坚硬顶板多层煤开采动力灾害治理研究

以鹤岗矿区富力煤矿62184工作面为背景,开展了坚硬顶板多煤层开采动力灾害(矿震和矿震诱发的冲击地压)治理技术研究。根据已发生的多次冲击显现分析了坚硬顶板多层煤开采条件下冲击地压发生原因。根据微地震监测数据确定了对工作面冲击危险产生主要影响的坚硬岩层。提出从降低静载荷、削弱动载荷、增强抗冲能力、完善冲击危险性监测预警4个方面开展针对性的冲击地压综合治理工作,以此为依据制定的冲击地压防治措施在现场施工后起到良好效果。     

冲击地压应力波作用机理

针对动载扰动下大型冲击地压的发生及演化过程难题,分析了采场动载应力波的产生机制,研究了动载应力波与静载耦合作用下煤岩体冲击破坏规律,从应力波的产生、传播与致灾过程详细解释了大型冲击地压演化机理。研究结果表明,采场高位坚硬顶板断裂与深部应力集中区煤体破断所产生的动载应力波幅值随着煤岩体强度增大而升高,应力波持续时间随着破断尺度增大而增大,说明在煤矿开采过程中,顶板或煤体强度越高、破断尺度越大,越容易产生大能量的动载应力波;动静载耦合冲击破坏实验结果证实,高静载、高动载应力波、静载与应力波耦合加载条件均能使煤岩体发生冲击破坏,且随着轴向静载的增大,试样发生冲击破坏所需的临界动载应力波强度先增大后减小,其上升段与下降段的分界点约为单轴抗压强度的50%。当静载达到该临界点时,煤体发生冲击破坏所需的动载应力波强度急剧减小,说明高地应力环境煤岩体受到动载应力波的影响更为显著;现场大尺度模拟分析表明,动载应力波作用下,采场煤岩体塑性破坏区范围逐渐增加并主要集中在巷道两侧,且随着应力波幅值和持续时间增加,塑性破坏区范围不断扩大;研究提出了冲击地压应力波作用机理:动载扰动下冲击地压是静载、动载应力波与煤岩体结构耦合作用的结果,采场煤岩体大尺度破断产生高能量动载应力波,应力波与地应力耦合作用导致采掘空间围岩发生大范围破坏,最终形成冲击地压灾害。     

利用矿震诱发冲击地压力学机理预判工作面动力灾害危险区

在复合厚煤层中容易发生矿震诱发冲击地压型的矿山动力灾害,厚层坚硬岩层中水平应力突变是诱发矿震的主要原因,煤层附近垂直应力突变是诱发冲击地压的主要原因,根据矿震诱发冲击地压力学机理对工作面危险区进行划分就尤为重要。     

综采工作面断层区域冲击机制及控制对策研究

针对深井综采工作面断层区域冲击灾害频发的现状,研究了断层区域力学作用机制,提出动静载叠加诱发冲击的原理。数值分析了综采工作面断层区域动静载叠加对巷道的冲击破坏效应,结果表明:工作面断层区域的高静载与矿震产生的高动载叠加,促使煤岩体所受应力超过其强度极限而发生失稳破坏;断层区域顶板断裂幅频中的主频成分主要分布在0~40 Hz。分析制订了冲击危险的控制对策,保证综采工作面断层区域安全回采。     

开滦矿区深部冲击地压显现规律及其主控因素的探讨

 摘要：本文对开滦矿区唐山矿和赵各庄所发生的冲击地压事故进行了统计分析,阐述了开滦矿区深部冲击地压灾害的显现特征,并探讨了开滦矿区深部发生冲击地压的诱因,认为构造应力、煤岩体物理力学性质、开采深度和开采技术条件是开滦矿区深部冲击地压发生的主控因素。另外,通过对开滦矿区冲击地压的诱因分析并结合开滦矿区深部实际情况,提出了治理开滦矿区深部冲击灾害的合理措施。     

煤矿冲击矿压动静载叠加诱发原理及其防治

煤矿冲击矿压动力灾害日趋严重,且浅部也出现了该现象。理论研究了动载与静载叠加诱发冲击矿压的能量和应力条件,系统地提出了动静载叠加诱发冲击矿压的原理,并分析了煤矿动静载特征,根据应变率对煤矿载荷状态进行了界定,试验研究了煤岩力学特性与应变率的关系以及动静叠加作用下煤的破坏形态。结果表明：随着应变率增大,煤岩强度、弹性模量呈指数关系增大,当静载占比较大时,煤岩呈剪切破坏;当动载占比较大时,煤岩呈现劈裂甚至爆裂破坏。当动静叠加接近煤岩强度时,单轮或多轮动载作用可诱发煤岩冲击破坏;当动静叠加远小于煤岩强度时,多轮动载虽然能使煤岩产生损伤但难以诱发冲击破坏。动静叠加诱发冲击矿压表现为2种类型：① 高静载型,深部开采时,围岩静载较高,矿震产生的微小动载增量可使叠加载荷超过煤岩冲击破坏临界而诱发煤岩冲击破坏;② 强动载型,浅部开采时,围岩静载较小,强矿震的冲击动载较大,叠加载荷超过煤岩冲击破坏临界导致煤岩冲击破坏。基于冲击矿压的动静载叠加诱发原理,讨论了冲击矿压监测及防治思路和方法。     

煤矿冲击矿压动静载叠加原理及其防治

煤矿冲击矿压动力灾害日趋严重,且浅部也出现了该现象。理论研究了动载与静载叠加诱发冲击矿压的能量和应力条件,系统地提出了动静载叠加诱发冲击矿压的原理,并分析了煤矿动静载特征,根据应变率对煤矿载荷状态进行了界定,试验研究了煤岩力学特性与应变率的关系以及动静叠加作用下煤的破坏形态。结果表明:随着应变率增大,煤岩强度、弹性模量呈指数关系增大,当静载占比较大时,煤岩呈剪切破坏;当动载占比较大时,煤岩呈现劈裂甚至爆裂破坏。当动静叠加接近煤岩强度时,单轮或多轮动载作用可诱发煤岩冲击破坏;当动静叠加远小于煤岩强度时,多轮动载虽然能使煤岩产生损伤但难以诱发冲击破坏。动静叠加诱发冲击矿压表现为2种类型:1高静载型,深部开采时,围岩静载较高,矿震产生的微小动载增量可使叠加载荷超过煤岩冲击破坏临界而诱发煤岩冲击破坏;2强动载型,浅部开采时,围岩静载较小,强矿震的冲击动载较大,叠加载荷超过煤岩冲击破坏临界导致煤岩冲击破坏。基于冲击矿压的动静载叠加诱发原理,讨论了冲击矿压监测及防治思路和方法。     

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。     

大同矿区冲击地压综合防治体系评价及优化

以大同矿区坚硬煤岩体条件下浅源冲击地压为主要研究对象,调研分析了大同矿区冲击地压的显现特征。通过对煤岩体性质、地质条件、多煤层开采技术条件等进行分析,探讨了各影响因素对大同矿区冲击地压发生的影响。结合忻州窑矿冲击地压发生实例,分析了不同因素组合情况下的冲击地压发生情况。同时,介绍了大同矿区冲击地压危险区域的划分、监测预警和综合解危实践,对大同矿区冲击地压综合防治体系进行了评价和优化。     

冲击地压危险区域及其等级动态识别技术及应用

采用冲击地压预警理论、采矿学、地球物理学、软件工程、智能识别等多学科相结合的研究方法,通过融入智能预警模型及算法,搭建了"矿震能量场时空监测和风险智能辨识系统",包含矿震时域分析、空间域分析,特别是包含危险区域云图、智能分析报表等功能模块。多年研究应用表明,该系统可以有效解决目前冲击地压面临的3个难题,通过提早精准识别冲击地压危险区域,提前采取解危措施进行人工干预冲击地压孕育历程,为鹤岗矿区冲击地压的预警和解危措施实施提供了有效依据。有效防治了鹤岗矿区的冲击地压灾害。该技术成果的应用显著提高了矿井对冲击地压的预警、防治、效果检验水平,具有广阔的推广前景和应用价值。     

关键层运动诱发矿震的微震探测初步研究

采用微地震定位监测技术对华丰煤矿关键层运动诱发矿震进行了研究.根据岩体在三维空间的破裂成像，得出：可以依据微震破裂事件的空间分布对关键层进行划分；开采6，4层煤均引起了主关键层砾岩的破裂，砾岩破裂位置的发展顺序在倾向上逐渐向实体煤扩展，在高度上先从下部开始；冲击地压显现地点不一定是矿震震源发生地点；统计观测的结果表明：部分砾岩断裂导致了矿震发生，大约50％的矿震是由于关键层的破裂引起的，只有个别矿震导致了冲击地压显现，说明了矿震与冲击地压的区别.展示了冲击地压产生原因的多样性及复杂性，提出了应根据不同的产生原因进行冲击地压防治的思路.     

我国煤矿顶板运动型矿震及诱发灾害分类、预测与防控

针对我国煤矿顶板运动型矿震及诱发灾害频发的现状,采用现场调查、理论分析、现场监测等方法,对顶板运动型矿震及诱发灾害发生机制、预测和工程分类技术进行了研究,得到以下主要结论：(1)基于关键层运动模式将顶板运动型矿震分为关键层断裂型、关键层回转型和关键层滑移型3类矿震,建立了基于“关键层运动状态”的顶板运动型矿震的能量预测模型,分别提出了3类顶板运动型矿震能量的计算方法;(2)基于顶板运动型矿震诱发井下和地面灾害机制,建立了顶板运动型矿震诱发井下冲击地压和地面建筑物震动损害的一体化力学模型和评估方法,为煤矿顶板运动型矿震诱发灾害的预测提供了基础;(3)提出了分类防控、源头减震、吸能抗震协同防控顶板运动型矿震的理念,形成了以低矿震能量、低围岩密度和高抗震能力为基础的煤矿顶板运动型矿震及诱发灾害防控体系,开展了地面直井压裂源头防控顶板运动型矿震的技术试验研究;(4)根据工作面在压裂区开采期间的矿压显现和相似材料模拟试验结果,大范围压裂措施能够降低大能量矿震发生频次,但也可能改变关键层运动模式,甚至增大井下矿压显现强度。     

基于动静载冲击地压危险叠加的综合预警方法

冲击地压是在煤岩体内动静载叠加下超过其极限应力条件下诱发产生的,因此综合评价研究区域内动静载水平可高效评估其冲击危险程度。本文研究了矿震震动波传播过程中能量衰减特性,特别讨论了由大尺度破断引起的强矿震衰减特征,提出了以实时微震监测数据为基础的震动效应指数(SEI),用于定量评价矿震事件群对工作面附近煤岩体引起的动载扰动程度;将震动效应指数与震动波波速层析成像技术结合,基于动静载叠加原理建立了冲击危险性的综合预警方法及指标CAI。徐庄煤矿7197工作面工程应用表明:1)震动波波速层析成像结果可较准确评价由构造应力异常和工作面结构引起的静载应力集中,难以有效评估由动载引起的冲击危险性升高;2)震动效应指数描述了工作面回风巷侧和断层区域动载扰动引起冲击危险上升;3)综合预警指数CAI所反映的较高冲击危险性区域与强矿震分布及矿震活动集聚区域有较高程度吻合,验证了CAI评价指标的可靠性。论文研究可为冲击地压灾害监测预警提供依据及参考。     

冲击地压的防治

一、前言冲击地压是由于煤岩体内弹性变形能的突然释放而产生的一种以急剧，猛烈的破坏力特征的动力现象。它是煤矿中威胁工人生命安全与井下设施的一大灾害。我国煤矿发生冲击地压的最早记录是1933年发生于抚顺胜利矿，此后随着开采深度的增加和开采范围的扩大，北京、枣庄、开滦等矿区也相继发生了冲击地压。据不完全统计，我国目前已有33对矿井发生了不同程度的冲击地压，冲击次数达二千多起，伤亡数百人，破坏巷道20多Km。我国煤矿冲击地压的始发深度为200～400m，煤的单轴抗压强度为10～50MPa，煤种除褐煤外，几乎均有，顶板大多为厚…     

急倾斜特厚煤层水平分段开采冲击机理及防治

为了防治急倾斜特厚煤层水平分段开采冲击地压灾害,以甘肃窑街三矿为工程背景,提出了急倾斜特厚煤层工作面冲击地压的动静载叠加诱发机理以及针对性的防治对策。结果表明:由采动应力非对称分布引起的夹持煤体高集中应力是急倾斜煤层冲击的静载力源,而覆岩破断及结构失稳所形成的强动载是冲击的主要动载力源;在动静载叠加作用下,当应力达到急倾斜煤岩大范围失稳临近载荷则诱发冲击灾害。基于急倾斜煤层开采诱发冲击的动静载力源特征,建立了综合采用顶板深孔预裂爆破控动载、巷帮与底煤爆破或大直径钻孔卸静载的三位一体冲击地压防治技术体系,并成功应用于窑街三矿五采区工作面。     

冲击地压、岩爆与矿震的内涵及使用范围研究

冲击地压、岩爆、矿震、微震等概念是与矿井动力灾害相关的术语,在使用时存在一定混淆。结合国内外已有研究,从术语的意义、使用范围、灾害孕育环境等角度对冲击地压与其他术语的异同予以分析。研究认为:广义的岩爆包含的范围更大,冲击地压是一种强烈显现的岩爆,一般认为冲击地压造成的破坏要比岩爆更为严重;矿震的主要特征在于矿山工程中发生的震动事件,冲击地压发生时一定伴随有矿震、微震,反之则不成立。总体而言,建议岩爆及冲击地压应区别使用,岩爆主要用于描述硬岩条件下的岩石爆裂现象,而冲击地压主要用于煤矿地下开采中发生的冲击失稳灾害。     

卸荷煤岩体冲击破坏特性数值模拟研究

为了探讨卸荷煤岩体在不同类型载荷作用下的围岩稳定性规律,对卸荷煤岩体在静载、动载和动静载下的冲击特性进行了数值模拟分析。研究结果表明:冲击动载对卸荷煤岩体冲击破坏的影响主要在于冲击波的循环扰动作用,冲击波的循环扰动作用不仅使巷帮煤层发生层裂破坏,而且造成顶部大范围的劈裂破坏;载荷作用的速率对卸荷煤岩体的冲击特性影响作用明显,主要体现在卸荷煤岩体的破坏载荷峰值、破坏区域和破坏类型等方面的显著不同;动静载耦合作用对卸荷煤岩体冲击特性的影响远高于单一的静载或动载。     

动静载作用下煤岩多场耦合冲击危险性动态评价技术

深部开采冲击地压灾害孕灾过程中既有静态基础量又有动态变化量,剧增的原岩应力与覆岩断裂、井下爆破等引起的动载扰动是诱发冲击地压灾害的源头,因此实现冲击危险性快速、高精度评价必须综合考虑动静载作用。笔者开展了典型煤岩霍普金森压杆试验及数值模拟,分析了动载对煤岩体破坏作用以及对应力场的影响,针对应力变化可以直接引起介质中震动波波速变化,且波速变化前的幅值与变化幅度均受应力场影响这一特性,掌握了震动场与应力场的耦合关系,建立了多场耦合冲击危险性动态评价技术:以原岩应力场表示煤岩孕灾过程的静态基础量,以采动应力场和震动场表示煤岩孕灾过程的动态变化量,以波速异常指数、波速梯度指数、应力异常指数、应力梯度指数为评价指标可实现煤岩冲击危险性动态评价。研究结果表明:动载作用下能量以震动波形式传递,造成应力场的重新分布,应力呈现分区传递特点,并且在能量达到某一阈值后引起煤岩损伤破坏,但无论动载直接作用在岩石上还是煤体上,岩石是能量传递路径,煤层是能量耗散、释放主体,破坏主要发生在煤体中。多场耦合冲击危险性评价技术在某工作面经现场应用,在工作面逐渐揭露断层过程中冲击危险性由强冲击危险性降低到中等冲击危险性,现场监测数据表明评价结果与现场实际相符。     

基于冲击地压-矿震协同控制的隔离煤柱合理宽度研究

针对陕蒙地区深部矿区工作面隔离煤柱宽度设计不合理导致冲击地压和矿震频发的现状,采用案例调研、理论分析和现场监测等方法,对隔离煤柱区冲击地压和矿震的发生机理及隔离煤柱合理宽度进行了研究。以近年来陕蒙深部矿区工作面在隔离煤柱区发生的3起典型冲击地压和矿震事件为工程背景,根据动力显现特征和诱发机理不同,将其分为煤柱局部破坏型冲击地压、煤柱整体失稳型冲击地压和煤柱区厚硬砂岩组破断型矿震3类。分别建立了采空区侧向支承压力估算模型、采空区转移应力估算模型、煤柱承载应力估算模型和关键层挠度弯曲变形力学模型,揭示了不同宽度隔离煤柱诱发局部冲击、整体冲击和矿震的机理。研究结果表明:2101工作面和2201工作面间隔离煤柱不发生局部冲击的宽度为5～6 m或不小于128 m;不发整体冲击失稳的宽度为不小于138 m;不发生矿震的宽度为498 m。在此基础上探讨了不同宽度隔离煤柱对冲击地压和矿震的影响,提出了基于冲击地压-矿震协同控制的合理隔离煤柱宽度设计方法,以期为陕蒙深部矿区相似条件工作面隔离煤柱宽度设计提供参考。     

动静加载下组合煤岩破坏失稳的突变模型和混沌机制

为进一步加深对动载诱发冲击地压机理的认识,采用时效损伤本构模型与尖点突变理论相结合,得到了一维动静加载下煤岩组合系统的破坏判据、突跳位移以及释放总能量的数学表达式。并建立一维动静载下煤岩组合系统的非线性动力学模型,发现外载能量与系统自身固有能量之间的相互作用导致模型的演化过程呈阶段性并出现混沌现象;当组合系统本身的非线性作用与外部载荷的作用能力相当时,系统的演化进入混沌阶段。由此得出,井下煤岩体结构与动静载荷之间的相互作用是影响动载诱发冲击地压演化过程的关键。最后,对理论结果进行一维动静加载试验验证,表明理论和试验值吻合较好。