煤矿深部开采煤岩动力灾害多尺度分源防控理论与技术架构

煤矿进入深部开采后,煤岩体物性、应力、瓦斯等因素发生显著改变,开采覆岩扰动范围及动静载荷显著增大,矿井群联动致灾效应与大型地质体控制效应显现,冲击地压、煤与瓦斯突出灾害并存甚至相互转化,煤矿深部开采煤岩动力灾害防控已成为当前亟待解决的问题。针对我国煤矿深部煤岩动力灾害孕灾条件复杂且尚不清楚,相互转化机制不清,快速探测手段、科学有效的防控技术与装备缺乏的现状,凝练了深部开采煤岩动力灾害防控的关键科学技术问题,提出了多尺度分源防控深部煤岩动力灾害的思想,确定了深部开采煤岩动力灾害防控技术的攻关方向,构建了煤矿深部开采煤岩动力灾害多尺度分源防控理论与技术架构,最终将形成我国煤矿深部开采煤岩动力灾害多尺度分源防控理论与技术体系,为我国煤矿深部开采冲击地压、煤与瓦斯突出和复合煤岩动力灾害有效防控提供理论支撑和技术途径。     

“煤矿深部开采煤岩动力灾害防控技术研究”专题编者按

随着我国浅部煤炭资源的逐渐减少甚至枯竭,地下开采深度的逐渐延伸,越来越多的矿井将面临严峻的深部开采煤岩动力灾害问题。如何有针对性地开展防控深部开采过程中遇到的冲击地压和煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害事故,是摆在科研和生产工作者面前的难题。鉴于此,国家在“十三五”期间,将“煤矿深部开采煤岩动力灾害防控技术研究”列入国家重点研发计划项目,重点对煤矿深部开采条件下的冲击地压、煤与瓦斯突出和复合煤岩动力灾害的危险性探测、防控机理和防控技术开展研究,本期第1~11篇论文基于该项目两年来的主要研究成果,从材料失稳角度研究了冲击地压的触发判据和从结构失稳角度研究了冲击地压的孕灾机制;系统研究了采掘巷道冲击危险性的探测与支护技术;从理论和数值模拟上研究了煤矿深部开采卸荷消能与煤岩介质属性改造协同防突机理和深部矿井冲击地压、瓦斯突出复合灾害发生机理等。本期“煤矿深部开采煤岩动力灾害防控”专题是上述成果的集中展示,希望有益于促进我国煤矿深部开采煤岩动力灾害的防控。     

煤与瓦斯突出、冲击地压复合动力灾害一体化研究

随着煤矿向深部开采,一些矿井动力灾害既表现出煤与瓦斯突出的部分特征,又有冲击地压的部分特征,2种动力灾害互为共存、互相影响、相互复合,难以界定为单一灾害类型,为此提出煤与瓦斯突出、冲击地压复合动力灾害的概念。通过复合动力灾害一体化理论研究,揭示了复合动力灾害发生的统一机理,据此建立了统一失稳判别准则;基于现有动力灾害分类所存在问题,将动力灾害划分为4种类型,在此基础上,针对矿井复合动力灾害类型创新研发了钻屑法多指标一体化检测及煤体温度、煤体电荷实时连续监测设备,形成了复合动力灾害一体化分类分级预测技术;同时,提出了瓦斯抽采、深孔爆破断顶-破煤-断底卸压、煤层注水等消减瓦斯内能、释放煤岩弹性能的复合动力灾害一体化防治技术。     

冲击地压耦合的煤与瓦斯突出防治技术

基于对冲击地压耦合的煤与瓦斯突出发生机理的认识,通过逆向改善发生煤岩瓦斯耦合型动力灾害的材料属性条件、环境应力强度条件、触发动力条件及瓦斯地质条件和开采扰动条件,实现冲击地压耦合的煤与瓦斯突出的防治。     

深井煤岩动力灾害的连续卸压开采防治机理

深井煤岩动力灾害的防治理论与技术一直是煤矿安全开采领域的重要研究方向之一,但一直没有取得重大突破。基于目前我国煤矿深部开采面临的煤与瓦斯突出、冲击地压、巷道围岩大变形、承压水开采等重大灾害现状,聚焦煤与瓦斯突出以及冲击地压,借鉴煤与瓦斯共采的卸压开采机理,提出了卸压开采防治煤与瓦斯突出以及冲击地压的机制。展望了深部动力灾害控制的研究方向,认为现场试验、物理模拟、数值模拟和虚拟现实相结合的系统研究是研究深部动力灾害控制的有效手段和途径。     

动力扰动诱发煤层大巷冲击地压机理及其防控技术

为了提高深部矿井煤层大巷冲击地压动力灾害防控效果,基于高家堡煤矿冲击地压灾害发生特点与工程地质条件,通过动静载组合控制煤岩动态破坏的普适性理论方法进行探究,揭示了高家堡煤矿煤层大巷冲击地压致灾机理,明确了动静载复合应力场动力灾害防控途径.在此基础上,考虑煤层大巷服务年限长、 围岩应力集中程度高等特点,结合动力扰动诱发大...     

我国煤炭开采中的冲击地压机理和防治

总结了我国煤矿冲击地压灾害发生的特点,分析了冲击地压、岩爆和矿震之间存在的联系和区别,建立了煤矿冲击地压的3种力学模型:材料失稳型冲击地压、滑移错动型冲击地压和结构失稳型冲击地压。提炼出煤炭开采中的冲击地压研究需要解决的4个方面的科学问题:地质赋存环境对冲击地压的作用机制及量化分析方法、深部断续煤岩体的变形破坏规律和工程动力响应特征、采动应力分布和能量场的时空演化规律与多因素耦合致灾机理、煤矿冲击地压的监测预警与防治方法,总结归纳了近年来我国在冲击地压机理与防治技术方面的研究成果以及存在问题,指出了今后我国煤矿提高冲击地压防治水平的努力方向。     

煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出转化机制

采用理论分析和案例分析等方法对煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出两类灾害在诱导瓦斯异常涌出方面的关系进行研究。通过分析得出冲击地压和煤与瓦斯突出诱发转化机制,为今后判断煤岩动力灾害的类型提供理论依据。     

湖西矿800m深井冲击倾向性试验及防治对策研究

冲击地压是一种特殊的矿山动力现象,而冲击倾向性是煤岩体发生冲击地压的内在因素和必要条件。本文对湖西矿主采煤层进行了煤岩冲击倾向性试验研究,对冲击能量指数、弹性能量指数和动态破坏时间三个煤层冲击能量指标,以及弯曲能量指数的岩层冲击能量指标进行了试验和分析,获得该矿深部煤岩冲击倾向性评判结果,在此研究基础上,提出了湖西煤矿未来深部开采时冲击灾害防治对策。     

深部冲击地压煤层开采有新技术

山东新汶矿业集团华丰煤矿利用“深部大倾角冲击地压煤层放顶煤开采技术”,使深部冲击地压条件下的煤层得以安全开采。华丰煤矿采深已超过1000m,冲击地压成为影响矿井安全生产的主要因素之一,而“深部大倾角冲击地压煤层放顶煤开采技术”使冲击地压对矿井的生产影响降到最低。该技术采用国际先进的岩石破坏过程数值分析软件,对深部开采、放顶煤开采与冲击地压的关系进行数值研究利用。在支护方式上,采用在放顶煤浅处支设连续顺托梁的措施,有效控制了顶煤失稳现象,采场支承压力的影响范围明显增大、峰值应力明显降低,改变了煤体的应力状态,煤…     

深部冲击地压煤层开采新技术

山东新汶矿业集团华丰煤矿利用“深部大倾角冲击地压煤层放顶煤开采技术”,使深部冲击地压条件下的煤层得以安全开采。华丰煤矿采深已超过1 0 0 0 m,冲击地压成为影响矿井安全生产的主要因素之一,而“深部大倾角冲击地压煤层放顶煤开采技术”使冲击地压对矿井的生产影响降到最低。该技术采用国际先进的岩石破坏过程数值分析软件,对深部开采、放顶煤开采与冲击地压的关系进行数值研究利用。在支护方式上,采用在放顶煤浅处支设连续顺托梁的措施,有效控制了顶煤失稳现象,采场支承压力的影响范围明显增大、峰值应力明显降低,改变了煤体的应力状…     

深部矿井冲击地压、瓦斯突出复合灾害发生机理

为了探索深部矿井冲击地压、瓦斯突出复合灾害机理,为复合灾害的有效监测与防治提供理论基础,通过试验研究和理论研究相结合的研究方法,研究了瓦斯对煤岩体力学性质和冲击倾向性的影响,建立了圆形巷道冲击地压、瓦斯突出复合灾害模型并进行了解析分析,探讨了冲击地压和煤与瓦斯突出的诱导转化机理。结果表明:随着瓦斯压力的增大,煤岩体强度降低,弹性模量减小,峰值应变减小,冲击倾向性降低;煤岩体应力存在一个临界值,当煤岩体应力超过临界煤岩体应力时,系统失稳发生冲击地压、瓦斯突出复合灾害;冲击地压、瓦斯突出复合灾害的临界煤岩体应力随瓦斯压力的增加而减小,随煤岩体强度的增大而增大,随冲击倾向性的增大呈现先减小后增大的趋势;冲击地压诱导瓦斯突出多发生在煤岩体中存在含气封闭断层等储气构造或煤层底板含有高弹性模量岩层(夹层)等情况,瓦斯突出诱导冲击地压多发生在软硬煤相间、相互包裹的煤层或突出过程中破碎煤岩体的抛出形成较大的空顶面积等情况。     

矿区煤岩动力灾害内在关联性分析

通过鹤岗矿区南山煤矿生产面利用电磁辐射技术对煤岩动力灾害进行预测、预报,分析煤与瓦斯突出与冲击地压的内在关联并现场验证,为煤岩动力灾害的防治提供理论依据及预报方法.     

深部开采复合型煤与瓦斯动力灾害的认识

煤与瓦斯突出和冲击地压灾害并存的煤矿进入深部开采后,灾害问的相互作用和诱导比较明显.通过分析平煤十矿"11.12"煤与瓦斯动力灾害的成因,阐述了平煤十矿存在的煤与瓦斯突出、矿震、冲击地压和岩爆4种单一煤岩动力灾害类型,对单一型灾害在深部演化为复合型煤与瓦斯动力灾害的基本条件和成灾模式进行了探讨,总结出发生复合型灾害的物质条件、动力条件和构造条件,认识到3种成灾模式.     

煤层突出与冲击耦合致灾机理与事故分析

针对深部高瓦斯、高地应力煤层冲击地压与突出独立发生或耦合致灾的动力灾害形式,通过微细观数值试验、瓦斯力学特性及冲击倾向性实验及理论研究,对深部松软低透气性煤层低指标压出、冲击地压及耦合致灾机理进行了分析,结合具体掘进迎头动力失稳现象,基于能量失稳判据,分析了前方煤体失稳形态及动力条件,为下峪口深部高瓦斯2#煤层巷道掘进综合防突(冲)及预测预报提供理论依据。     

鄂尔多斯深部矿区冲击地压防治思考

根据国家能源西进战略,鄂尔多斯矿区近年来新建了部分深部矿井,由于缺乏深部开采经验,其在矿井建设阶段未充分考虑冲击地压因素,导致矿井在开采过程中面临冲击地压灾害。通过对鄂尔多斯深部矿区冲击地压显现现场调研,分析了其冲击地压影响因素,提出了鄂尔多斯深部矿区冲击地压研究方向。鄂尔多斯深部矿区受开采深度、煤岩冲击倾向性、顶板特性、区段煤柱以及高强度开采等因素的影响,矿井面临冲击地压灾害。在借鉴中东部深井冲击地压灾害防治的基础上,该矿区冲击地压研究工作取得了一定成果,但仍应在成煤规律、覆岩运动、顶板疏放水诱冲、保护层开采、超大工作面冲击规律以及坚硬煤层卸压等方面进一步研究,从而实现鄂尔多斯深部矿区冲击地压灾害的科学防治。     

深部矿井煤岩瓦斯动力灾害鉴定

矿井进入深部开采后,动力灾害发生机理更趋复杂,采用传统煤层突出危险性鉴定方法具有局限性。针对千米深井试验区情况,采用单项指标法对13-1煤层进行突出危险性鉴定,13-1煤层首采区经鉴定为非突出煤层;该煤层具有强烈冲击倾向性;试验矿井灾害防治不仅要考虑瓦斯治理,还要考虑冲击地压防治。     

《煤炭科学技术》安全技术及工程栏目征稿启事

＂安全技术及工程栏目＂主要刊登以下内容：①煤矿瓦斯灾害防治技术。主要报道瓦斯地质和赋存规律、瓦斯爆炸机理及防治技术、煤（岩）与瓦斯突出机理、突出和冲击地压耦合的动力灾害、煤岩动力灾害预测指标及技术、煤层瓦斯渗透率的提高方法、煤层瓦斯抽放技术、     

煤层注水在矿井深部开采灾害防治中的应用

煤层注水在矿井深部开采灾害的防治中发挥着积极作用,煤层注水能够减少煤尘产生,预防煤与瓦斯突出,防治冲击地压和煤层自然发火,降低工作面温度,提高放顶煤效果,改善井下作业环境。分析了煤层注水的作用机理,通过在千秋煤矿开展煤层注水的工程实例,结合数据分析验证了煤层注水的重要作用。     

我国煤炭深部开采冲击地压特征、类型及分源防控技术

我国煤炭资源大规模步入深部开采,深部开采冲击地压事故频繁发生,为了厘清深部开采冲击地压特点、启动类型以及防治与浅部开采的区别,为深部开采防治冲击地压提供理论与技术指导,以我国煤炭资源深部开采冲击地压特征研究为切入点,从诱发冲击地压的载荷源角度,结合工程实例,建立力学模型,研究提出了我国深部开采冲击地压的3种类型,最后提出了深部开采巷道冲击地压动静载荷分源防控方法。结果表明,我国煤炭深部开采冲击地压特征总体表现为因基础静载荷充足,发生门槛降低,冲击显现位置点多面广,发生原理隐蔽性、自发性、时滞性占比大,防治范围扩大,应力恢复快,高强度、长时效卸压要求突出;将我国煤炭深部开采冲击地压划分为3种类型,即深部动静载叠加型、深部高静载加载型、深部高静载卸荷型。深部动静载叠加型,因深部煤炭资源高地压环境,与浅部相比,较高的基础静载荷获得微动载扰动、叠加可发生冲击地压。深部高静载加载型冲击地压,其静载荷缓慢对极限平衡区加载过程冲击是材料失稳,导致工程结构体结构动力失稳的结果,而深部高静载卸荷型冲击地压,其高静载荷最小阻抗带减小,静载荷卸荷过程是围岩结构稳定性遭到破坏,导致工程结构体材料动力失稳的结果,2者存在本质差别;深部冲击地压防控与常规浅埋冲击地压防控,差别在于基础静载荷充足,增量顶板等动载荷来源复杂,冲击危险区域基础静载荷获取增量静、动载荷门槛降低,因此必须高强度、长时效实现静、动载荷源分源防控,阻止诱发冲击地压的载荷条件形成;在动静载荷分源防控指导思想下,针对顶板动载荷源,开发了顶板"钻-切-压"一体化技术,深度弱化顶板,消除顶板动载源;针对巷道两帮垂直应力集中,开发了煤层一次成孔300 mm超大直径无人钻孔技术,高强度、长时效疏导煤体垂直应力;针对巷道底板高水平应力,开发了巷道底角联排桩基,高强度切断水平应力,阻止底板冲击滑移等技术,现场应用效果良好。