稳位置,分析坚硬顶板破断时释放的大量弯曲应变能,并利用FLAC3D数值模拟分析深部仰采孤岛工作面初采阶段的采动应力变化;基于悬顶破断释放的能量和初采期间应力集中系数超过发生冲击地压的临界值,判断深部孤岛工作面初采期间发生冲击地压的可能性较大;通过采取大直径钻孔卸压结合顶板深孔预裂爆破等综合卸压措施对初采阶段冲击危险性进行防治。结果表明：卸压钻孔形成的弱化带破坏了煤体承载结构,使靠近巷道的浅部煤体应力明显下降,且应力峰值向煤体深部转移;爆破对顶板进行损伤破坏,提前释放或转移了坚硬顶板积聚的弹性能,从而降低孤岛工作面初采阶段发生冲击地压的可能性。     

浅埋冲击危险性加长工作面坚硬顶板控制研究

为实现冲击危险性加长工作面坚硬顶板的有效控制,采用支架压力监测、微震监测、数值模拟和综合指数评价的方法,开展加长工作面坚硬顶板条件矿压显现规律现场实测、煤柱上方顶板处理范围的数值计算以及工作面冲击地压危险评价,并进行了现场实践。研究表明,加长工作面具有中等冲击危险,坚硬顶板活动剧烈程度、应力变化、巷道变形具有区域性,在"单面见方"等区域,坚硬顶板岩层能量集中释放,巷道变形量大,煤柱应力集中程度高,确定了不同区域坚硬顶板处理范围,开展了超前深孔预裂爆破的现场实践,使坚硬顶板问题与冲击地压危险得到有效地控制。     

近距离煤层掘进巷道过终采线冲击地压防治技术

为了防治掘进巷道的冲击地压,首先确定了其主要自然影响因素为煤体的强冲击倾向性、水平地应力和坚硬厚层顶板。根据现场冲击地压发生的位置,采用数值模拟分析了掘进巷道过上层煤工作面终采线区域的应力分布,确定了多次采动应力叠加是冲击地压发生的力源因素。根据现场微震监测结果,认为高位坚硬顶板破坏释放的能量进一步加剧煤体应力集中是冲击地压发生的诱发因素。将后续掘进区域分为强冲击危险区域和一般冲击危险区域,并提出了在强冲击危险区域进行加强支护和大孔径钻孔结合煤体松动爆破的解危措施,在一般冲击危险区域采用煤体预注水的方式进行超前卸压。现场电磁辐射监测结果证实,强冲击危险区域的电磁辐射强度和脉冲均明显高于一般冲击危险区域,同时表明冲击地压解危措施效果明显,保证了后续掘进的安全。     

一次浅埋采场冲击地压发生的原因及防治研究

以宽沟煤矿首次发生在浅埋深的工作面冲击地压为例,分析了工作面冲击地压诱发因素,并结合现场应用提出了防治措施。分析结果表明,工作面发生冲击地压内在因素是具有强冲击倾向性的坚硬顶板,它是煤层能量积聚的来源,煤层的局部应力集中和工作面的支护状态是发生冲击的诱发因素。并结合现场实践提出了加强工作面支护、煤层卸压、底煤处理、顶板处理等防治措施。     

断顶爆破治理冲击地压技术研究与应用

新汶矿区的主采煤层顶板均为较坚硬的砂岩,厚而坚硬的顶板较难垮落,在工作面回采过程中在采空区形成大面积悬顶,顶板对煤体压缩做功积聚大量的弹性能,为有效地防治冲击地压,确定了合理的爆破方案对顶板实施了爆破卸压,并通过数值模拟和应力现场实测表明,超前爆破明显改善了顶板条件,获得了有效的应力释放和卸压效果,从而很大程度避免了冲击地压的发生。     

碱沟煤矿急倾斜特厚煤层冲击矿压机理及防治措施研究

以碱沟煤矿为背景,研究了急倾斜特厚煤层水平分段开采条件下,顶板破断发生冲击矿压的机制,确定了顶板应力集中区域和潜在震源位置。将顶板简化为悬臂梁,推导出顶板弹性能计算公式,揭示了坚硬厚顶板发生冲击矿压的能量积聚机制。提出了人为断顶减小顶板悬臂长度,以减少顶板冲击能积聚,从而防治顶板发生冲击矿压。断顶防冲思路及断顶方案现场成功实施,控制了顶板应力集中及能量积聚,有效防治了顶板冲击矿压灾害。     

坚硬顶板回采巷道冲击地压的卸载滑脱机制

冲击地压严重威胁煤炭安全高效开采,研究冲击地压发生机制具有重要意义.首先对矿井回采巷道冲击地压显现特征进行了归纳和总结,认为坚硬顶板和坚硬煤体是回采巷道发生冲击地压的关键地质特征,水平应力是冲击地压力源,巷帮煤体滑脱是回采巷道冲击的破坏特征.基于弹性地基理论,分析了坚硬顶板条件下回采工作面前方和临空侧顶板向上挠曲、导致...     

坚硬顶板工作面高静载型冲击地压防治研究

为研究坚硬顶板综放工作面冲击地压的主控因素和防治技术,采用微震监测系统和冲击地压应力监测系统通过分源监测分析,研究了工作面冲击地压发生的主控因素,并针对主控因素开展了防冲击地压实践。结果表明:冲击地压主控因素为高静载、强矿震和低支护强度。实体煤侧静载为30.16～84.48 MPa、煤柱静载为27.84～41.04 MPa,易达到发生冲击地压临界载荷;顶板破断前后,常引起高能事件的发生,以动载的形式作用,加剧煤体的应力集中;多因素使得发生冲击显现的巷道变形区域的支护强度比较低。开展了现场控制实践,煤体卸压分阶段多轮动态卸压,对顶板进行深孔预裂爆破,采用锚索梁加强支护,措施实施后大能量矿震发生时,提高了巷道抵抗冲击能力,降低了矿震诱发巷道变形的频次和强度。     

综放工作面过单面见方危险区域冲击地压防治效果分析

为了综放工作面顺利通过"单面见方"危险区域,对坚硬顶板冲击地压进行了有效地控制。通过优化"单面见方"区域内坚硬顶板防治冲击的设计,采用支架压力监测、微震监测、数值模拟和现场观测等评价的方法,对综放工作面过"单面见方"前后坚硬顶板矿压显现进行实时监测、记录、统计分析。研究结果表明:在"单面见方"区域内,坚硬顶板岩层能量集中释放、巷道变形量大、垮落较好等特点,很好地解决了坚硬顶板冲击地压的危险性。     

宽沟煤矿坚硬厚层顶板下冲击地压危险时期的微震特征及解危措施

针对某矿坚硬厚层顶板条件下采煤工作面发生的冲击地压灾害,分析了灾害发生的原因并提出了防治原则。采用数值模拟和物探方法确定了工作面在3面采空条件下的冲击地压危险时期和危险区域。冲击地压危险时期的微震监测结果表明：围岩破坏高度比非危险时期显著增大,围岩震动呈现出高能量和低频次的特征,工作面推进度宜控制在3.2 m/d以内。在冲击地压危险时期采取了工作面架间切顶爆破的措施,经电磁辐射和微震监测检验,有效降低了工作面前方煤体应力,取得了较好的解危效果,保证了工作面在冲击地压危险时期的安全。     

冲击地压采面瓦斯异常涌出发生机制及控制

针对冲击地压采面瓦斯异常涌出问题,在统计分析多个冲击地压采面瓦斯涌出异常诱发因素的基础上,研究了冲击地压采面瓦斯异常涌出发生机制、瓦斯异常区划分方法及防治技术。研究结果表明:冲击地压采面瓦斯异常涌出影响因素主要有煤（岩）固有冲击属性、瓦斯含量（压力）、开采深度、坚硬顶板、地质构造、开采技术条件等;冲击地压采面瓦斯异常涌出发生机制是煤（岩）层冲击或震动,造成应力集中区域突然卸压、裂隙扩展,大量卸压瓦斯解吸扩散并涌向采场,工作面后方采空区随着顶板断裂,瓦斯被突然压出,造成瓦斯涌出异常。在治理冲击地压采面瓦斯时,采前需预评价、预分区、预处理,开采过程中,可以实施钻孔卸压、顶板预裂爆破、煤层注水、深孔爆破、瓦斯抽采、强化支护等措施,以降低冲击地压及伴生瓦斯异常涌出危险。研究结果在宽沟煤矿I010202工作面得到了应用,取得了良好的效果,确保了工作面的安全回采。     

厚硬冲击煤层宽煤柱诱发冲击地压机理及防治

针对呼吉尔特矿区厚硬冲击煤层宽煤柱诱发冲击地压现象,通过现场实测和数值模拟,分析了宽煤柱垂直应力分布特征,通过理论分析,揭示了宽煤柱发生冲击的结构条件;基于冲击地压"三因素"机理,研究了宽煤柱诱发冲击地压机理:在侧向支承压力和工作面采动应力叠加影响下,具有冲击倾向性的宽煤柱应力高度集中,当其达到极限强度发生卸载时,由于煤柱体刚度与顶板岩层刚度相近,造成煤体运动速率很大,呈现冲击地压显现。在此基础上,提出了小煤柱护巷和断顶爆破等措施降低煤柱应力、采用大直径钻孔卸压和煤层注水等措施改变煤体刚度的防治策略,针对311103工作面提出了采取断顶爆破和大直径钻孔的组合防治方法,宽煤柱应力集中程度出现明显降低,防治效果较为显著。     

煤矿深部开采冲击地压监测解危关键技术研究

针对煤矿深部开采冲击地压监测防治难题,采用理论分析、数值模拟、室内试验和现场监测相结合的综合研究方法,研究了深部应变型、断层滑移型和坚硬顶板型三类冲击地压的致灾机理,提出了煤岩组合冲击能速度指数和卸围压冲击能速度指数两个新指标,建立了与冲击地压类型相适应的煤岩冲击倾向性评价体系,获得了深部开采三类冲击地压的前兆信息特征,给出了以深部开采冲击地压类型为导向的监测预警及组合式卸压解危方法,研发了钻孔施工与预警同步一体化技术。结果表明:① 深部应变型冲击地压是围岩系统能量积聚大于能量释放与耗散之和的结果;与浅部开采相比,深部坚硬顶板破断释放的变形能明显增大,以及深部断层更易发生错动滑移;② 深部应变型和深部坚硬顶板型冲击地压的冲击倾向性评价需在国家标准基础上分别增加卸围压冲击能速度指数、煤岩组合冲击能速度指数,而对于深部断层滑移型冲击地压,这两个指标均需增加;③ 深部应变型和深部坚硬顶板型冲击地压监测预警应以能量和应力判据为主,但深部断层滑移型冲击地压应以能量判据为主;④ 深部应变型冲击地压解危方法优先顺序为开采保护层、大直径钻孔、断底和煤层注水;深部坚硬顶板型冲击地压解危方法优先顺序为开采保护层、深孔断顶爆破、大直径钻孔、断底和煤层注水;深部断层型冲击地压解危方法优先顺序为开采保护层、大直径钻孔和煤层注水;⑤ 采用钻孔施工与预警同步一体化技术,可在钻孔施工过程中通过监测煤粉量和应力变化信息,对施工过程中可能发生的冲击危险进行同步预警。煤矿深部开采冲击地压防治作为一个复杂的系统工程,以科学分类为基础的系统防治技术体系仍是深部开采冲击地压需要重点攻关的研究方向。     

大采高综放工作面强矿压显现机理及防治技术

华亭煤矿大采高综放工作面开采过程中出现了强矿压显现现象。通过地应力测试、煤岩冲击倾向性评定及开采条件分析认为顶板冒落高度大、垮落步距大及采空区残余支承应力等开采方法导致的应力集中是造成强矿压显现的主要因素。在加强监测预报的基础上采取了强制放顶、松动爆破、煤体注水、工作面优化布置等措施使安全状况明显好转。     

窑街矿区冲击地压防治技术

冲击地压是煤矿重大灾害之一,窑街矿区的3对矿井先后被评价为冲击地压矿井,经过分析和研究,该矿区冲击地压发生机理为厚硬顶板破断产生大能量震动,静载应力集中和矿震动载扰动叠加作用.依据冲击地压机理制定了冲击地压治理技术方案,矿区冲击地压发生的频率和能量得到有效控制,为矿井安全生产提供了保障.     

回采速度对坚硬顶板运动释放能量的影响机制

坚硬顶板破断释放的弹性能是冲击矿压的主要能量源之一,针对回采速度对坚硬顶板破断释放能量的影响机制,运用理论分析结合现场监测手段,对垮落带内的顶板悬臂梁结构,建立了基于弹性地基假设的三角增压载荷悬臂梁模型,推导得到回采速度控制下顶板梁的下沉量、弯矩及弯曲弹性能密度的解析解。对距煤层较近的低位未触矸破断式砌体梁结构,建立回采速度影响下的回转角与破断步距及破断释放能量的解析式,并进行讨论得到结论:加快回采速度使顶板悬臂梁的悬臂长度L和峰值应力集中系数a增加,使峰值距煤壁位置x0减小,3者均能造成顶板弯曲变形能增大,释放弹性能增加,且悬臂长度L和应力集中系数a影响效果更为明显;高速回采造成采空区充填程度低,促使关键块B的回转角增大,造成关键块A的破断步距增大,破断释放的能量也大幅增加,甚至促使原本为低位未触矸破断的砌体梁结构变为高位悬臂梁结构,其破断释放的弹性能更大,大能量矿震产生的动载易叠加高静载煤体诱发冲击,同时使超前段顶煤支护失效,造成冒顶事故;通过对关键层及围岩结构的判别,证实了两种坚硬顶板的破断模式,且微震监测表明坚硬顶板破断释放大能量矿震与回采速度有明显的正相关性,并得到坚硬顶板条件大采高工作面临界回采速度为4 m/d,科学指导了胡家河矿的开采强度优化。     

厚硬顶板下大倾角软煤开采灾变机制与防控技术

针对潘四东煤矿11513大倾角工作面煤壁片帮、支架滑移倾倒和顶板大面积来压问题,通过理论分析、数值模拟和现场实测的研究方法对厚硬顶板下大倾角软煤开采的灾变机制和防控技术开展研究。研究结果表明:在厚硬顶板下大倾角软煤开采初期,围岩塑性破坏主要集中在煤壁和底板岩层;邻近工作面区域煤岩体位移表现出煤壁挤出位移量>底板鼓起位移量>顶板下沉位移量的特征;由于厚硬顶板的存在,随工作面推进距离的增大,煤壁挤出位移量逐渐增大,煤壁片帮失稳的概率倍增。根据厚硬顶板下大倾角软煤开采围岩位移和变形破坏特征,结合现场观测提出厚硬顶板下大倾角软煤开采2种灾害模式,一是以“片帮-冒顶”为主导,诱发“支架-围岩”系统发生大范围失稳的动态互馈的时发性灾害,二是厚硬砂岩破断诱发冲击动力显现的瞬发性灾害。基于厚硬顶板下大倾角软煤开采灾变机制,采用厚硬顶板深孔预裂爆破初次放顶技术,控制厚硬顶板运动;采取煤壁注浆加固、支架防倒防滑以及“铺金属网+工字钢”辅助液压支架管理破碎直接顶等措施,防治煤壁片帮和破碎顶板漏冒,保证“支架-围岩”系统的稳态工作。通过对支架工作阻力和煤壁片帮统计分析发现,11513工作面采取系列防治措施后,煤壁得到有效控制,初次来压时,支架工作阻力较为富裕,安全阀开启较少且支架无明显倾倒滑移现象,实现了厚硬顶板下大倾角软煤的安全高效开采。     

厚硬顶板宽煤柱临空巷道冲击地压防治技术研究

为研究厚硬顶板宽煤柱临空巷道冲击地压致灾机理,以彬长矿区文家坡矿4104工作面为工程背景,采用理论分析、数值模拟、现场监测等方法,研究分析了两次回采扰动下宽煤柱垂直压力分布状态及覆岩活动规律,得出了该矿工作面集中动、静载荷的演化机制及冲击地压致灾机理。针对4104工作面临空巷道44.5m宽煤柱及顶板以上20m处厚硬砂岩岩层,设计了基于帮部煤体爆破卸压及顶板深孔爆破预裂卸压的动静载荷分源治理补强方案,通过微震监测结果分析,相比措施调整前临空巷道围岩活动性降低了95%,防治效果显著。