大空间卸压巷控制冲击地压的机理与应用

赵各庄矿3137东面属于高应力大孤岛煤柱工作面,冲击地压危险程度高,通过在顺槽附近开掘卸压巷的方式,改善围岩应力分布状态,降低和转移煤体的应力集中现象,从而实现缓慢有序释放冲击能量,避免冲击地压灾害的目的,为深部大孤岛煤柱工作面冲击地压的有效防治和安全高效开采提供了新的可行性方案。     

深部不规则大孤岛工作面冲击地压预测与防治技术

以开滦唐山矿深部、形状不规则、大孤岛冲击煤层工作面为试验研究对象,研究了该地质开采条件下的冲击地压现象的发生机理、冲击地压预测与防治方法、工作面安全开采条件等;建立了深部不规则大孤岛工作面条件下冲击地压现象预测与防治理论体系.利用现场试验、计算机数值模拟和理论分析等手段,初步掌握了深部不规则大孤岛工作面复杂条件下冲击地压发生的机理、冲击地压预测方法,通过试验得到解决深部不规则大孤岛工作面冲击地压的新方法.     

唐山矿深部孤岛工作面冲击地压危险区域划分及实测研究

以开滦集团唐山矿复杂地质条件为研究对象,针对深部不规则大孤岛工作面的冲击地压发生机理、冲击地压的合理预测和冲击地压的有效防治等问题开展研究,通过全面研究、观测、分析,确定了T1391孤岛工作面冲击地压危险区域,通过采取相关措施保障了T1391孤岛工作面实现高效安全开采.     

深部开采冲击地压诱发瓦斯异常涌出原因分析

为研究深部开采冲击地压诱导瓦斯异常涌出致灾机理,分析了深部开采煤体高地应力和高瓦斯含量的物性特征,揭示出冲击地压诱发瓦斯涌出的动力条件和物质条件,结合KozenyCarmen方程建立煤体渗透率与开采影响下损伤裂隙煤体体积应变的关系式。研究结果表明:冲击失稳过程中煤体渗透率增加显著,冲击地压产生的振动效应加速煤体变形破坏,促使瓦斯快速大量涌出;冲击地压孕育过程中的煤体渗透率变化效应、煤体形成剪切滑移面效应、冲击地压诱发的煤岩体振动效应以及煤体温度升高效应的联合作用,导致了冲击地压后瓦斯的异常涌出。     

深井工作面向地垒构造开采煤岩体采动响应特征

地垒构造为影响安全开采的重要因素，为分析工作面过地垒构造开采时两盘覆岩的运动规律及工作面前方支承应力的演化特征和断层活化规律，基于UDEC数值模拟软件进行研究。结果表明：工作面接近地垒构造时，上覆岩层向采空区发生回转，易引起断层活化滑移；工作面在地垒构造中，若煤体上方基本顶无法形成铰接结构，易引发断层煤柱失稳破坏煤体；由数值模拟可知，上盘工作面开采影响大于下盘工作面影响，其影响主要表现为断层冲击地压诱发影响开采范围大、断层滑移诱发冲击地压的危险性高。研究明确了地垒构造对地下工程作业的影响规律。     

冲击地压实时监测预警技术及其应用

为了加强对强冲击危险工作面冲击地压的监测,根据覆岩运动理论提出了钻屑当量与煤体相对应力之间的关系,研制了属于中后期预警和局部预警的冲击地压在线实时监测系统。通过现场应用,结果表明:该系统能够动态监测不同孔深的煤体应力变化,能有效地对现场冲击危险状况进行实时在线监测和预警,使强冲击危险工作面及时采取防范措施和局部解危措施。实践证实冲击地压在线监测预警技术有助于强冲击危险工作面的安全开采。     

动静组合加载下急倾斜特厚煤层开采煤岩冲击破坏特征研究

针对急倾斜特厚煤层开采冲击地压灾害,基于动静组合加载相似模拟试验研究了急倾斜特厚煤层开采煤岩动力响应及其冲击破坏特征.结果表明:急倾斜煤层工作面顶底板两侧煤体受力状态和冲击破坏均呈现非对称性,同一分段顶板侧煤体采动应力峰值、动力损伤程度和动态变形均大于底板侧煤体,该冲击显现属于整体失稳型冲击地压类型,以顶板侧煤体动力破坏为主.煤体中声发射事件最大幅值可作为煤岩冲击的表征量,具有对应冲击破坏的突变性和敏感性.冲击发生时顶板侧煤体动态位移瞬时达到峰值且未有明显波动,其加速度在一次波动后便快速衰减,位移、加速度特征参数以及煤岩声发射活动性参数均显著突增,揭示出急倾斜煤岩冲击的瞬时性和较大破坏性.现场冲击现象验证了试验结果,并从降低冲击动静载力源的角度提出了防治对策.     

不同开采条件下采动力学行为研究

通过分析3种典型开采条件下(放顶煤开采、无煤柱开采与保护层开采)工作面支承压力分布规律,揭示了采动影响下工作面前方煤体支承压力峰值大小及位置的采动力学特征,获得工作面前方煤体所承受的采动力学应力环境条件,据此进一步开展了不同开采条件下煤体采动力学行为的实验研究。通过升高轴向应力的同时降低围压的方式来模拟长壁工作面前方垂直应力和水平应力,获得了3种典型开采条件下煤体破坏全过程的采动力学行为和应力集中系数,以及不同开采条件下煤体破坏时的支承压力、水平应力、变形等的差异,同时揭示了工作面前方煤体的采动力学行为与开采条件的关系。     

急倾斜特厚煤层工作面非对称冲击矿压机理

针对急倾斜特厚煤层水平分段综放开采工作面冲击矿压灾害,以窑街三矿为工程背景,采用离散元数值模拟(UDEC),研究了急倾斜特厚煤层水平分段开采顶板破断及结构演化规律,再现了矿震作用下工作面非对称冲击矿压孕育和发生过程;理论分析了工作面底煤应力非对称分布特征;基于动静载叠加原理揭示了工作面非对称冲击矿压发生机理;最后提出了防治对策。研究结果表明：急倾斜特厚煤层水平分段综放开采工作面在顶底板非对称错峰支承压力作用下,煤体受载特征沿倾向呈现分区差异性：顶板侧挤压、中部剪切、底板侧拉-剪。工作面底煤中形成浅部汤匙状卸压区和深部非对称应力集中区,顶板侧煤体垂直应力峰值和剪切应力峰值均为底板侧的5倍。进入深部开采后,工作面悬顶长度增大,同时采空区内关键岩块发生回转、滑移和倾倒的可能性增加,导致矿震强度增大。当动载应力与工作面底煤应力集中区中的静载应力叠加大于“煤体+液压支架”系统的极限应力时,发生急倾斜特厚煤层水平分段综放开采工作面非对称冲击矿压。研究结果与现场实测相吻合。     

剪切带引发冲击矿压的分析

通过对某煤矿高冲击危险工作面开采过程的三维数值模拟,揭示了近距离煤层下部煤层在煤柱的影响下,在有冲击危险的区域,变形局部化剪切带与高压应力共同作用于煤岩体上,在变化的剪应力作用下,脆性岩体容易发生剪切破坏,并在瞬间释放弹性能,形成冲击矿压。     

变形局部化对引发冲击矿压的分析

针对某矿高冲击危险工作面,采用三维数值模拟方法,详细分析了近距离煤层开采条件下,上煤层残留煤柱对下煤层工作面开采冲击危险性的影响,揭示了在上部煤柱作用下,开采过程中垂直应力和剪应力的发展变化规律.研究结果表明,由于受煤柱影响,工作面前方产生了10倍于原岩应力以上的集中应力,随着工作面的推进,其前方产生了错动变化的剪切应力峰值,在高支承压力和变化的剪切应力作用下,脆性岩体容易发生剪切破坏,造成变形局部化,引起煤岩体弹性能的突然释放,形成冲击矿压.     

孤岛工作面回采期间冲击地压防治设计

孤岛工作面往往存在冲击地压的可能,而冲击地压的破坏性极大,严重威胁煤矿安全生产。棋盘井煤矿I020908工作面属于孤岛工作面,经冲击危险性评价,判定该工作面具有弱冲击危险性。为保证安全回采,在棋盘井煤矿I020908工作面冲击危险性评价基础上,针对I020908孤岛工作面制定相应的冲击地压防治设计,为工作面回采期间防冲工作的开展提供依据。     

采掘工作面冲击地压防治

为了能够更好地防治冲击地压,通过分析现有防治冲击地压的技术方法,提出了集束卸压孔防治冲击地压的方法.在巷道周围或工作面顶底板附近,打集束卸压孔,大量取出岩煤,在垂直钻孔的围岩断面上形成一个呈多孔状的弱面,在空间中形成一系列空岩管覆盖或围绕在一定距离的巷道周围或工作面顶底板中.当集中应力作用于巷道围岩时,首先破坏该弱面结构消耗能量,破坏后的该弱面会中断或减弱应力传递,并导致应力集中区向两侧深部岩体转移(采空区或较安全位置),保护巷道不产生或减少两帮挤进和底鼓.当发生地压冲击时,集中应力主要作用于两侧深部煤岩体,从而保护采掘巷道和局部工作面,确保人员设备安全与生产连续进行.     

浅埋深坚硬顶板工作面冲击地压微震时空前兆信息特征

为提高冲击地压矿井现场防冲措施实施的针对性,以宽沟煤矿B2煤层I010203工作面为工程背景,研究其历次矿压显现事件发生前后的微震监测信息时空演化规律.结果表明:I010203工作面矿压显现事件震源位置受上层"刀把型"采空区边界影响,具有阶段性特征,且主要集中于工作面中下部、 区段煤柱和侧向采空区围岩,垂向上大多位于煤...     

冲击地压矿井采区下山保护煤柱合理宽度研究

留设合理宽度的采区下山保护煤柱是防范采区下山发生冲击地压的关键。为探讨冲击地压矿井采区下山保护煤柱宽度的确定方法,以李楼煤矿采区下山保护煤柱合理的宽度确定为工程背景,运用矿压理论研究了工作面向采区下山推采过程中覆岩运动规律、支承压力演化特征、冲击地压类型及其发生机制,分析了现场工作面推采过程中的微震监测数据和应力动态监测数据,综合确定了李楼煤矿工作面采动影响范围,提出了以防范各类冲击地压为原则的采区下山保护煤柱宽度的综合确定方法,并进行了工程验证。结果表明:①随着工作面向采区下山推进,采区下山保护煤柱宽度逐渐减小,工作面超前支承压力与采区下山侧向支承压力及两翼工作面超前支承压力将发生叠加、集中,震动附加应力与采区下山侧向支承压力叠加程度逐渐增大;②采区下山可能发生静动载叠加型、应力叠加型和蠕变型等3类冲击地压;③工作面超前、滞后采动影响距离为235 m,侧向采动影响距离为105.5 m;④从防范采区下山动静载叠加型、应力叠加型和延后蠕变型冲击地压的角度,综合确定李楼煤矿采区下山一侧保护煤柱宽度应不小于235 m。回采后期现场监测结果与收尾情况初步验证了当前李楼煤矿采区下山一侧保护煤柱240 m的合理性。     

“Z”型煤柱诱发冲击矿压的模拟研究

针对常村矿的冲击矿压类型,以弹性力学、岩体力学、材料力学等理论为基础,初步建立"Z"型煤柱的力学模型。"Z"型煤柱诱发型冲击矿压,其主要影响因素包括采深、工作面巷道开拓布置、顶底板岩层结构、周围煤岩体的冲击倾向性等。通过数值模拟分析了2113工作面开采过程中水平应力和垂直应力的演化规律,详细分析了"Z"型煤柱区域的应力分布规律,得出"Z"型煤柱诱发冲击的原因及机理。最后提出21采区的工作面布局,即下分层工作面巷道内错式布置,有效地避免了"Z"型煤柱、应力集中现象的发生。     

“两硬”条件下冲击地压微震信号特征及前兆识别

结合微震监测数据,对大同忻州窑矿8935“两硬”条件工作面回采过程中发生的冲击现象进行分析;从微震事件震源定位、能级与频次关系以及冲击前微震信号频谱演化规律等方面讨论了该工作面冲击地压机理及前兆信息特征。研究表明：8935工作面冲击地压为坚硬顶板破断诱发煤柱区域积聚能量的突然释放所致;冲击震源多在工作面超前50 m范围内沿采空区煤柱侧,且主要集中在坚硬顶板断裂后发生压缩、反弹的空间区域;冲击地压前微震事件频次、能量、微震信号 b 值及主频均呈下降趋势。冲击地压前微震频谱主要集中在5~60 Hz,微震主频急剧降低和幅值明显升高可视为冲击前兆特征之一。     

钻屑法检验深孔爆破卸压技术效果

冲击地压的发生与工作面前方煤体应力场的分布密切相关,可以采用深孔爆破卸压技术来改变巷道附近围岩的应力场分布形式及煤岩体的物理力学性质,降低巷道附近围岩的受载应力,使得巷道附近煤岩体的冲击倾向性指标及冲击临界载荷降至临界值以下,从而避免冲击地压的发生,利用钻屑量和钻屑粒度对深孔爆破卸压效果进行检验。研究表明:钻屑量与钻屑粒度能够有效地反映工作面前方煤体应力分布及转移情况,能够有效地检测爆破卸压效果,为深孔爆破卸压防治冲击地压技术的效果检验提供一种检测技术。     

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。     

矿井群冲击地压发生机理与控制技术探讨

大型地质体控制下,相邻矿井开采过程中时常发生冲击地压。为研究大型断层和巨厚砾岩层顶板条件下两个相邻矿井间相邻工作面开采过程中冲击地压的发生机理,以义马矿区跃进矿23070工作面和常村矿21220工作面为实际工程背景,对两工作面回采期间冲击显现特征和微震事件时空演化及能量特征展开现场实测分析,并对井间覆岩结构应力分布开展理论分析和数值模拟。研究结果表明,义马矿区F16逆冲断层的活化运动和巨厚砾岩层的整体控制作用,为冲击地压的孕灾提供了力源条件,井间相邻工作面同时回采期间,采空区上覆岩梁与井间煤岩柱系统构成“非对称T形”结构,21220工作面煤体冲击导致应力转移至井间煤柱和23070工作面,从而诱发23070工作面冲击;井间开采扰动导致应力转移并诱发冲击地压,与滞后开采工作面初始冲击强度及推进长度具有密切关系;基于理论与工程实测结果,提出了以弱化矿井间高应力传递的结构链为核心的井间“弱链增耗”防冲技术。为巨厚砾岩层顶板矿井群开采条件下相邻矿井工作面冲击地压发生机理及控制技术的研究提供理论基础。