构造应力场煤巷掘进冲击地压能量分区演化机制

在新建深部矿井,原岩应力区煤巷掘进冲击地压问题日益突出,且现场破坏具有区间性和方位性特征,为揭示这一机制,针对深部构造应力场条件下的煤层掘巷,基于数值模拟和理论分析研究,建立不同掘进速度下围岩弹性能空间分区演化模型,划定能量非稳态释放边界,分析其分布形态与能量特征,结论与现场实际破坏情况较为吻合。研究结果表明:依据弹性能所处状态及变化特征的不同,构造应力场煤巷掘进围岩在空间上可划分为6类区间,顶底板内同时分布能量积聚区和释放区,而巷帮仅存在能量释放区,这与最大主应力的做功特征密切相关。掘进速度增大时,围岩弹性能释放区的走向范围将同时向两端扩展,非稳态释能边界沿走向不断拉长,具有冲击风险的范围不断扩大。构造应力场中,巷帮潜在冲击启动区位于工作面附近,其冲击发生必要条件包括高原岩应力和快速掘进。巷帮和工作面潜在冲击启动区均位于围岩浅部。由于滞后区顶底板能量非稳态释放前积聚水平更高,加上顶板和帮部支护作用,导致底板滞后区冲击破坏强度要大于工作面附近顶底板和巷帮冲击破坏强度。研究结论与构造应力场现实冲击案例较为吻合,对构造应力场煤巷掘进冲击地压监测预警及解危方法的研究具有参考意义。     

巷帮煤体整体滑脱型冲击地压锚杆防冲支护原理及工程实践

冲击地压是目前严重影响煤炭安全有效开采的灾害之一,研究锚杆防冲支护原理和技术对防治巷道冲击地压灾害具有重要意义和价值。通过对巷帮煤体整体冲入型冲击地压发生的地质条件以及破坏特征进行总结分析,认为坚硬顶板与坚硬煤层是此类型冲击地压的重要地质特征,而巷帮煤体整体滑脱是其主要冲击破坏特征。在此基础上,以巷帮滑脱煤体为研究对象,建立了顶板-巷道-底板复合结构体力学模型,建立了巷帮煤体发生水平滑移的极限平衡方程,并对各个参数进行分析。结果表明：由于顶板反弹使巷帮煤体竖直方向压力降低,巷帮煤体被构造应力推入巷道发生冲击地压。基于该发生机制模型,认为目前的锚杆支护设计体系在防治巷帮煤体冲入型冲击地压存在不足,并基于其发生和破坏特征,建立了针对巷帮煤体整体滑脱型冲击地压的锚杆防冲支护设计原则,即将顶和底帮锚杆锚固端分别穿层打入稳定的顶底板内,并使用长锚索取代中部帮锚杆,提供锚杆支护的防冲作用。基于新建立的锚杆防冲支护设计方法,以大屯矿区孔庄煤矿7305工作面防冲支护为工程背景,在宽煤柱段巷帮锚杆支护采取了防冲设计,帮顶、底部锚杆及补强锚索均锚固于顶底板内部,能够有效吸收煤体滑动动能,提高安全性。     

深部巷道应变型冲击地压能量模型及近场围岩供能规律研究北大核心

近场围岩弹性变形能的积聚及突然释放是深部巷道应变型冲击地压发生的本质。为了进一步认识近场围岩能量对冲击地压灾害的作用机理,采用理论分析和数值模拟相结合的方法,建立应变型冲击地压“供能体-冲击体”模型,提出应变型冲击地压发生的能量分阶段作用过程,揭示了不同因素下应变型冲击地压能量源对冲击体的供能规律。结果表明:应变型冲击地压发生过程中,供能体能量占近场围岩系统总能比例与供能体-冲击体刚度比呈负相关;顶底板弹性模量越高,深部煤体供能占比越高,顶底板供能占比越低;冲击深度越大,对应深部煤体供能占比越低,顶底板供能占比越高;在顶底板岩层较硬的条件下,应变型冲击地压的防治在于降低深部煤体储能,减小深部煤体供能;在顶底板岩层较软条件下,应变型冲击地压的防治应加强顶板支护与底板卸压,减小顶底板供能;顶底板岩层是强应变型冲击地压的主要能量源,深部煤体能量对弱应变型冲击起到主导作用。     

深部煤巷急剧底鼓全程力学作用机制及控制原理

针对深部煤巷底板冲击失稳问题,对比分析了软弱与脆硬岩层急剧底鼓的异同,探讨了脆硬岩层急剧底鼓的形成机制、发展全程、控制原理。研究表明:脆硬岩层底板急剧底鼓经历了"形变蓄能-裂变耗能-运移震动-闭锁稳定"4个主要过程,底板结构由"蓄能弓"向"翼形块"转变,伴随底板能量运作模式不断调整改变。采用"支-卸"结合方式,是深部煤巷急剧底鼓较为可行的控制方式。     

悬顶结构下软底板采场冲击地压成因与防控研究

针对软底板的地质条件,在分析采场应力分布特点的基础上,建立了煤层聚能结构和顶板悬臂结构的力学模型。通过对软底板煤层和悬顶附加能量源的力学机制和能量演化过程的分析,得出了软底板破坏诱导强冲击倾向性煤体释放能量是发生冲击地压的根本原因,悬顶结构是加剧冲击地压强度的重要因素,并总结了软底板条件下冲击地压显现特征。根据该条件下的冲击显现特征,从底板帮部卸压、加强围岩稳固性和悬顶结构处理等方面,采取了围岩卸压配合巷道支护的冲击地压防治措施,取得了显著的冲击地压防治效果,保证了安全开采。     

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、导致煤层竖直压力卸载的特性,并与现场监测工程实践进行对比验证。在此基础上,以巷帮煤体为研究对象,建立了顶板-煤层-底板复合结构体的卸载滑移力学模型,通过分析煤块所受水平应力、煤体拉力及煤-顶板和煤-底板结构面摩擦力之间的力学平衡关系,建立了巷帮煤体冲击启动的临界方程,并对各变量的取值进行了讨论。结果显示,开采过程中,悬顶使坚硬顶板向下弯沉,坚硬煤体导致工作面前方和侧方顶板向上挠曲,从而使工作面前方或者侧向煤层垂直压力降低,使得顶底板对煤层夹持作用减弱,巷帮煤体在水平应力作用下,克服顶、底板摩擦力及煤体抗拉力后冲入巷道,形成冲击地压。基于建立的模型,分析了开采深度、顶板强度、弹模和厚度、煤层强度和弹模等控制要素的影响和作用。最后,以唐山矿“8·2”冲击地压和红阳三矿“11·11...     

基于RSM-BBD的煤巷开挖帮部失稳关键因素 与控制技术离散元分析

煤巷围岩是由顶板、两帮及底板组成的整体,帮部强度普遍低于顶底板,是整个巷道围岩的薄弱体,其变形破坏会带来巷道整体失稳。以往大量研究表明,煤巷开挖帮部稳定性主要受煤层埋深、巷道高度、地应力状况、煤体内摩擦角、内聚力及支护强度等设计、地质条件及力学参数类因素影响。本文基于RSM-BBD试验设计与离散元法研究巷帮失稳关键因素及其控制技术。研究结果表明:巷高、侧压系数、埋深可调整余地小,内摩擦角、内聚力、支护强度相对可控,控制巷帮稳定关键在于一定程度上提高煤体内摩擦角、内聚力及支护强度;单一因素及其各自之间交互作用都会影响巷帮稳定性;改善巷帮煤体受力状况,降低主应力差值,提高煤体力学性质,优化掘进工艺水平可有效控制巷帮稳定性;"分次开挖、柔性护表、一次强力支护"理念在现场应用效果良好,显著改善巷帮煤体失稳问题。     

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。     

增量荷载作用下深部煤巷冲击破坏规律模拟试验研究

为研究深部煤巷道围岩应力状态与围岩结构冲击破坏之间的关系,探索深部煤巷冲击地压发生机制,利用设计的可水平和垂直双向增量加载相似模拟试验平台,试验分析了巷道围岩全过程(自掘进至成巷)应力演化及宏观破坏特征,研究了增量荷载作用深部煤巷围岩冲击破坏规律。研究得到:(1)掘进成巷时,巷道围岩体为应力卸荷状态;成巷后,巷道围岩应力开始进入"缓增—快增—缓增"波动阶段;当巷道模型左侧和顶部载荷增加时,围岩变形增大、局部破坏明显,巷道围岩应力开始进入"快增—突变"阶段,巷道发生冲击破坏;冲击破坏后,巷道围岩应力进入"降低—稳定"阶段,与载荷增加前的围岩应力大小相比,顶底板岩层、左帮、右帮浅部等煤体应力基本恢复到冲击破坏前的大小,但巷道右帮煤体深部应力仍处于较高应力状态。(2)深部煤巷围岩冲击破坏与其应力状态呈正相关关系,静载作用下围岩应力呈波动缓增状态,围岩结构破坏不明显;增量荷载作用下,巷道围岩应力呈快增突变状态,局部围岩破坏明显、冲击破坏发生,围岩应力经历了从初始增加到波动增加、再到突变及平衡共7个演化阶段,试验再现了围岩冲击破坏发生的全过程,揭示了冲击破坏发生时的围岩应力突变特征。(3)在山东滕东煤矿3_下113综放工作面开展了工程实践研究,现场实测表明,试验结果基本符合现场实际,验证了本文试验方法及结果的可靠性。基于试验结果,提出优化调整巷道围岩应力时空变化和提高围岩整体性的围岩卸压与补强支护技术方案,为深部煤巷冲击地压防治提供了重要依据。     

深部“三软”煤巷棚-索强化控制机理研究

针对郑州矿区深部"三软"煤巷变形严重,服务期间屡次扩修仍无法稳定的问题,分析了"三软"煤层赋存特点、深部应力环境及巷道失稳原因;提出棚-索强化控制理念,利用锚索提供的支护阻力提高支架的结构稳定性和承载能力,通过支架提供高支护阻力控制蠕变煤体剪胀变形和发挥深部稳定煤体的承载性能,实现支架-锚索-围岩协同承载;并根据力学计算结果指出支架结构的主、次关键强化部位及锚索预应力的合理确定。棚-索强化控制技术在超化煤矿31041运输巷进行应用后,工作面回采影响期间,巷道两帮和顶底板移近量分别控制在300 mm和400 mm以内,有效控制了深部"三软"煤巷围岩变形。     

寺家庄矿煤巷帮顶协同强力支护技术研究

针对以往煤巷围岩控制研究中帮顶协同支护的问题,选取寺家庄矿15117工作面回风巷作为工程背景,综合运用现场调研、围岩地质力学参数测试、理论分析与现场工程实践相结合的方法,研究煤巷协同强力支护技术。研究成果表明,巷道围岩是由顶板、两帮及底板共同构成的整体,两帮一旦发生变形破坏,巷道整体依然会失稳;开挖卸载使得巷道围岩发生变形破坏,协同强力支护技术能够一定程度上改善围岩受力状态,减轻其变形破坏程度。矿压监测数据表明,现场工程实践效果良好,煤巷帮顶协同强力支护技术具有一定的推广应用价值。     

高压水射流钻割一体化防冲机理分析及其数值模拟研究

为了研究高压水射流钻割一体化技术对煤层巷道的卸压防冲效果,以甘肃华亭砚北煤矿2502采区工程地质条件为背景,采用理论分析、数值模拟和现场工业性试验相结合的研究方法,对250203运输巷道受邻近250204工作面回采扰动影响进行了研究。结果表明:对巷帮煤体采取高压水射流冲孔措施后,煤体内的高集中静载将会转移和释放,并形成一定范围的“弱结构”区;巷帮“弱结构”区的存在能够有效降低动静载叠加作用下巷道帮部和底板煤体瞬间失稳冲击破坏。SOS微震系统监测结果表明,对250203运输巷道煤帮实施高压水射流冲孔措施后,其受邻近250204工作面回采扰动影响下冲孔段巷道两帮及底板内均没有大能量微震事件(E≥10^3 J)发生。研究成果为动静载叠加作用下巷道冲击地压防治提供了理论基础。     

基于煤巷两帮基础刚度效应的控帮护巷支护原理

煤层巷道两帮煤体相对顶底板岩层强度低、可变形性强,两帮煤体大变形对巷道围岩整体稳定性有着极其重要的影响。基于煤巷两帮煤体严重变形的工程实际,考虑巷道两帮煤岩体的可变形性,建立了由Winkler可变形基础支承的顶板悬梁力学模型,分析并揭示了顶板的弯矩和挠度分布特征及规律,提出了基于煤巷基础刚度效应的"控帮护巷"支护原理:通过加强两帮支护提高锚固煤体的基础刚度,控帮支护的直接控制两帮煤体的变形和破坏,并进一步通过基础刚度效应改善整个巷道围岩的应力状态,抑制顶底板变形破坏,提高围岩承载能力和稳定性。通过数值模拟分析与现场工程试验,对基础刚度效应和"控帮护巷"原理进行了分析和验证。研究表明:在两帮垂直集中应力作用下,巷帮煤体压缩变形明显,顶板岩层随基础变形而弯曲下沉,两帮基础刚度对顶板变形量影响显著,是顶板变形的关键影响因素;在顶板支护相同的条件下,加强两帮支护不仅使掘进和采动影响期间的两帮的塑性破坏范围和移近量显著缩小,还有效地控制了顶底板的变形破坏情况,是巷道围岩整体稳定性控制的有效途径。研究工作深化了煤巷围岩控制中对巷帮支护重要性的认识,揭示了控帮护巷的支护机理。     

钻孔卸压防治冲击地压机理及影响因素分析

为了防止煤体冲击地压,基于冲击地压应力控制理论,研究了钻孔卸压防治煤体冲击地压机理,推导了钻孔卸压区的边界方程,分析了煤体性质、钻孔直径及应力环境对钻孔卸压区分布的影响。研究结果表明,钻孔形成的弱化带破坏了煤体承载结构,导致顶板岩层与煤体界面内摩擦角与黏聚力大幅降低,大幅降低了巷帮浅部煤体应力,破坏了其发生冲击地压的应力条件;随着煤体黏聚力及内摩擦角的减小、钻孔与工作面距离的减小,钻孔卸压区增大且边界形状由椭圆形变为"X"形;随着钻孔直径的增大,卸压区增大但其边界形状不变。采用该方法进行煤体冲击地压防治钻孔布置参数设计,钻孔卸压使煤柱浅部煤体应力大幅下降,且应力峰值区域向煤柱深部转移,破坏了煤体发生冲击地压的应力条件,从而防治煤体冲击地压的发生,取得了良好的卸压效果。     

高应力全煤尾巷围岩变形破坏机理及控制技术

针对高应力综放工作面瓦斯尾巷围岩稳定性控制难题,综合运用理论分析、数值模拟及现场实测的方法分析围岩变形破坏特征。结果表明:在非采动影响期间,巷道两帮塑性区不断向深部发展是引起顶沉和底鼓的根源;受采动影响时,缺乏超前支护是片帮垮顶的主因。据此提出"支顶-控底-助帮"支护理论及技术,即:在尾巷内布设1排混凝土支柱,给顶板强有力地支撑,并将顶板压力传递至底板以控制底鼓,继而减轻两帮载荷,阻止两帮塑性区向深部扩展;同时,对尾巷起超前支护作用。     

临空留巷底板冲击地压启动区判定与分步防治技术

以山西余吾煤业N2105工作面回采过程中临空留巷底板冲击地压为工程背景,理论分析底板冲击地压可能的冲击启动区及主导应力源,采用数值模拟追踪煤层开挖后侧向煤柱及留巷围岩各向应力、位移的演化过程,建立采空区影响下留巷底板水平应力演化模型并进行验证。基于临空留巷底板冲击地压主导力源判定及能量传递过程分析,提出该类底板冲击地压分步防治关键技术,并进行现场应用。结果表明:煤层开挖后中,临空留巷底板在破坏深度范围内存在"卸压通道"机制,临空煤柱垂直应力不断增长的同时,留巷底板水平应力通过"卸压通道"释放,释放程度与该通道宽度呈正相关。临空煤柱帮内弹性核区为留巷底板冲击地压的冲击启动区,其不断增长的垂直应力为主导载荷源,而非留巷底板水平应力。为阻止该类底板冲击地压发生启动,关键在于削弱采空区侧向顶板压力传递作用及煤柱弹性能积聚水平,弱化留巷底板只能缓和冲击显现强度,非对称支护对留巷围岩变形破坏特征的适应性更强。     

深部煤巷顶板冲击裂变失稳机制及其动力表现型式

冲击矿压85%发生在巷道中,随着开采深度的增加,冲击矿压发生的频次和灾害烈度都急剧增加,深部煤巷冲击矿压灾害防治已经成为一个亟待解决的技术难题。针对深部煤巷顶板冲击裂变失稳机制进行研究,基于弹塑性及断裂力学原理,分析了巷道顶板岩层集力聚能破断失稳机理,推导了巷道顶板冲击裂变失稳的承载、形变及能量条件,阐述了冲击动载作用下复合顶板"层间离层-岩梁开裂-动力震裂"的裂变失稳演化规律。深部煤巷顶板冲击失稳模式与顶板岩梁宏观主控裂隙的发育扩展关联密切,在高静载和强动压的叠加作用下,巷道顶板呈"一横五纵"6条主控裂隙展布发育,各横纵裂隙协同扩展直至汇合贯通,最终形成"门式"震裂块体瞬间推入巷道空间发生冲击破坏。最后揭示了深部煤巷顶板岩层动力破坏失稳的6种表现型式,提出了"顶部桁架锚索+跨中长锚索+顶角斜锚杆"强力联控支护对策。     

千米深井煤巷底鼓特性及控制研究

针对邢东矿千米深井煤巷底板大变形的控制难题,在总结深井煤巷变形机制及支护机理的基础上,分析-980m水平第一联络巷底板变形失稳的主要原因,并结合现场地质生产条件,提出顶帮"锚网梁索"和底板"U型钢反底拱+底板锚杆+混凝土回填"的联合控制技术,并现场应用。现场实践表明,采用该方案45d后巷道变形趋于平稳,顶板最大下沉量47mm,两帮移近量98mm,底鼓量32mm,解决了-980m水平第一联络巷强烈底鼓的围岩控制难题,并为类似巷道围岩控制提供了技术支撑。     

坚硬顶板条件下临空煤柱失稳机制与防治技术

针对忻州窑煤矿11#煤层回采时临空煤柱侧巷道多发冲击地压的现状,在煤岩物理力学性质测试和冲击地压发生规律分析的基础上,通过计算坚硬悬顶下煤柱的受力状态,分析了临空煤柱巷道侧冲击地压的成因和受夹持煤体的冲击失稳过程,根据11#煤层及顶底板条件,制定了利用瓦斯巷开展断顶卸压爆破的解危方案。研究发现,临空侧煤柱的冲击失稳与工作面周期来压具有相关性,强制放顶不到位造成煤柱两侧形成坚硬长悬板,是诱发煤柱冲击失稳的能量来源;断顶卸压爆破可以有效切断坚硬悬板对煤柱的应力传递,电磁辐射、矿压和微震等监测数据显示,断顶爆破后煤帮电磁辐射强度降低约68%,单体液压支柱应力降低约20%,钻孔应力降低约80%,有效降低了煤柱的冲击危险性。     

煤层内高储能释放产生的应力波对冲击矿压的解锁机制探讨

在分析采掘空间周围煤岩体结构中冲击能量储存和释放特征的基础上,建立了煤层内震动应力波传播模型,并对采掘空间附近煤岩结构的破坏失稳进行了数值模拟研究。研究认为,深部储能体能量释放时产生的震动应力波对闭锁体结构产生破坏,使得煤层内侧向约束阻力突然下降,能量释放的通道被打开,煤层冲击危险性增大。相同动载作用下,随着动载施加位置逐渐远离巷帮,近帮煤体拉破坏程度减弱,且煤层内的侧向约束阻力降低程度越来越弱。研究结果在现场冲击矿压防治中得到了很好的应用。