近距离煤层卸压开采围岩力学特征试验研究

为获得近距离煤层卸压开采卸压层与被卸压层煤岩体变形、破坏特征和围岩支承压力分布规律,根据潘二煤矿7煤和6煤开采地质及工程条件,建立了7煤下行卸压开采和6煤上行卸压开采的相似材料试验模型。通过试验观测与数据分析,获得了单一煤层下行卸压开采(7煤)、上行卸压开采(6煤)覆岩运移、支承压力分布等围岩力学特征及多煤层(7煤和6煤)开采围岩力学特征的叠加演化效应。研究表明,被卸压层中的应力分布及变形特征与卸压层开采布置参数、层间距及岩层结构密切相关,而煤柱留设是影响卸压开采效果及被卸压层安全开采的关键因素,尤其是煤柱下应力集中区的巷道布置、围岩稳定性控制、煤岩动力灾害防治等是下行卸压开采的技术关键。     

深井突水诱发静压冲击机制研究

冲击地压发生的根源是围岩支承压力分布规律的改变,以郓城煤矿1301工作面为工程背景,为研究冲击区域受采动影响较小的情况下,冲击发生的根源,采用理论分析、现场检测、工程试验等方法研究水仓围岩应力的分布规律及岩性的改变,研究内容为:(1)新型冲击地压类型"静压冲击",以及"静压冲击"发生的机制;(2)水仓围岩应力的分布规律;(3)通过煤岩体浸水试验揭示水仓周围煤岩体浸水一个月岩性发生的变化。从而揭示了郓城煤矿1301工作面"1·8"事故演化的过程:水仓煤柱失效,顶板由"θ"型结构向"O"型结构转变,水仓围岩应力重新分布,再加上煤岩体浸水导致煤岩体岩性特别是煤岩体的单轴抗压强度由原来的16.7MPa降低为10.63MPa,进而得出郓城煤矿1301工作面"1·8"事故发生的根源,该方法对于类似条件工作面的防冲具有重要的参考意义。     

构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道冲击地压机制研究

 冲击地压是煤矿开采中因采动或动载诱发煤岩体变形能剧烈释放,并伴随地下采掘空间煤岩体突然、急剧和猛烈破坏的现象。随着煤矿开采深度和开采强度的持续增加,地下开采面临的构造地质条件日趋复杂,我国越来越多的煤矿开始出现冲击地压现象,破坏性冲击地压频繁发生且日益严重。冲击地压的孕育和显现是构造特征和地层特征在采掘动态平衡过程中能量稳定态积聚及非稳定态释放的结果,是煤岩体性质、地质特征和开采技术条件的综合反映,同时该问题具有明显的时空演化特征。 义马矿区是冲击地压的高发矿区,且冲击地压多发生在回采巷道,巷道冲击地压的本质是巷道围岩在高应力作用下的突然失稳、变形和破坏。向斜构造应力、断层构造应力、上覆巨厚砾岩局部离层断裂垮落造成巷道的非均匀应力和开采扰动是义马矿区回采巷道冲击地压发生的主要影响因素。运用现场调研、相似模拟试验、数值计算和现场工业性试验相结合的方法,深入研究构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道冲击地压机制及防治技术。主要工作与创新点如下： (1) 针对义马矿区11个典型工作面发生的89次冲击事件进行统计分析,得出了义马矿区冲击地压以回采巷道冲击地压为主,冲击引起的回采巷道变形破坏以底鼓为主。 (2) 设计了具有义马矿区向斜、断层和巨厚砾岩地质特征的相似模拟试验,并采用数字散斑全位移场监测、应力场监测和能量场监测,研究了采动影响下距工作面不同距离和距断层不同距离回采巷道围岩冲击特性及失稳变形破坏特点,并分析了巨厚砾岩离层断裂时巷道围岩变化规律和断层滑移活化时巷道围岩变化规律。 (3) 建立了具有向斜、断层和巨厚砾岩特征的数值模型,研究了采动影响向斜作用下巷道围岩冲击特性(巷道围岩的应力场、能量场、位移场和塑性区(三场一区)是巷道围岩冲击特性的表现形式),对比分析了向斜轴部和翼部回采巷道围岩冲击特性异同;研究了采动影响断层作用下巷道围岩冲击特性,对比分析了断层下盘和上盘回采巷道围岩冲击特性异同;研究了采动影响巨厚砾岩作用下回采巷道围岩冲击特性,从不同砾岩厚度条件下对比分析回采巷道围岩冲击特性;研究了采动影响构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道围岩冲击特性,对同时间不同地点距工作面不同距离回采巷道围岩冲击特性、同地点不同时间距工作面不同距离回采巷道围岩冲击特性和距断层不同距离回采巷道围岩冲击特性分别进行详细分析。 (4) 提出了构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道冲击地压机制、义马矿区回采巷道冲击地压综合防治体系和具体防治措施,并对回采巷道强力柔性支护体系、U型钢联合支护体系和锚杆支护体系进行评价总结,依据应用实践得到的回采巷道冲击地压前兆规律,得出强力柔性支护体系在防冲巷道支护中对巷道围岩应力场、能量场和位移场的关键控制作用明显优于U型钢联合支护体系和锚杆支护体系,且可以很好地适应并控制巷道围岩变形,对构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道冲击地压防治起到积极且显著的作用。     

煤岩动力灾害预测的微电流技术及其应用研究

为探索基于微电流技术的煤岩动力灾害预测新方法,利用自主研制的矿用微电流监测仪,在冲击地压煤矿回采工作面开展现场测试,研究得到巷道煤体微电流空间分布规律及回采过程工作面前方煤体微电流时域响应规律,结合现场微震事件确定基于微电流响应的煤体失稳破坏前兆特征,验证微电流法在煤岩体应力观测和动力灾害监测预警中的可行性。结果表明：巷道围岩能够激发出强度为数十微安的微电流,其大小分布与应力分布具有一致性,从巷帮向煤体深处表现出先增加后减小然后趋于稳定的变化规律;微电流对工作面推进过程响应较好,整体呈现阶梯型增加的趋势,在煤层回采期间,微电流呈逐渐增加的趋势,在停采期间,微电流呈现较为稳定的波动状态;微电流能够对矿震事件提前响应,其加速增加可作为矿震/煤体破坏的前兆特征;微电流法具有抗干扰能力强、响应灵敏、灾害预警超前性好等优点,在煤矿等地下工程应用前景广阔,但该技术尚处于试验阶段,仍需通过现场试验进一步验证和完善,以期最终为冲击地压等煤岩动力灾害的精准预测提供技术支持。     

长壁孤岛工作面冲击失稳能量释放激增机制研究

煤矿开采中跳采形成的孤岛工作面由于容易产生应力集中，来压强度高，极容易发生冲击地压。基于唐山矿孤岛工作面的地质条件和周期来压步距的监测结果，通过数值分析的方法，研究孤岛工作面煤岩体能量释放的动态特征，揭示工作面前方能量释放激增机制，对比普通工作面和孤岛工作面能量场的区别，介绍冲击地压预警防治措施。数值模拟结果显示，长壁孤岛工作面回采时随着直接顶的随采随冒，采空区悬空面积的不断增大，使得老顶积聚大量的弹性能。若老顶发生周期性垮落，弹性能将瞬间释放，此时工作面和顺槽巷道极易冲击失稳。由研究结果可知，孤岛工作面周期来压时顶底板和煤层的能量激增可做为判断冲击失稳的前兆信息之一。因此，微震监测等手段可以根据此结论预测潜在的矿山动力灾害。针对老顶周期性断裂时积聚能量的突然释放规律，运用强制放顶、超前卸压孔、开切卸压槽和卸压爆破、煤层注水等技术可以提前释放煤层内积聚的弹性能，达到良好的冲击地压防治效果。     

冲击地压预测的电荷感应技术及其应用

利用建立的煤岩电荷感应试验系统,研究煤岩变形破裂过程的电荷感应规律;利用研制的电荷感应仪对矿井进行现场测试。试验研究表明,煤岩在变形破裂过程中有电荷感应信号产生,煤岩体中应力越高,变形破裂过程越强烈,产生的电荷感应信号越强;在临近峰值应力前电荷感应信号最强,在煤岩体破坏后也有较强的电荷感应信号产生;抗压强度越高的煤样,电荷感应信号也越强,信号越丰富,持续时间越长。煤岩体变形破裂过程中产生电荷的主要原因是微破裂导致裂隙尖端电荷分离和摩擦作用。现场实践表明,测得的电荷感应值与煤体所处的应力水平是有一定关系的。在工作面平稳时期,测得的电荷感应幅值较小,而在发生冲击现象时测得的电荷感应幅值较大。利用电荷感应方法能够预测冲击危险的发生,但尚处于试验阶段,电荷感应预测技术还需要在现场不断验证和完善,以期最终为矿井冲击地压等煤岩动力灾害的非接触预测预报提供可靠的技术支持。     

跨采巷道围岩应力集中系数解析

为了确定上覆工作面采动对底板巷道稳定性的影响程度,首先,以海孜煤矿7煤工作面开采为例,根据其工作面支承压力分布形态,基于弹性力学理论建立了底板应力分布的力学模型,分析了采动支承压力在底板中的传递规律,并将采动支承压力与巷道围岩应力有机结合在一起,得到了上覆工作面开采过程中,底板巷道围岩的最大、最小主应力集中系数的变化规律,开采过程中围岩最大主应力集中系数的极值为1.28;其次,应用数值模拟软件FLCA3D建立了跨采巷道计算模型进行了验证,得出巷道围岩最大主应力集中系数极值为1.22,结果证明理论模型是可靠的。此模型可为底板巷道围岩控制提供基础的理论和技术支持。     

基于微震监测及应力场分析的冲击地压预测方法

主要对国内外冲击地压发生情况以及对冲击地压的监测发展情况进行了总结和分析，发现随着矿山开采深度的增加，冲击地压活动越来越频繁，发生的范围也越来越广，但是目前仍没有有效的监测与分析方法能够对冲击地压的发生进行预测预报。为了能够对冲击地压发生实现预测预报，引入地球物理学方法，建立矿山微震监测分析系统。将矿山微震监测系统监测到的矿山微震活动信息，通过网络传输，实现与数值分析系统之间的数据交换：利用微震活动信息修改数值模型的单元信息；借助大规模科学计算，分析开采造成采场以及巷道围岩内部岩体的应力积累、应力阴影和应力迁移过程，进而实现对矿山冲击地压活动进行预测预报。同时，微震监测分析系统能够实现对其他岩石工程动力灾害问题进行预测预报。     

长壁采空区对采动煤岩应力分布规律的影响研究

随着当前各类长壁采空区及其附近区段巷道留设技术的不断推广,采空区及其对采动煤岩应力分布规律影响的认识愈发重要。鉴于当下此方面的研究较少,以镇城底矿为工程背景,通过理论分析、相似模拟、数值模拟和现场实测研究了长壁采空区对采动煤岩应力分布规律的影响。多种研究方法表明,采空区承载越大,实体围岩受载则越低,反之亦然。错层位不对称工作面导致应力分布亦不对称,缓坡段采空区应力大于无缓坡段,而缓坡段侧支承压力小于无缓坡段侧,缓坡段具有压力和能量缓冲耗散作用的矸石垫层,可避免接续面巷顶沿空巷道受动载影响。得出基于采空区影响下的老顶关键块回转下沉量计算方法。断裂角越小,采空区承载越小,尤其采空区边缘应力越小。采空区会影响围岩体中应力集中区的应力集中程度、范围和方位,同时影响煤岩体塑性区大小。理论分析、模拟分析和现场实测具有较好的一致性。     

基于微震监测关键层破断诱发冲击地压的物理相似材料模拟实验研究

为研究冲击倾向性顶板破断及其能量释放规律,采用物理模拟材料模拟实验,结合微震监测仪器、压力传感器,研究实体煤和采空区下回采工作面微震事件的分布特征及其与矿压分布规律之间的关系,分析矿压对煤岩体能量积聚与释放的影响,揭示关键层破断诱冲机制。研究表明:实体煤下微震事件主要发生在工作面前方顶板岩层中,微震事件能量释放值高于采空区下;采空区下微震事件主要发生在工作面后方顶板岩层中,微震事件发生的频次高于实体煤下回采。依据相似定理推导了能量相似比公式,定义物理相似材料模型中覆岩垮落发生大事件的能量值为333.33 J,发现大事件多发生在应力增高区"倒梯形"结构附近。随着工作面距离开切巷距离的缩短,微震事件能量积聚与释放周期随之减小。关键层破断诱发冲击地压时,主关键层积聚弹性能为冲击地压显现提供能量,冲击地压显现的位置一般处在受采动影响的应力增高区。为此,提出控制源头、降低应力集中、降低应力传导效率的控制策略,工程实践效果监测表明工作面顶板得到了有效控制,保障了安全生产。     

特厚煤层掘进工作面冲击地压综合监测预警技术研究

以近年来特厚煤层掘进工作面冲击地压事故为工程背景,通过事故现场勘查对其发生冲击地压的机理进行研究,提出了基于围岩动态结构演化的掘进工作面冲击地压事故分区:即迎头区、塑性圈动态演化区、塑性圈稳定区。通过研究各区域冲击地压发生机理和可监测特征,提出了采用"围岩震动、围岩应力动态、锚杆锚索支护力和煤体钻屑量"进行四位一体的监测预警特厚煤层掘进面冲击地压实时危险性的学术思想,并通过现场实践得出了工程上监测预警特厚煤层掘进工作面冲击危险性的方法和指标。将研究成果分别应用于陕西、河南等矿区特厚煤层工作面掘进期间的冲击地压监测预警,有效预警了掘进期间的冲击危险并及时采取了卸压解危措施,保证了工作面的安全开采。     

基于FLAC3D模拟的矿山巷道掘进煤岩变形破裂力电耦合规律的研究

首先通过FLAC3D软件对矿山巷道掘进过程中煤岩内部应力场分布规律进行了数值模拟,并提取了各个单元的应力值;然后根据数值模拟应力值和煤岩受压变形破裂过程中产生的电磁辐射(EME)强度与煤岩内部应力之间的力电耦合关系式研究了巷道掘进过程中产生的电磁辐射信号变化规律。研究结果表明:模拟应力值的变化规律与理论分析和现场实际围岩应力显现规律是一致的,从而说明该方法能正确模拟现场煤岩受采动影响时内部应力场的变化规律;将较大范围煤岩体单元当作电磁辐射源时的计算结果只比将应力集中区看作电磁辐射源的计算值大3%～8%,说明在现场监测到的EME强度反映的是应力集中区煤岩变形破裂的程度;EME强度在迎头沿着走向符合先逐渐增大达到峰值后再逐渐降低的规律,呈现出与煤岩内部应力变化相同的规律;随着迭代时间的增加,EME强度在同一监测点的变化关系先是逐渐增加,增加到一定程度后趋于平缓,反映了煤岩体内部应力的变化规律;巷道开挖后内部应力变化的快慢表现在EME强度的变化上。现场钻孔内不同深度EME强度测定结果基本上也呈现出与模拟结果相同的变化趋势,同时证明了力电耦合方法的合理性。     

矿震诱发型冲击地压临场预警机制及应用研究

矿震诱发型冲击地压预警是世界性难题,通过多年的监测预警机制研究和现场实测发现,采场监测区域内应力突降是此类型冲击地压的典型前兆之一。结合关键岩层断裂特征与煤岩体应力变化关系,得出依据矿震发生前煤岩应力突变规律实现临场预警的机制:高位关键岩层拉伸断裂前后采场超前应力从单峰演化为双峰状态,在关键岩层断裂位置下方煤岩体内出现应力突降,数分钟后因岩梁断裂回转,其下方支承区域内岩体受强烈动载破坏而引发矿震。根据临场应力突降值和突降范围,判定矿震对采场的危害程度和影响范围,进而及时作出现场避灾处理,结合开采前预判关键层破断步距和开采过程中高精度微震追踪岩层破裂高度,判断矿震发生的区域,提高临场预警的时效性和准确性。本文揭示的现象和关键数据为临场预警矿震诱发型冲击地压提供了一种直观有效的方法。     

煤岩结构体多级应力控制防冲实践及动态调控

通过对煤岩结构体受力状态的理论分析并结合现场实践,提出了从区域应力协调到局部应力控制的煤岩结构体多级应力控制防冲技术理论。针对深部采场应力多变和冲击危险影响因素多样,建立以煤岩结构体应力/强度比及冲击危险多参量组合评价的应力控制动态调控技术。研究发现,煤岩结构体的冲击失稳孕育过程与组合煤岩试件的受力失稳过程基本相同,以煤岩结构体稳定性为基础,应力控制为中心的多级应力控制技术可有效控制冲击地压,在强冲击危险工作面切眼对掘期间,根据多参量监测评价系统及现场防冲实时反馈信息动态调整局部应力控制技术及相关卸压参数,实现了切眼的顺利贯通。     

深井巷道掘进围岩演化特征模拟与扰动应力场分析

 深井巷道围岩扰动应力场与开挖扰动区的形成密切相关。然而,受现场地质条件和监测技术制约,尚难以准确获得围岩扰动应力的演化过程。为此,首先通过原位监测得到深井巷道围岩开挖扰动区的演化特征;然后,基于监测结果利用反分析的方式构建能较为准确地模拟围岩开挖扰动区演化特征的数值模型;最后,通过这一模型分析了深井巷道掘进过程中围岩扰动应力场的演化特征。研究结果表明：当工作面未掘进至监测断面时,由于工作面前方岩体空间约束,测点应力值基本没有变化;当工作面掘进过监测断面后,巷道帮部、顶底板的主应力大小和方向均发生了变化;通过对比扰动应力场与原位监测得到的开挖扰动区的演化特征,发现两者的部分演化特征较为相似。     

组合煤岩冲击倾向性演化及声电效应的试验研究

在采掘工作面及巷道中,顶板、煤层、底板共同组成一个力学平衡系统,当这个系统受到采动的影响时,就有可能诱发煤岩体所积聚的弹性能通过弱面结构突然释放,形成冲击矿压灾害。因此,研究不同组合类型的顶板–煤样–底板组合试样的冲击倾向性演化及声电效应规律对于监测、预警冲击矿压灾害及强度弱化治理起到非常重要的指导作用。通过大量组合煤岩试样的冲击倾向性及声电效应的试验研究发现,随着煤样强度、顶板岩样强度及其厚度的增加,组合试样的冲击倾向性随之增强,且电磁辐射与声发射信号强度随着组合试样的强度、顶板岩样的高度比例以及冲击能指数的增加而增强。同时发现试样冲击破坏前,声电信号的强度达到极值,冲击破坏之后,信号强度均产生突降。上述研究成果对于指导现场冲击矿压灾害强度的弱化控制以及卸压解危效果的检验具有重要的意义。     

定向聚能爆破弱化综掘工作面逆断层应用研究

针对综掘工作面过逆断层采用普通爆破预先弱化硬岩时巷道围岩和构造区域煤岩体的稳定性问题,通过理论分析和对比模拟实验研究爆破扰动逆断层构造带的突出原因,提出改变装药结构,采用定向聚能爆破的预防对策并进行现场应用。研究发现,爆破应力波传播到逆断层构造区域时,在煤岩交界面发生波的透射和反射,爆破振动的累积损伤使不同煤岩介质交界面的破坏最为严重,加大了煤岩体的损伤程度和破坏范围,为瓦斯动力灾害的发生提供了弱面,有利于突出的发生;定向聚能爆破可以使爆破作用集中在岩体方向,减少应力波对构造区域煤岩体的扰动;在本实验条件下,聚能方向的应力比普通爆破增加2倍左右,非聚能方向的应力减小约3倍。现场应用表明,采用定向聚能爆破后,综掘工作面坚硬岩石中的裂纹损伤扩展,达到了预先弱化的目的和综掘机破碎岩石的要求,工作面上方逆断层构造区域的煤岩体基本完整,为综掘工作面安全快速通过硬岩逆断层提供了保证。     

大倾角坚硬顶板煤层回采超前预爆破围岩力学响应扰动规律

针对大倾角坚硬顶板采煤工作面中的缓倾斜煤层区段,基于有限差分和动力学模拟方法,建立了坚硬顶板非预爆破和预爆破2种方案下煤层回采的数值计算模型。对2种方案下围岩应力、位移、塑性区的演化规律进行了对比分析,获得了围岩在爆破扰动下的力学响应规律。结果表明:先顶板预爆破再回采方案可有效降低巷道围岩的应力集中程度,卸压释能,减小巷道变形量,便于支护控制,并且围岩塑性区范围增大,更有利于滞后工作面坚硬顶板及时垮落。所得结论对坚硬顶板动力灾害防治具有重要意义。     

煤矿深井动力灾害电荷辐射特征及应用

 煤矿深井冲击地压和煤与瓦斯突出等动力灾害的发生频率及强度不断增加,且互为诱因、相互转化、致灾机制更加复杂,使得监测预警和防治工作更加困难。准确预测动力灾害的类型与等级,是防治动力灾害的必要前提。动力灾害孕育过程中,煤岩变形破裂与瓦斯运移产生大量煤岩电荷,研究不同类型动力灾害孕育过程中电荷辐射信息的特征及变化规律,是利用煤岩电荷辐射法进行冲击地压等动力灾害准确预测前提。应用煤岩电荷监测系统,测试回采过程中工作面前方巷道煤岩体的电荷辐射信号,并对动力灾害孕育过程中电荷辐射的变化规律和特征进行研究。结果表明：工作面正常工作时期,电荷信号平稳且较小,动力灾害发生前,电荷信号有明显的异常前兆,且对于不同形式的动力灾害,电荷信号特征有显著的区别。煤与瓦斯突出孕育过程中,电荷最大值增大且有较大幅度的波动,电荷最小值基本为0;冲击地压孕育过程中,电荷最大值与最小值基本一致,在一个较高水平平稳变化,无明显波动现象;复合型动力灾害孕育过程中,电荷辐射最大值在一个较高的水平呈较大幅度波动变化,电荷辐射最小值在一个较高的水平比较平稳的变化,呈现突出和冲击信号的共同特征。因此,煤岩电荷辐射技术不但可用于预测煤岩动力灾害危险性,并可判断灾害类型,进而采取相应的防治措施,对改变我国煤矿安全状况有重要意义。     

深井上下山煤柱区巷道围岩响应特征数值模拟及其灾害控制

深井上下山煤柱区巷道围岩应力高度集中,矿压显现剧烈,是煤矿动力灾害多发区。文章通过FLAC~(2D)数值模拟及微震监测等对深井上下山煤柱区巷道围岩响应特征进行研究。结果表明:随着7、9煤层两侧工作面的开采,上下山巷道围岩应力、位移、塑性区分布等响应特征均不断增加,且上升趋势越明显,越易发生冲击破坏;针对不同的开采阶段及矿压显现,提出针对性的煤柱区动力灾害控制措施。研究成果为深井煤岩动力灾害防治提供借鉴和指导。