综放开采覆岩大结构作用下的冲击地压形成机制

覆岩结构影响着煤矿的矿压显现,甚至会引发冲击地压,因此,有必要对覆岩结构形成与演化规律进行深入研究。基于关键层理论提出了综放工作面"板-壳"覆岩大结构模型,分析了大结构作用下围岩应力演化特征。推导出覆岩大结构失稳能量释放表达式,得到了冲击地压发生的临界能量。采用微震监测方法,研究了矿震的空间分布和能量变化规律,研究得到:基本顶、亚关键层和主关键层组成的"板-壳"覆岩结构逐步演化,结构掩护下的矿震总能量依次程阶梯式上升,结构失稳矿震的总能量跳跃式增加;综放工作面主关键层控制的覆岩大结构失稳易引起的冲击地压。矿压监测表明:围岩应力下降突变由于板-壳结构失稳,上升突变由于结构下部岩层的周期破断引起的;覆岩大结构失稳的动压以及顶煤和直接顶产生的静压共同作用引起支架压力显著上升。     

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。     

采空区煤柱失稳诱发下煤层冲击机理研究

以内蒙古某矿冲击地压事故为工程背景,对上煤层采空区遗留煤柱失稳诱发下煤层掘进工作面冲击地压机理进行了研究。通过建立基于覆岩空间结构的煤柱应力模型,对工作面开采前后煤柱稳定性进行了评价,得到了触矸点传递应力和采空区侧向支承压力叠加是诱发下煤层掘进工作面冲击地压的主要原因的结论,并提出了合理的巷道布置区域。研究结果对类似条件下的掘进工作面开采设计及安全生产具有一定的借鉴意义。     

采空区顶板见方垮落的覆岩空间结构特征及形成条件

见方垮落是工作面采空区顶板的一种特殊形式垮落,基于覆岩空间结构理论及薄板结构模型,对其覆岩空间结构特征及形成条件进行研究。顶板见方垮落实质为某关键层初次整体垮落,形式呈正"O-X"破断,其形成条件极为苛刻,需顶板结构及强度、区段煤柱特性、采空区边界条件、工作面宽度、工作面推进距离等因素满足对应关系。判别工作面见方垮落时,需从采区内首采工作面开始,依次计算各工作面回采后关键层的破断情况。工作面宽度越大,关键层见方垮落所需的关键层厚硬程度更高,这是多数工作面所不能满足的,而将冲击地压工作面见方区域均划定为冲击危险区往往偏于保守。     

高应力煤柱多关键层断裂诱冲机理及防治

针对上覆多关键岩层控制条件下,高强度开采的大区段煤柱冲击地压防控技术难题,采用数值模拟、关键层分析和微震监测等方法对某矿31102工作面回风巷区段煤柱冲击地压发生机理及防控方法进行研究。结果表明:回风巷区段煤柱处于高静应力作用下,最高应力集中系数为3.02;工作面上方存在多个关键层,关键层断裂时产生大量微震事件,并以附加动应力形式作用于煤柱,当动应力与静应力之和大于煤柱强度时,煤柱发生冲击。提出了"大直径钻孔预卸压+二次斜交钻孔临场解危卸压"的防治措施,现场实测数据表明方案有效可靠。     

煤矿覆岩空间结构演化与诱冲机制研究

煤层开采后,上覆岩层发生破断运动,对巷道和回采工作面施加静载荷和动载荷,诱发煤层顶板和冲击矿压灾害。而上覆岩层的运动不仅是单个工作面回采的结果,也可能是多个工作面回采共同作用的结果。微震监测表明,对于采用小煤柱护巷,尤其是覆岩中存在厚层坚硬关键层的矿井,冲击矿压震源往往集中在相邻采空区中的厚硬岩层中,说明煤矿覆岩在空间上存在着结构,并且采空范围(边界条件)不同,覆岩的空间结构是动态演化的。空间结构演化与失稳过程中造成的冲击矿压动力灾害称为覆岩空间结构失稳型冲击矿压。为了揭示此类冲击矿压的机理,提出煤矿覆岩空间结构演化与诱冲机制,并采用实验室物理模拟试验、FLAC3D数值模拟试验、理论分析和工程实践4种方法进行研究。煤矿覆岩破断后的形态是空间结构,空间结构的形成与失稳是动态演化的。煤矿覆岩在层面方向上各关键层破断成"O-X"形态,不同层位的"OX"结构形态空间上形成柱台体,与之相邻的边界覆岩在竖向剖面上形成"F"型结构。覆岩层面方向破坏的"OX"结构向上发展,剖面方向上的"F"结构也会发生破断失稳。因此,"OX"与"F"结构及其相互转化构成了煤矿覆岩的整体空间结构形态,"OX"与"F"结构的形成与失稳不断进行,称为煤矿覆岩空间结构的动态演化循环。考虑顶板断裂线、煤柱稳定性与动态破坏3个因素,给出覆岩空间结构动态演化的条件判据,根据工作面受"OX"与"F"的影响程度不同,将工作面分为"OX","F"及"T"型空间结构工作面,并根据关键层的破断特征进行详细分类。通过实验室相似材料试验,模拟多工作面连续回采时"OX","F","T"型工作面的空间结构的形成与演化规律。FLAC3D模拟表明覆岩性质不变的情况下,采空区范围不同,煤层应力集中程度的规律为:短臂对称"T">非对称"T">短臂"F">长臂对称"T">长臂"F">"OX",而关键层的来压次数则是长臂结构>短臂结构。"OX"工作面应力集中随工作面宽度线性增大;短臂"F"工作面,长度增加有利于整个工作面范围内支承压力的降低;长臂"F"工作面,工作面加大,端头支承压力将降低,中部支承压力将升高;孤岛"T"工作面加大工作面宽度对工作面端头与中部的应力降低均有作用。基于弹性板与关键层理论,分析了"OX"结构破断与形成过程,给出了基于纳维解法的应力精确解,提出了"F"结构存在主动与被动两种失稳模式,被动失稳能导致下位结构呈整体滑落失稳,失稳速度快,厚度大,冲击力强,危险程度高于主动失稳过程。覆岩空间结构失稳型冲击矿压的本质为动静组合加载的复合型冲击。从应力、能量与震动效应构建了表示冲击发生的判据。动静组合加载的模拟表明,在动静载之和相等的情况下,高静载+低动载的组合方式冲击危险性高于低静载+高动载的组合。针对覆岩空间结构失稳型冲击矿压的特点,建立了以动静载应力场监测为基础,以空下巷道布置、定向高压水力致裂为关键技术的预防体系,通过济三煤矿"F"工作面63下05与"T"工作面163下02C的防冲实践验证了论文提出的覆岩空间演化诱冲机制能够有效地指导现场防冲工作。     

工作面“见方”期间冲击危险的监测与防治对策研究

工作面回采过“见方”区域采空区上覆顶板结构改变,稳定性下降,冲击危险性将逐步增强。针对园子沟煤矿1012001工作面“见方”区域冲击地压治理问题,采用微震、应力在线及矿压监测对工作面冲击危险进行监测,根据监测结果设计卸压参数,形成以煤体大直径钻孔卸压和顶板水力压裂为主的综合治理体系,研究成果可为类似条件下冲击地压防治提供参考。     

深部巨厚砾岩层下高应力煤柱冲击地压防治技术

为解决深部巨厚砾岩层下高应力煤柱附近工作面冲击地压防治问题,以华丰煤矿2410工作面和2409工作面遗留煤柱为研究对象,从采掘布置、原岩应力和采动应力等方面分析其对诱发冲击地压的影响。结果表明:2410工作面过2409煤柱期间冲击危险性较高,局部具有高冲击危险性,该条件下的冲击地压主因以遗留煤柱或区段煤柱周围形成的高应力冲击地压为主,同时伴随着煤柱失稳或采动引发巨厚砾岩层运动产生矿震诱发冲击地压。据此提出在掘进期间采用煤层大直径钻孔卸压为主的边卸压边掘进的防冲措施和工作面回采期间煤柱多轮大幅度卸压的防冲措施,与此同时采用煤粉监测、微震监测等方法进行冲击地压综合监测,从而降低了冲击地压危险性。     

特厚煤层分层开采底煤整体滑移失稳型冲击地压发生机理研究

以峻德煤矿三水平北17层三四采区一段工作面冲击地压事故为工程背景,采用理论分析、微震监测和现场调研等方法,对特厚煤层分层开采底煤整体滑移失稳型冲击地压发生机理进行研究.得到主要结论为:17层上分层事故工作面采动支承压力与上覆9层煤采空区遗留煤柱形成的集中应力叠加,叠加应力远大于底煤发生冲击和滑移的应力条件,进而导致17层上分层事故工作面底煤发生整体滑移失稳型冲击地压.建立了特厚煤层分层工作面开采底煤滑移极限承载力估算模型和事故工作面超前支承压力估算模型,底煤整体滑移失稳型冲击危险破坏范围为工作面超前110.5 m,与事故工作面两侧巷道超前破坏范围103 m和115 m接近.根据特厚煤层分层开采底煤整体滑移失稳型冲击地压发生机理,制定了针对性的安全复产措施,保障了事故工作面的安全回采.研究结果对特厚煤层分层开采工作面冲击地压防治具有一定的借鉴意义.     

520106孤岛工作面覆岩空间结构分析

针对孤岛工作面回采期间，由于煤层顶板覆岩结构失稳所释放动载与原始应力场中静载叠加诱发冲击地压问题，以沙沟岔煤矿520106孤岛工作面为工程背景。首先，开展单轴压缩试验对主采煤层煤样动态破坏时间、弹性能指数、冲击能指数等冲击倾向性指标进行测定；其次，运用覆岩空间结构OX-F-T模型结合地表下沉参数以及邻近工作面矿压监测数据，对孤岛工作面上覆顶板空间结构进行了分类；最后，根据冲击地压动静载分析理论，从载荷特性方面对工作面覆岩空间结构失稳应力进行叠加计算。结果表明，5^-2煤层为Ⅱ类弱冲击倾向性煤层，520106工作面上覆顶板空间结构为短臂“T型”,工作面回采期间动静载叠加后峰值载荷为16.37～18.37 MPa,工作面回采期间冲击危险程度较低。     

孤岛充填工作面初采致冲力学机理探讨

孤岛充填工作面由于要控制采空区顶板下沉而导致工作面煤体支承压力分布变得复杂,造成冲击危险性评估方法不同于常规工作面,为了提供充填回收孤岛煤柱采场围岩稳定性分析的理论依据,以山东某矿孤岛充填工作面为背景,通过对孤岛煤柱覆岩结构及演化特征进行研究,建立了孤岛充填开采条件下“充填体-煤柱-顶板”力学模型,得到了充填工作面超前支承压力估算方法,提出了孤岛充填工作面煤体冲击失稳的判据。研究结果表明:① 采空区充填效果决定了上覆岩层下沉运动的空间以及与两侧采空区覆岩发生水平联动的范围,是影响孤岛煤柱覆岩结构演化特征的关键因素;② 受回采巷道切割及大直径钻孔卸压工程的影响,工作面煤体承载能力呈现明显的区域差异性,弹性承载区煤体是上覆岩层传递载荷的主要承载体,工作面开采边界条件和回采巷道布置方式是影响工作面煤体静态稳定性的主要控制因素;③ 充填材料受到采空区顶板下沉运动中压应力作用下发生压缩变形,当顶板和充填材料达到力学平衡时顶板下沉运动终止,充填材料固结体压缩变形量和弹性模量是影响工作面煤体动态稳定性的主要控制因素;④ 决定孤岛充填工作面冲击危险性的关键因素是工作面弹性承载区煤体静态支承压力和采空区顶板下沉量。针对这类冲击地压的致灾机理,通过煤层注水、高压水压裂及优化工作面布置以降低工作面弹性承载区煤体静态支承压力和提高采空区充填率、优化充填材料固结体压缩性能以减小采空区顶板下沉量等措施,可有效降低孤岛充填工作面的冲击危险性。该研究成果可为类似开采条件下冲击地压的防治提供参考。     

近距离厚煤层开采工作面矿压显现规律

为了获得神东矿区上湾煤矿12301工作面过上覆采空区及其留设煤柱时矿压显现规律,采用现场实测的方法,对近距离煤层下行开采工作面的矿压显现特征进行了研究。结果表明:工作面过上覆采空区的周期来压平均步距为12 m,支架动载系数平均为1.31;过集中煤柱的周期来压平均步距为8 m,支架动载系数平均为1.42。造成该现象的主要原因是,下煤层工作面的矿压显现受上覆关键层活动影响。过采空区时,顶板主关键层呈现出"稳定—失稳—稳定"的活动规律;过集中煤柱时,顶板亚关键层和煤柱呈现出"稳定—失稳—稳定"的活动规律。     

保护层不对称卸压工作面分区防冲技术

为有效防控保护层不对称卸压工作面冲击地压的发生，以唐山矿0291工作面为工程背景，采用理论分析和数值模拟等方法，分析了工作面发生冲击地压的影响因素及发生区域。结果表明：煤层开采深度、煤层及其顶板的冲击倾向性、上保护层遗留煤柱、本煤层采空区煤柱及厚硬顶板是诱发冲击地压的潜在影响因素;工作面回采前，受上保护层遗留煤柱及本煤层采空区影响，0291工作面两巷应力呈不对称分布，回风巷高应力区主要位于0250采空区切眼及终采线下方，运输巷高应力区主要位于0251采空区切眼下方;工作面回采阶段具有明显的分区特性，回采初期，运输巷围岩超前应力高于回风巷，应加强运输巷的监测并及时采取防冲措施;当工作面进入0251采空区下方时，运输巷围岩应力迅速降低，防治重点应由运输巷转移至回风巷。依据数值模拟分析结果，划分了冲击危险区，提出了工作面回采过程中的分区防治措施。现场监测结果表明，采取的措施可以有效降低冲击地压的发生。     

“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。     

上覆遗留煤柱区冲击地压综合防控技术北大核心

为防止南山煤矿18~#煤层北三段工作面穿越上覆遗留煤柱区时发生冲击地压灾害,基于应力来源和表现形式,分析了冲击地压致灾力源因素,制定了静载荷卸压降载-动载荷减震消能的分源防控措施。实践表明,近距离遗留煤柱区动、静力源相互叠加,冲击危险性高,基于冲击力源分源防治思想,采用综放开采、爆破卸压降低巷道围岩静载荷水平,顶板爆破预裂、煤柱水力压裂降低动载荷扰动,巷道补强支护增强围岩抗冲能力,保证了巷道围岩处于低应力,微震能量以低能级、多频次形式释放,降低冲击显现程度,有效避免了遗留煤柱区冲击地压的发生。     

上覆遗留煤柱区冲击地压综合防控技术

为防止南山煤矿18~#煤层北三段工作面穿越上覆遗留煤柱区时发生冲击地压灾害,基于应力来源和表现形式,分析了冲击地压致灾力源因素,制定了静载荷卸压降载-动载荷减震消能的分源防控措施。实践表明,近距离遗留煤柱区动、静力源相互叠加,冲击危险性高,基于冲击力源分源防治思想,采用综放开采、爆破卸压降低巷道围岩静载荷水平,顶板爆破预裂、煤柱水力压裂降低动载荷扰动,巷道补强支护增强围岩抗冲能力,保证了巷道围岩处于低应力,微震能量以低能级、多频次形式释放,降低冲击显现程度,有效避免了遗留煤柱区冲击地压的发生。     

采空区关键层运动对震级的影响分析

为有效预防采空区上覆关键层运动诱发工作面矿震事故的发生,根据现场实测数据并通过有限元数值模拟软件对采空区形成过程中上覆关键层破裂区范围的大小进行了模拟。得出鲍店煤矿103上04 工作面影响矿震震级大小的根源为赋存在煤层底板上方100～220 m范围内致密坚固细砂岩、中砂岩组成的关键层的破裂失稳,破裂区面积大小对应震级大小。依据103上04工作面实际震级发生情况提出针对性的解危措施：对工作面后方悬空顶板进行深孔大直径爆破技术改善岩体应力状态,释放关键层积聚过多的弹性能,能够有效防止关键层的整体运动,减小矿震事故发生的强度和频次。     

房式采空区下非来压期间异常矿压机理及对策研究

针对西部矿区某矿房式采空区下工作面综采发生的异常矿压问题,利用现场实测和理论分析并基于异常矿压特征,通过分析残留煤柱上方支承压力分布规律、残留煤柱稳定性,对其发生机理及相应对策进行了研究。结果表明:工作面顶板初次破断前、初次破断时残留煤柱所受支承压力较大时,将发生残留煤柱连锁失稳现象;若顶板初次破断时残留煤柱保持稳定但当残留煤柱受到采场上方及采场后方2个跨度内覆岩形成的叠加支承压力较大时,也将发生残留煤柱连锁失稳现象;煤柱失稳后煤柱顶板对层间岩层产生动载作用,残留煤柱连锁失稳发生在未来压期间、层间仅0~1层关键层时,将诱发本文所述异常矿压;残留煤柱连锁失稳发生在来压期间时,可能诱发压架灾害。基于上述研究提出了爆破煤柱、充填采空区、适当减慢推进速度等措施。     

关键层极限跨距预测矿井冲击地压发生时间的研究

根据山东省滕东生建煤矿地表移动变形观测站的数据分析,发现在煤层上覆岩层中可能存在关键层,采用关键层理论对煤层上覆岩层进行了关键层的判断,计算得出了关键层的极限跨距。对矿井面临的冲击地压类型进行了分析,得出了该矿关键层垮落产生的能量动载与静载叠加足以诱发强冲击的结论,并依据关键层的极限跨距预测了工作面推进过程中厚硬岩层结构突变及煤柱失稳的大概时间,指导了该矿冲击地压的防治工作。     

区段煤柱变形光纤光栅监测应用研究

针对近距离煤层下伏工作面过上覆遗留煤柱时,发生动静载叠加诱发强矿压显现,导致区段煤柱发生变形失稳造成人员伤亡和设备破坏。为探索基于光纤光栅实时监测区段煤柱变形发育特征,分析进、出遗留煤柱阶段矿压显现机理,将FBG、光栅应力计的光测方法相结合,结合现场实测的区段煤柱变形应力应变水平参量变化规律,研究煤柱应变空间分布规律及回采过程中工作面前方煤柱内部应变时域响应特征,验证光测方法在煤体应变水平观测的可行性。结果表明：工作面回采经过上覆遗留煤柱期间,区段煤柱顶板受集中应力影响,上部岩层块体破断并发生回转导致煤柱载荷增加,随着工作面推进覆岩断裂进一步向上传递,关键层断裂回转发生导致工作面来压,最终导致区段煤柱变形失稳。根据现场光栅应变增量幅度判断煤柱内局部变形的剧烈程度,在集中应力作用下,区段煤柱变形时发生最大应变为650×10-6,上覆岩层集中应力造成煤柱应变水平峰值位置为煤柱宽度11.5 m,沿煤柱宽度方向应变表现出先增加后减小然后趋于稳定的趋势,内部应变随采动过程中影响范围在5 m左右。综合研究工作面回采经过上覆遗留煤柱时应变对区段煤柱发生变形失稳的特点和规律,以及应变水平变化和煤柱物理...