深部煤巷复合顶板冲击失稳机制及联控原理

针对深部高静载及厚硬覆岩破断强动载作用下煤巷复合顶板冲击失稳问题,通过理论分析表明:复合顶板冲击失稳启动条件是岩梁承载、形变及储能能力大幅超限。顶板冲击失稳过程与"一横五纵"模式协同扩展的6条宏观主控裂隙密切相关,致使顶板进入"层间离层-岩梁开裂-动力震裂"的恶性循环甚至瞬间崩落。通过提前使用"顶部高强桁架锚索-顶角斜锚杆-跨中长锚索"进行结构性联控补强,可以抑制顶板冲击失稳。     

煤矿冲击地压与冒顶复合灾害研究

随着煤矿向深部发展,矿井动力灾害既表现出冲击地压的部分特征,又表现出冒顶的部分特征。2种典型的灾害打破以往冒顶与冲击地压的发生具有一种互为逆向性的认知规律,在深部高应力煤巷,特别是留顶煤巷道中出现了相互诱导、复合发生的新灾害类型。在总结山东、山西和新疆矿区典型巷道冲击致顶板(顶煤)动力灾害特征的基础上,提出了深部巷道冲击地压与冒顶复合灾害的概念、机理与分类,指出复合灾害机理关键点在于揭示巷道整体系统和破碎区子系统的稳定原理及其2者间的相互影响。建立了巷道发生复合灾害的力学模型,根据扰动响应失稳判据,提出并得到了巷道发生复合灾害的临界应力Pcr、临界软化区半径ρ_cr和最大容许采扰应力增量σ_max,厘清了灾害发生的主控因素,分析了煤岩冲击倾向指数K、支护强度ps、巷道半径ρ₀、煤岩强度σ_c等对灾害发生的影响规律,同时阐明了围岩塑性软化、破碎深度随地应力增加的发育规律。研究结果表明,破碎发育巷道的动力失稳主体为弹性区、软化区与破碎区构成的不稳定系统,垮落主体为破碎区;稳定的破碎区提升了巷道冲击启动临界值,使其启动难度增大,但破碎区的发育又易引起顶煤垮落;巷道稳定支护是解决复合灾害的关键,科学合理支护既能有效调控围岩破碎防冒,又能提升冲击启动临界值。通过理论研究,揭示了巷道冲击地压与冒顶复合灾害的发生机理,阐明了巷道软化与破碎区及其稳控支护对深部破碎发育巷道动力灾害防治的重要性。     

深井煤巷复合顶板离层发育特征分析

为研究深井锚网索支护煤巷复合顶板离层发育特征,基于刘庄矿5煤层生产地质条件,综合理论分析、数值模拟、现场工程实践等方法,研究了锚网索支护煤巷复合顶板离层发育特征及顶板离层临界值。研究结果表明:复合顶板自稳能力差,浅部区域离层主要出现在层间结构面间,深部离层主要出现在软硬岩层交界面处,回采工作面前方15～20 m范围内巷道顶板下沉速率增长较快,综合锚索索体材料所允许的最大伸长量计算结果、顶板离层考察、巷道矿压显现情况,确定了锚固区内和锚固区外离层临界值。     

千秋矿深部大断面底板煤巷失稳原因治理对策

针对千秋煤矿21141工作面煤层条件,分析了深部大断面煤层巷道失稳是因为埋藏深、地应力高、煤层厚、强度低和煤层倾角大,减弱冲击矿压强度、频率与控制巷道变形是治理煤巷失稳的关键,结合21141工作面实际,提出了深孔爆破卸压治理冲击矿压与锚索补强 拱形可缩36U型钢支架 工字钢横梁 喷浆封闭围岩控制巷道失稳的综合治理对策,解决了深部大断面底板煤巷的支护问题.     

大断面复合顶板煤巷破坏特征及支护策略

以某矿大断面复合顶板煤层巷道为研究对象,结合现场实际生产地质条件和目前支护存在的问题,分析了复合顶板煤巷围岩破坏特征及裂隙发育规律,探讨了大断面复合顶板巷道破坏失稳原因,在此基础上提出了高预应力锚杆锚索组合支护策略。现场实践表明:提出的支护策略对大断面复合顶板煤巷围岩的控制具有良好的效果,能为类似条件的巷道支护提供借鉴。     

回采巷道顶板岩层局部破碎支护设计研究

青洼煤矿主采2号煤层顶板岩层为泥岩和灰岩互层,局部位置裂隙发育充分,顶板岩层破碎,在工作面回采过程中,顶板破碎位置极易产生大变形甚至失稳破坏,从而引发顶板安全事故,为矿方安全生产带来较大的安全隐患。文章以青洼矿2103运输巷为工程背景,提出采用锚杆+锚索+金属网的常规支护方案及NPR恒阻大变形锚索补强支护的方案进行支护,现场试验结果表明,支护效果良好,顶板下沉量最大值仅为256 mm,完全可以满足矿方的安全生产需求。     

深井煤巷煤帮支护技术研究

阐述了煤巷煤帮锚杆支护机理。对邢东煤矿埋深达1 000m的深部煤巷煤帮变形破坏特征进行了数值模拟分析。结果表明,巷道开挖后,围岩破坏是由帮、底逐步向顶板发展的。可见,加强两帮支护对顶板稳定有着重要的作用。矿压观测表明,邢东煤矿深部煤巷采用锚梁网 锚索支护是较为合理的。     

大跨度穿断层软岩巷道顶板非对称破裂机制与控制对策研究

针对大跨度穿断层软岩巷道顶板非对称大变形失稳的工程难题,总结分析原支护条件下巷道变形破坏特征及其主控影响因素,给出基于MATLAB图像处理技术的钻孔裂隙发育程度定量表征方法,模拟研究巷道顶板位移场、主应力场及裂隙场演化规律,揭示巷道顶板渐进非对称破裂机制;根据不同区域巷道变形破坏情况与离散模拟结果,针对性地提出顶板"非对称分区强化控制、减跨控顶支护、破碎围岩分区深浅注浆、强化联合支护"的过断层支护对策,优化支护方案并进行现场应用.研究结果表明:1)巷道顶板破坏深度、变形特点、破裂模式等均呈现明显的非对称变化特征,断层左侧(I区)及右侧(II区)顶板裂隙密度均随巷道表面至深部距离变化呈负对数衰减特点,后者数值较大且降速较快,表明II区顶板整体较为破碎且破坏深度较广,应为重点控制对象;2)巷道开挖至稳定过程中,II区浅部围岩首先发生张拉破坏,并伴随大量裂隙的萌生与扩展,然后左帮顶角位置因应力集中也出现裂隙密集区且逐渐向顶板断层部位延伸,而后顶板表面裂隙均随开挖时间的增加向深部非对称渐进扩展,浅部离层发生并伴随局部块体脱落,顶板发生非对称冒落失稳;3)采用优化支护方案后,顶板最大变形量低于91 mm,较原支护降低了63.89％;浆液与破碎岩体黏结形成复合结构,围岩完整性提高;锚杆受力最大值为81.76 kN,最小值为60.5 kN,分别为屈服载荷的43％和31.8％,基本满足工程需求.     

矿井深部沿空软碎巷道主动支护技术研究

为解决矿井深部沿空软碎巷道支护困难的问题,针对陈四楼煤矿埋深800 m及以下的沿空掘进工作面地质条件和巷道变形破坏特征,通过理论分析、数值模拟,分析巷道失稳破坏原因,提出了"高强度高密度锚杆+高强度锚索钢梁+顶板高强度注浆"的主动联合支护技术。结果表明:通过对沿空掘巷软弱破碎顶板进行高强度注浆,将顶板内的裂隙充填,使软弱破碎的顶板与高强度注浆液胶结成整体,从而提高巷道直接顶板岩层的黏聚力和内摩擦角,增强顶板的整体稳定性和强度;利用"高强度、高预应力、高强度、高锚固点"锚杆以及高强度锚索钢梁对巷道顶板和两帮实行协同支护,有效控制了巷道围岩变形,巷道掘进45 d后围岩变形趋于稳定,顶板下沉量最大为79 mm,两帮位移最大183 mm,保证了巷道安全生产过程中的正常使用。     

淮南矿区深部煤巷变形破坏机制及支护技术

针对淮南矿区开采深度大、构造应力高、地质构造复杂、围岩松软等条件下的煤巷支护难题,系统研究了深部煤巷围岩变形破坏机制,提出帮部在垂直压剪和横向顶拉作用下产生"〈"或"ㄟ"形破坏;底板在两帮压膜效应和远场应力挤压下产生塑性流动,呈"凸"形破坏;顶板在垂直压应力下产生张拉导致顶板岩层破断或失锚,发生""形破坏。在此基础上提出"合理巷道设计源头让压、高预紧力改善应力状态、强化表面支护协调变形、围岩注浆提高承载能力、补强短板形成支护整体"煤巷支护方法、"地质-矿压"信息动态支护设计方法以及支护质量控制体系,形成深部煤巷成套支护技术。工程实践证明,该技术能有效控制深部煤巷的变形破坏,提高支护效能,有助于实现安全经济支护。     

深井强动压作用巷道强化控制技术研究及应用

煤系地层围岩软弱,在高地压作用下开采深部煤层时,由于埋深大使得巷道的围岩变形严重,巷道的顶板及底鼓量均大于浅埋深巷道,导致深部巷道围岩稳定性控制与支护的难度加大,影响顶帮的稳定从而使得整个巷道失去稳定。通过分析巷道变形破坏机理,根据锚杆索支护理论与注浆加固理论制定了“巷道扩刷+顶帮分区耦合强力支护+底角卸压与加固+底板注浆加固、底板锚索束+喷射钢纤维混凝土+顶板与两帮高压注浆加固”的高强度联合支护方案,确定了支护参数,有效解决了深井强动压大变形巷道的支护问题。通过对现场进行监测,巷道变形量明显减小,巷道变形得到了有效控制。为同类条件下的深井强动压巷道的全断面支护问题提供了新的思路和方法。     

综放采场外错布置区段巷道减冲机理与关键技术

针对宽、窄、无煤柱区段巷道防冲存在的问题,提出了沿空巷道外错合理位态减冲设计方法。通过建立覆岩结构模型、底板梁-柱模型,结合现场实测等,分析“应力场特征-减冲”关系、“卸压保护空间尺度-减冲”关系,揭示了外错布置减冲机理。研究成果在华丰煤矿埋深超千米综放采场实施,确定了外错布置沿空区段巷道的合理位态,同步构建了兼顾顶板治理、支护结构减冲、易发火控制、高效掘进及开采、合理验证与预警的系统关键技术,解决了以往沿空巷道防冲难度大、变形大难以控制、难以实现无煤柱开采等相关工程问题。     

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...     

煤厚变异区开采冲击地压发生的力学机制

针对地质构造区域煤层开采容易发生冲击地压的情况,建立了煤岩组合体力学模型,研究了煤厚变化对超前支承压力分布特征和能量演化规律的影响,揭示了煤厚变异区煤层开采冲击地压发生的力学机制。研究表明:煤厚变薄区的原岩应力比变厚区大,煤厚减小率或岩煤弹性模量比越大,应力变化梯度越大;工作面由厚向薄回采,超前支承压力呈"双峰值"分布,而工作面由薄向厚回采,超前支承压力呈"单峰值"分布;冲击地压发生时,工作面由厚向薄回采,第2峰值应力区内形成高能区会阻碍能量向煤壁深部传递,产生的冲击能量将主要向巷道或工作面临空面释放,而工作面由薄向厚回采,冲击能量可向煤壁深部转移,冲击影响范围小。现场案例分析及工程实践表明,工作面由薄向厚回采更有利于防冲。     

倾斜薄煤层切顶巷预裂顶板防治冲击矿压技术研究

针对倾斜薄煤层坚硬顶板型冲击矿压灾害的预防及控制问题,提出了切顶巷预裂顶板防治冲击矿压技术。采用理论分析、相似模拟、微震监测等研究方法,分析研究了切顶巷预裂顶板防治冲击矿压机理、切顶巷控制顶板破断减弱煤层应力集中的效果,并对切顶巷布置参数进行了优化。研究结果表明：切顶巷在坚硬顶板中形成了预裂弱化区域,工作面回采过程中,坚硬顶板因预裂弱化而破断步距减小,切顶巷控制了坚硬顶板的来压步距;同时减小了煤体应力集中,单个切顶巷区域,应力最大降幅可达29.4%,两个切顶巷协同作用时,应力最大降幅可达49.7%;同时在切顶巷预裂弱化作用下,矿震向工作面中下部转移,减弱了动载与工作面上部静载的叠加效应,有效降低了冲击危险。切顶巷间距应小于基本顶周期来压步距,按容许的来压步距在需要顶板预裂的区域进行成对布置,但其间距不宜小于10 m。     

基于震波CT探测的宽煤柱冲击地压防控技术

针对深井区段煤柱冲击地压易发、多发、难防治的难题,以某矿1301工作面80 m区段宽煤柱冲击地压为例,利用数值模拟及微震数据分析,研究了宽煤柱冲击地压致灾机制,采用震波CT原位探测技术评估了宽煤柱区域内冲击危险性,并提出针对性防治方案。结果表明:3号煤层具有弱冲击倾向性,顶板岩层具有强冲击倾向性,已具备发生冲击地压的内在条件,高自重应力、强构造应力提供了基础静载荷,采空区侧向支承压力提供了增量静载荷,当两者叠加导致垂直应力超过冲击临界支承压力时,为宽煤柱静载荷冲击地压的发生提供了力源条件;震波CT原位探测技术以穿透煤岩体的实际震动波射线进行波速反演,反映煤岩体静载荷分布特征及结构特性,建立了以波速异常系数CA和波速梯度系数CG为主要因子的冲击地压危险性评估模型;鉴于宽煤柱冲击区域采掘空间实际条件,设计布置近完全观测系统观测方式,采用震波CT原位探测技术反演评估得到宽煤柱测区内冲击危险指数C=0.5~0.7,表明冲击发生后,宽煤柱仍然存在静载荷集中区域,具有中等冲击危险,并且运输巷侧冲击危险指数较采空区侧高,表明煤柱应力由采空区侧向运输巷侧转移,局部区域煤体破碎易冒顶片帮;制定了基于静载荷疏导的多层次防冲技术:大直径钻孔预卸压转移巷帮集中应力,耗散弹性应变能,确定合理日进尺为2.4 m,降低开采扰动,巷道全断面补强支护,提高围岩抗冲击能力;通过上述措施,现场监测宽煤柱煤体应力未发生突增,微震能量及频次变化平缓,1301工作面已安全回采宽煤柱区,防治效果显著。     

深部盘区巷道群集中静载荷型冲击地压机理与防治

针对深部矿井,盘(采)区巷道群屡次发生冲击地压这一问题,以我国新建千米深井盘区巷道群冲击地压发生为背景,理论分析了巷道群无动载诱发冲击启动的机理与防治方法。结果表明,巷道底煤的厚度对底板水平应力集中影响较大;褶曲构造带也显著影响巷道群应力环境;巷道底臌量与底板释放动载荷量值、底煤厚度均成正相关关系;深部煤层巷道群冲击启动原理,是巷道群自身应力叠加在巷间煤柱,提供了基础静载荷;灾害发生地段底煤厚度以及褶曲构造影响,提供了时机静载荷,2者叠加导致巷间煤柱垂直载荷超过了临界值,同时底板煤体承受的载荷超过了其极限承载力;深部煤层巷道群冲击地压属集中静载荷型,采用基于集中静载荷疏导的深孔区间爆破法可防治冲击地压灾害。     

煤层巷道蝶型冲击地压发生机理猜想

根据巷道围岩蝶形塑性区理论,分析了巷道围岩蝶形塑性区蝶叶瞬时急剧扩展的突变特征,提出了煤层巷道蝶型冲击地压发生机理猜想,认为煤巷冲击地压是由于巷道围岩蝶形塑性区的蝶叶瞬时爆炸式扩展引起的,阐明了该类型冲击地压形成、演化及发生的力学本质和物理过程。提出了蝶叶突变型冲击地压发生的必要与充分条件,建立了煤层巷道冲击地压判定准则,合理解释了巷道顶板冲击、底板冲击、煤帮冲击等不同类型的冲击地压发生机理。该猜想能够预见巷道冲击地压发生时必然产生至少1个、最多4个巨大的蝶叶塑性区的未知现象,可以获得煤巷冲击地压危险性评价和预测的关键指标和可测参量。     

窄高水材料巷旁充填沿空留巷围岩偏应力演化及控制

为了解决高水材料窄巷旁充填沿空留巷围岩破坏严重及难以控制的问题,以登茂通公司2202综采工作面1.4m窄高水材料巷旁充填沿空留巷为工程背景,基于实验室实验测试了水灰比为1.6∶1高水材料的强度特征,通过数值模拟及现场工程试验研究了高水材料窄巷旁充填沿空留巷围岩偏应力分布规律及其失稳破坏机制。结果表明：①随着超前工作面距离的不断增加,偏应力峰值带位置逐渐发生偏转,偏应力峰值大小逐渐减小,越靠近工作面采动影响越剧烈|②超前工作面40m范围内的巷道围岩偏应力峰值带主要集中在巷道右上肩角与左下肩角,超前工作面距离大于50m时的围岩偏应力峰值带主要集中在巷道顶底板围岩深部处,且近似呈对称状分布|③工作面回采且留巷完成后,留巷围岩偏应力峰值主要集中于实体煤帮与实体煤侧顶板处,支护时需保证锚索杆体穿过实体煤帮及顶板围岩偏应力峰值带位置。基于此提出高水材料窄巷旁充填沿空留巷围岩采用“顶板全锚索支护+巷内三排单体支柱+实体煤侧补强锚索加固+巷旁高水材料充填墙”对拉预紧锚杆并辅以单体柱护墙+采空区侧单体柱撑顶并辅以锚杆加固顶板的分区域非对称综合控制技术,通过现场工程实践证明了留巷围岩控制技术的合理性,保障了高水材料窄巷旁充填沿空留巷的稳定性。