重复采动停采边界关键层失稳诱发灾害研究

基于岩层控制的关键层理论,分析了重复采动过程中上覆巨厚关键层岩块形态特征、冒落和移动规律.结果表明:重复采动停采边界矿震机理归结为2种形式:1)采高增加引起顶板冒落高度增加,造成高位关键岩块铰接平衡结构失稳诱发矿震;2)重复采动引起顶板岩层移动线外扩,导致采场边界顶板活动范围增加,造成高位关键层破断诱发矿震.依据此机理,提出了降低推采速度(低扰动)、优化开采边界(低应力)等防控动力灾害的技术方法.通过3下510工作面实施运用与开采实践,达到了采场边界矿震及动力灾害的防控目的,保证了工作面安全和地面稳定.     

高构造应力区矿震规律研究

利用华亭煤矿微震监测系统,研究了处于褶皱区域矿震灾害严重的250102工作面开采过程中矿震时空演化规律.结果表明:强矿震大部分发生在向斜轴部,向斜轴处冲击动力灾害危险高于其他位置.向斜轴部强矿震周期短,频次高;强矿震发生前,震动次数持续上升,但震动能量出现"平静"或下降趋势,可作为高应力向斜构造区强矿震预测的前兆信息.高构造应力区强矿震波形持续时间长,频谱呈高频多峰分布,破坏性大.降低产量,工作面匀速推进与超前卸压相结合,能控制高构造应力区矿震灾害强度.     

丹江口水库二期工程诱发地震强度预测

丹江口水库作为南水北调中线工程的源头，分两期开发：在初期工程中，水库蓄水后库区地震活动加强：水库续建工程计划提高水位至170m，水位的提高可能引发新的地震活动进行丹江口水库二期工程诱发地震危险性分析和预测震级对水库的防灾和减灾具有十分重要的意义。基于诱发地震强度评估理论，分析水库诱发地震的主要影响因素，运用地球动力学方法计算丹江口水库一期工程库区应变能和释放的地震能，推导出能量转换系数，并在此基础上预测丹江口水库提高水位后诱发地震的可能性预测结果表明，水库续建工程诱发地震的可能性很大，主要发震部位可能位于丹库峡谷形库段和库岸碳酸盐类岩石与其它类岩石的交界部位.提高水位后，丹江口水库诱发地震的最大震级为4．5级.     

巨厚砾岩层下综放工作面冲击地压危险性评价和矿震发生特征分析

为有效监测和防治综采工作面冲击地压事故,以耿村煤矿巨厚砾岩层下综放工作面为工程背景,采用综合指数法评价综放工作面冲击地压危险性,利用微震监测结果研究综放工作面回采期间矿震特征。结果表明：（1）13230综放工作面冲击危险性指数为0.65,属于中等冲击地压类型;（2）综放工作面回采期间矿震主要发生在工作面前方顶底板煤岩体中,工作面处于“见方区”时发生矿震的频次、最大能量和总能量均明显高于“非见方区”的,“见方区”矿震的震源主要位于工作面前方中部顶底板煤岩体和运输平巷上帮顶板煤岩体中;（3）综放工作面顶板周期来压期间通常伴随大能量的矿震事件。研究结果可为耿村煤矿综放开采冲击地压监测和防治提供参考。     

乌东煤矿近直立煤层冲击地压机制研究

以乌东煤矿南采区为工程背景,运用工程实践、数值模拟、理论分析等方法,对近直立煤层冲击地压机制展开研究.结果表明:顶板和岩柱强矿震频发,形成强动载扰动;近直立煤层、顶板及岩柱在开采水平附近形成高应力集中区,应力集中程度与水平应力、岩柱"撬动"及顶板"弯曲"效应相关.水平应力、岩柱"撬动"及顶板"弯曲"效应作用使B_(3+6)煤层在开采水平附近形成高静载集中区域,该区域在岩柱和顶板强矿震与采动多重扰动作用下失稳并释放能量导致B_(3+6)工作面的两顺槽发生冲击地压.     

综放覆岩破断诱发冲击地压的防治方法与实践

综合采用调研、理论分析、工程实践等方法,研究了综放开采的覆岩运动特征、矿震扰动特征、冲击防治方法,推导了覆岩破断能量释放特征,给出了预裂断顶步距的确定依据.结果表明:综放开采的覆岩运动特征使其产生较分层开采更加强烈的矿震动载扰动,是冲击地压的重要诱发因素之一,通过合理预裂断顶来弱化矿震扰动是有效的冲击地压防治方法.研究成果在现场得以应用,显著减少了高能量矿震,并避免了冲击的发生,效果良好.     

大采深条带开采坚硬顶板工作面冲击矿压治理研究

为了解决大采深条带开采坚硬顶板工作面的冲击矿压问题,以古城煤矿2106工作面为例,采用现场分析、实验室试验、数值模拟的方法对其发生机理进行了研究.结果表明在此条件下开采时发生的冲击矿压与煤岩性质、采深、坚硬顶板厚度及顶板的周期来压有密切关系.当冲击矿压发生的煤层具有强冲击倾向性,煤层硬度系数大于3、采深900 m以上、顶板岩层坚硬且厚度大于20 m时,冲击矿压发生具有突然性和猛烈性;主要发生在顶板周期来压期间、超前支护50m范围内,此时工作面的CH4和CO气体含量同时升高.对此提出了钻屑法等预测预报的方法和煤体爆破卸压与柔性支护等治理措施.     

深部开采岩爆预测的神经网络方法

岩爆是深部高地应力岩石地下工程中的一种常见灾害,其影响因素间存在着极其复杂的非线性关系.在综合分析各种因素的基础上,选取开采深度、围岩最大切向应力与岩石单轴抗压强度比值、岩石单轴抗压强度和抗拉强度比值、岩石冲击性倾向指数作为岩爆预测的评判指标.应用人工神经网络方法,建立了岩爆预测的计算模型,利用国内外一些岩石地下工程资料作为学习样本和测试样本对模型进行训练.结果表明,将开采深度作为一个因素输入,结果更接近于实际,为深部开采岩爆预测提供了科学依据.     

顶板岩层诱发冲击的冲能原理及其应用研究

针对顶板岩层对煤体冲击的影响作用机理,采用实验室物理模拟试验、UDEC 4.0离散元数值模拟试验、理论分析和工程实践验证这4种方法进行了研究,提出了煤岩冲击破坏和顶板岩层诱发冲击的冲能原理以及冲击破坏判别准则,并在工程实践中进行了应用和验证.根据煤岩冲击破坏动能试验和煤岩破坏的应力-应变曲线能量演化规律分析结果,具有冲击倾向性的煤岩样在载荷作用下破坏时将产生强烈震动和脆性冲击型破坏,破碎的煤块具有一定的初始动能并以一定的初速度脱离煤体,把这些煤岩样冲击破坏时碎块冲出的动能定义为该煤岩样的冲能,即冲出的能量,从而建立了煤岩冲击破坏的"冲能原理"和"冲能判别准则".通过岩板断裂震动物理模拟试验和数值模拟试验研究,得到顶板断裂过程中可产生强烈震动冲击载荷、致使煤岩破坏时的冲能、冲击危险性升高的研究结果;顶板断裂震动持续时间与顶板厚度呈线性关系,对煤体的震动损伤与顶板厚度呈乘幂关系,从极限悬顶长度的一半开始,煤体的冲击危险性显著升高,顶板岩层释放的能量与岩层强度呈对数关系;岩层运动产生的动能和释放的总能量分别与顶板厚度呈指数和乘幂关系.将顶板岩层诱发冲击矿压的机理分为处于稳定态岩层的"稳态诱冲机理"和处于运动态岩层的"动态诱冲机理"2种类型,岩层的"稳态诱冲机理"是指当顶板岩层不发生大规模破断或滑移垮落时,由岩层内部储存的弹性能的突然释放而导致的煤体冲击机理,稳态诱冲机理研究确定了影响煤岩破坏的2个重要初始参量--煤体的应力基数P.和能量基数U.,应力基数决定了破坏的条件,能量基数决定了破坏时释放能量的大小."动态诱冲机理"是指由顶板岩层发生大规模破断或滑移垮落产生的强烈震动和释放的大量冲击能等动载荷导致的煤体冲击破坏机理,分析了顶板岩层断裂和滑移的震动特性,坚硬厚层项板岩层在诱冲方面的作用主要表现在以较高频率的冲击载荷方式对煤体造成损伤;稳态岩层和动态岩层在诱发煤体冲击的时候都以动态的形式释放能量并参与到煤体破坏时的冲能当中,在满足冲能判别准则的情况下均可诱发冲击矿压,由此形成"顶板岩层诱发冲击矿压的冲能原理".基于岩体介质中能量传播规律和岩层影响冲击危险性的不同程度,提出了岩层影响下的煤体冲击危险"诱冲关键层"判别准则和诱冲关键层的判断方法,按照传播至煤体能量的大小给出了岩层的诱冲系数点Kb=E'k/Er0.和对应的能量值,用来表征岩层诱发冲击矿压的可能性大小.2个具有冲击危险的煤矿通过控制顶板岩层和控制煤体以降低"岩层-煤体"系统冲能进行冲击矿压防治的工程实践验证了本文关于"项板岩层诱发冲击矿压的冲能原理"研究结果的实用性与可靠性.     

冲击地压危险性的集对分析评价模型

针对煤矿冲击地压危险性综合评价指标的不确定性和不相容性,基于集对分析方法,将多个指标合成为一个可反映冲击危险级别的联系度参数,建立了煤矿冲击地压危险性预测评价的集对分析模型.将该模型应用于富力煤矿276工作面和华亭煤矿回风顺槽掘进工作面,选用开采深度、煤层上方坚硬岩层距煤层距离、构造应力集中指数、顶板岩层厚度特征参数、煤的单轴抗压强度和煤的冲击能量指数等6项指标,分别对其冲击危险性进行了预测评价.计算结果与工程实践符合,表明所建立的集对分析模型能够合理评价区域冲击危险等级.     

Numerical simulation study on hard-thick roof inducing rock burst in coal mine

In order to reveal the dynamic process of hard-thick roof inducing rock burst, one of the most common and strongest dynamic disasters in coal mine, the numerical simulation is conducted to study the dynamic loading effect of roof vibration on roadway surrounding rocks as well as the impact on stability. The results show that, on one hand, hard-thick roof will result in high stress concentration on mining surrounding rocks; on the other hand, the breaking of hard-thick roof will lead to mining seismicity, causing dynamic loading effect on coal and rock mass. High stress concentration and dynamic loading combination reaches to the mechanical conditions for the occurrence of rock burst, which will induce rock burst. The mining induced seismic events occurring in the roof breaking act on the mining surrounding rocks in the form of stress wave. The stress wave then has a reflection on the free surface of roadway and the tensile stress will be generated around the free surface. Horizontal vibration of roadway surrounding particles will cause instant changes of horizontal stress of roadway surrounding rocks; the horizontal displacement is directly related to the horizontal stress but is not significantly correlated with the vertical stress; the increase of horizontal stress of roadway near surface surrounding rocks and the release of elastic deformation energy of deep surrounding coal and rock mass are immanent causes that lead to the impact instability of roadway surrounding rocks. The most significant measures for rock burst prevention are controlling of horizontal stress and vibration strength.     

地震动时频分析在隧道动力响应分析中的应用

为了了解影响隧道动态内力峰值出现位置的相关因素.利用希尔伯特—黄变换,对E1 Centro等4条天然地震波和某隧道人工波(简称LBG地震波)进行了时频分析,结果表明:1)地震波各频段内所含能量的大小是影响隧道动态响应的主要因素;2)地震波中所包含的瞬时能量和总能量在时域上的分布决定了隧道内力及塑性应变最大峰值的出现时间;3)隧道内力峰值及最大塑性应变出现的位置与隧道断面形状及周围介质对衬砌的约束状态有关,与地震波的类型无关.     

顶板岩层对冲击矿压的影响规律研究

采用模拟试验方法研究了顶板岩层对煤体应力状态的影响,并根据震动能量对煤体的破坏效应和在岩体中的传播衰减规律,从能量角度分析了煤层上方不同厚度和强度的顶板岩层对煤体冲击的影响程度.结果表明,顶板释放的能量与岩层强度呈对数关系、与顶板厚度呈指数关系,坚硬、厚层顶板岩层会对煤体产生更为强烈的扰动,使冲击矿压危险性明显升高.另外,具有一定厚度和强度且距离煤层较近的老顶岩层运动产生的冲击载荷对煤体的影响作用较大.某矿一个工作面的冲击矿压防治工程实践表明,对该煤层上方的顶板岩层实施爆破弱化处理技术措施后,可有效降低工作面回采过程中的冲击危险性.     

Relationship between the rock mass deformation and places of occurrence of seismological events

Static effort of rock mass very rarely causes of rock burst in polish coal mines. Rock bursts with source in the seismic tremor within the roof rock layers are prevailing. A seismic tremor is an effect of rupture or sliding in roof layers above the exploited panel in coal seam, sometime in a distance from actual exploitation. Sliding, as a rule occurs in fault zone and tremors in it are expected, but monolithic layer rupture is very hard to predict. In a past few years a practice of analyzing state of deformation in high energy seismic tremors zones has been employed. It let gathering experience thanks to witch determination of dangerous shape of reformatted roof is possible. In the paper some typical forms of roof rocks deformations leading to seismic tremor occurrence will be presented. In general these are various types of multidirectional rock layers bending. Real examples of seismic events and rock bursts will be shown.     

基于微震成像的采煤工作面应力异常监测

为了实现对深井采煤工作面的冲击地压灾害预防,采用微震走时成像技术,监测采煤工作面的应力异常.根据系统要求布置传感器台网,实现工作面全覆盖;采用层状模型分析地震波传播路径,计算地震波传播速度,利用子空间分阶段求解的方法进行反演,实现对监测区域的地震波走时层析成像;结合地震波速度和岩石所受应力的关系,达到研究采煤工作面应力异常的动态分布及变化特征的目的.试验结果表明：工作面推进时,煤层顶板高应力异常达到最大,工作面前方的高应力异常区动态变化范围较大,工作面后方存在较稳定的地震波低速异常,利用微震成像技术可以有效地监测地震波速度异常区域的范围及变化特征.     

桩端岩溶顶板地震动力特性的振动台试验研究

为研究溶洞顶板在桩端荷载及地震共同作用下的动力特性和破坏特征,依托渝黔铁路复线周家湾大桥桩基工程,基于分离相似设计方法确定岩质材料、模型桩和地震波的主控参数,通过19组配比试验得到振动台试验用的岩体相似材料配比指标,最后考虑不同顶板厚度及溶洞直径的影响开展岩溶桩基小型振动台模型试验.结果表明:溶洞的存在改变模型的局部基频及动力特性,对地震波的传递起到阻碍及能量消散作用;波的频谱变化与上部荷载大小无直接关系,桩端荷载和地震共同作用下产生的桩端裂隙造成地震波整体幅值的下降,引起模型基频的变化;模型内部裂纹随地震波加速度的增强而增多,造成阻尼比逐渐增大,使得振动主频降低;同类型地震波之间仅幅值有所差别,不同类型地震波作用下的频谱分布差异较大;各测点的应变均随地震峰值的增加而增大,溶洞直径较小时顶板临空面处易发生剪切破坏,而溶洞直径较大时表现为整体的冲-剪破坏.     

综放工作面开切巷锚梁网支护技术研究

义马耿村煤矿综放工作面开采易自燃煤层，采用开切巷沿煤层项板布置．为此首先对开切巷锚梁网支护的设计和施工有关问题进行了研究，然后对巷道项板围岩进行了深基点位移观测，同时利用超声波技术对巷道两帮进行了松动圈测定，在此基础上讨论了大断面巷道锚杆与围岩之间相互作用关系．最后说明了锚梁网支护效果．本研究成果对大断面巷道锚梁网支护具有一定的参考价值．     

综放工作面开切巷锚梁网支护技术研究

义马耿村煤矿综放工作面开采易自燃煤层,采用开切巷沿煤层顶板布置.为此首先对开切巷锚梁网支护的设计和施工有关问题进行了研究,然后对巷道顶板围岩进行了深基点位移观测,同时利用超声波技术对巷道两帮进行了松动圈测定,在此基础上讨论了大断面巷道锚杆与围岩之间相互作用关系,最后说明了锚梁网支护效果.本研究成果对大断面巷道锚梁网支护具有一定的参考价值.     

高地震烈度区水电站地下厂房结构震损机理分析

中国水电站多位于西南高地震区.针对地下厂房结构的震损机理问题,以距汶川8.0级地震震中最近的映秀湾水电站和渔子溪水电站为分析对象,对水电站建筑物进行了震后实地调查,建立了映秀湾水电站洞周围岩和厂房结构的整体有限元模型,采用波动场应力法,对地下厂房结构在震时的结构稳定性进行了计算分析.根据实地调查结论和数值计算成果,对地下厂房结构的震损机理进行分析.实地震损调查表明,地下结构的震损形式多为表层脱落和闭合裂缝,破坏程度要明显轻于地面建筑.数值计算所反映的震损规律与实际调查中得到的结论基本吻合,则可从数值分析的角度进一步研究震损机理,认为产生震损的外因是沿一定角度入射的地震波,内因是地下厂房结构空间分布的不均匀性,而地下厂房结构赋存于洞周岩体则是地下结构震损与地面建筑具有本质区别的原因.     

System dynamics model of the support-surrounding rock system in fully mechanized mining with large mining height face and its application

Fully mechanized mining with large mining height (FMMLMH) is widely used in thick coal seam mining face for its higher recovery ratio, especially where the thickness is less than 7.0 m. However, because of the great mining height and intense rock pressure, the coal wall rib spalling, roof falling and the instability of support occur more likely in FMMLMH working face, and the above three types of disasters interact with each other with complicated relationships. In order to get the relationship between each two of coal wall, roof, floor and support, and reduce the occurrence probability of the three types of disasters, we established the system dynamics (SD) model of the support-surrounding rock system which is composed of “coal wall-roof-floor-support” (CW-R-F-S) in a FMMLMH working face based on the condition of No. 15104 working face in Sijiazhuang coal mine. With the software of Vensim, we also simulated the interaction process between each two factors of roof, floor, coal wall and the support. The results show that the SD model of “CW-R-F-S” system can reveal the complicated and interactive relationship clearly between the support and surrounding rock in the FMMLMH working face. By increasing the advancing speed of working face, the support resistance or the length of support guard, or by decreasing the tip-to-face distance, the stability of “CW-R-F-S” system will be higher and the happening probability of the disasters such as coal wall rib spalling, roof falling or the instability of support will be lower. These research findings have been testified in field application in No. 15104 working face, which can provide a new approach for researching the interaction relationship of support and surrounding rock.