坚硬顶板冲击地压监测和动态解危的实践

坚硬厚层砂岩顶板容易聚积大量的弹性能。在工作面开采过程中,由于其他诱发因素,弹性能瞬间释放,形成强烈震动,导致冲击地压。通过对冲击地压发生机理的研究,摸清了顶板岩层厚度特征参数和坚硬顶板关键层对冲击地压的影响程度,采取钻屑法、电磁辐射监测法、微震法结合常规矿压观测进行预测,实施卸压爆破和高压注水等进行解危防治,实现了坚硬顶板冲击危险区的安全生产。     

巨厚坚硬顶板变形及垮落的动态演化特征研究

义马煤田赋存一层巨厚坚硬岩层,是矿区诸多动力灾害的主要诱因。本文以义马煤田千秋矿21221工作面为工程背景,开展了顶板岩层冲击倾向性的实验测定,采用相似模拟和数值分析方法研究了工作面回采过程中巨厚坚硬顶板运动特征,分析了巨厚坚硬顶板垮落垂直位移动态演化规律,建立了采动应力分布与顶板运移的关系。研究结果表明:巨厚坚硬顶板破断过程可分为初始平静期、稳定运动期和整体垮落期三个阶段; 顶板垂直位移量在初始平静期变化小,稳定运动期基本集中在采空区,向上呈现梯形递减趋势,整体垮落期则急剧向上发展。巨厚坚硬顶板运动呈现离层、瞬间下沉、离层闭合、间歇性稳定、瞬间垮落压实的非稳定动态变化现象。在工作面回采过程中,巨厚坚硬岩层变形和运动对采场施加了持续且不稳定的下沉压力,其结构失稳导致采场矿压发生强突变和采动应力突降,是冲击地压发生的重要诱因。     

基于微震监测的深埋“两硬”综放面覆岩运动规律研究

基于微震监测技术结合关键层理论对深埋"两硬"综放面覆岩运动规律进行了研究,并以此预测了星村煤矿3302工作面发生矿震可能诱发冲击地压的步距。结果表明:顶板平均断裂高度为82.5 m;第3坚硬岩层断裂后形成"砌体梁"是周期来压的主要成因,步距为36.3~38.7 m,平均37.6 m;高位第6坚硬岩层破裂产生的来压步距为50.4~64.8 m,平均57.6 m。在见方期间第3,6坚硬岩层同时破断,此时顶板80 m以上多层坚硬砂岩一起断裂释放大量弹性能更易产生动力冲击现象。在预计的位置发生2次1.5级以上的矿震,证明了对矿震预测的可行性。     

顶板岩层特性对煤体冲击影响的数值模拟

利用离散元程序UDEC4.0对煤层上覆顸板岩层的物理、几何属性及运动状态对煤体冲击矿压危险性的影响规律进行了模拟研究.结果表明,煤层上方岩层的悬顶长度、岩层厚度和强度对冲击矿压的危险性均有影响.从周期来压步距的一半开始,煤体的冲击危险性显著升高;顶板释放的能量与岩层强度呈对数关系、与顶板厚度呈指数关系,坚硬、厚层顶板岩层相对较软弱、较薄岩层会对煤体产生更为强烈的扰动,致使冲击矿压危险性升高;另外,处于运动态的顶板岩层的诱冲能力远超过处于稳态的顸板岩层.可通过弱化项板岩层强度、缩短悬顶长度等措施防止或降低冲击危险性,济三煤矿6303工作面通过顶板爆破进行防冲的工程实践证明了研究结果的有效性.     

采场上覆坚硬岩层破断的数值模拟研究

坚硬顶板在煤层开采后形成大面积悬顶,通常会给采场乃至矿井造成严重的破坏.运用理论计算,数值模拟方法分析研究不同坚硬岩层距煤层距条件及不同支架阻力作用下,采场上覆岩层的运动规律.结果表明,当煤层上覆直接为坚硬岩层时(坚硬岩层距煤层0 m),支承压力集中系数及系统释放的能量最大,坚硬岩层的破断会对工作面的安全生产构成很大威胁,易造成压架事故或冲击矿压等.采用强制放顶处理此类顶板在现场取得了较好的应用效果.     

坚硬顶板注水工作面矿压显现特征的有限元计算和模型试验研究

本利用有限元计算和相似材料模型试验的结果，探讨了坚硬难冒落顶板注水前后及不同注水条件下的工作面矿压显现特征，对比分析结果表明，通过向顶板注水，顶板岩体发生塑化，改变了顶板岩层中的应力分布和顶板变形位移特征，顶板岩层中的拉、压力峰值点转移到了采空区上方的悬顶中，从而有利于顶板在采空区上方断裂并分层分次垮落，减小岩层折断时对支架的冲击载荷和传力系数，减小顶板周期来压强度，从理论上进一步说明了向顶板高压注水是控制坚硬难冒顶板的有效技术途径。     

综放开采超前平巷中奇异矿压显现规律

针对兴隆庄煤矿一采区1303综放工作面超前平巷发生奇异压力的现象，采用关键层理论对在采动过程中的上覆岩层运动规律进行了详细的力学分析，研究了它们的运动特征、破断步距、断裂位置、断裂方式以及对工作面及其超前平巷的来压规律，对比分析了该工作面矿压实测数据与理论研究成果.结果表明，1#顶板岩层对工作面及超前平巷压力影响都很小，2#顶板岩层主要影响工作面矿压显现，而对超前平巷影响较小，3#顶板岩层对工作面压力影响较小而对超前平巷的矿压显现有较大的影响.放顶煤开采增大了3#顶板的运动空间，超前平巷的矿压显现具有周期性.1303综放工作面超前平巷发生的奇异压力现象是3#顶板和2#顶板岩层共同来压作用的结果.     

坚硬顶板区域冲击矿压防治的研究

坚硬顶板区域极易发生冲击矿压,其主要原因是坚硬厚层砂岩顶板容易聚积大量的弹性能,同时在工作面开采过程中这些弹性能又能瞬间释放.三河尖矿在此条件下的冲击倾向煤层的开采中,对冲击矿压发生机理与防治方法进行了研究,实现了该条件下的安全生产.     

综放工作面过单面见方危险区域冲击地压防治效果分析

为了综放工作面顺利通过"单面见方"危险区域,对坚硬顶板冲击地压进行了有效地控制。通过优化"单面见方"区域内坚硬顶板防治冲击的设计,采用支架压力监测、微震监测、数值模拟和现场观测等评价的方法,对综放工作面过"单面见方"前后坚硬顶板矿压显现进行实时监测、记录、统计分析。研究结果表明:在"单面见方"区域内,坚硬顶板岩层能量集中释放、巷道变形量大、垮落较好等特点,很好地解决了坚硬顶板冲击地压的危险性。     

济三矿六采区冲击矿压类型及其防治

六采区6303工作面回采的3_下煤层,而且老顶为坚硬稳定的中砂岩,平均厚度在23m左右。其冲击矿压特点是,冲击发生后顶板与煤层离层、顶板完整没有破碎,冲击与顶板周期运动一致,冲击矿震后部分十字铰接顶梁支柱震歪、震断,十字铰接顶梁被震断。试验表明,单纯煤样和煤岩样组合均为弱冲击倾向性,煤岩组合的动态破坏猛烈。故可确定该区域的冲击矿压为顶板型(冲击型)和顶板煤层型。对于该类冲击矿压,可采用钻孔卸压、煤体爆破卸压和顶板爆破等三种措施进行防治。     

构造应力作用下冲击地压发生的条件及判据

针对许多矿区冲击显现受构造应力作用影响的特点，用数值计算方法模拟了底板冲击显现，得出了冲击时煤岩体应力变化情况和破坏过程，以及数值模拟冲击时所具有的特征．在此基础上研究了不同侧向加载系数对冲击发生条件的影响，提出了在不同加载条件下，冲击时存在不同的临界水平应力；研究了不同的煤岩组合情况对冲击发生条件的影响，得出了顶、底板中存在着相对硬软的岩层是发生顶、底板冲击的一个必要条件．通过以上综合研究，得出了构造应力作用下冲击地压发生条件的判据，并成功应用于现场实际冲击危险预测．     

巨厚坚硬岩层下基于防冲的开采设计研究与应用

在我国多个分布有巨厚坚硬岩层的矿区，巨厚坚硬岩层运动导致的强矿震和强冲击地压致灾后果严重，治理难度大，已经成为这些矿区矿井安全生产的主要障碍。通过分析巨厚坚硬岩层下冲击地压的发生规律，提出了此类矿井冲击地压存在“关键工作面效应”、“震动诱冲效应”和“冲击震动效应”3个共同特点。“关键工作面”是指该工作面在开采时会导致巨厚坚硬岩层发生断裂和强烈运动，并开始出现强烈的矿震或冲击地压；“关键工作面效应”是指“关键工作面”开采过程中发生的强动力灾害;“震动诱冲效应”是指巨厚坚硬岩层断裂震动在地层中产生的动应力传播到处于高应力状态的煤体上后，诱发的冲击地压灾害，其显现特点是“震源与冲击显现位置不一致”;“冲击震动效应”是指当开采到关键工作面位置后，巨厚坚硬岩层的传递压力将急剧增加，当部分煤体达到发生冲击的条件时即可发生冲击，同时引起能量巨大的震动，这类冲击的显现特点是“震源与冲击显现位置一致”。采用覆岩空间结构理论、地表沉陷观测、微震和应力监测数据，提出了辨识关键工作面的方法;阐述了山东能源集团3个不同类型巨厚坚硬岩层冲击地压矿井采用保护层开采、负煤柱设计、关键工作面确定与参数设计、避开震动损害边界开采设计、小煤柱设计和顺序开采工作面参数优化设计等综合方法，实现防冲安全的具体做法。     

忻州窑矿两硬条件冲击地压防治技术研究

根据大同两硬条件(坚硬煤层和坚硬顶板)特点和冲击地压发生的特征，通过现场试验和实验室实验，分析研究了冲击地压发生的机理，提出了冲击地压发生的时空能量准则以及卸压放能的有效技术途径．在有冲击地压危险的工作面采取了施工放能孔的方法，使煤岩系统长期积累的弹性能量得到缓慢释放，解决了忻州窑矿的冲击地压问题．     

大型逆冲断层区域冲击地压频发地质原因分析

为了厘清义马煤田南部F16大型逆冲断层区域冲击地压频发的地质原因,分析了义马盆地和F16逆冲断层的演化过程,研究了F16逆冲断层的构造应力场,并通过建立义马煤田数值模型,计算了煤田竖向应力、剪应力和水平应力等,构造应力场分析和数值计算结果表明,义马煤田地应力以水平应力为主,最大主应力方向为南北向,南北向的水平应力导致义马煤田南部F16逆冲断层和义马向斜轴部区域坚硬岩层发生错断、弯曲变形,积聚了大量弯曲弹性能,煤岩体应力高度集中,加之“两硬夹一软”的特殊的煤岩体结构,在采掘扰动作用下,顶底板坚硬岩层中所积聚的应力在煤层、煤矸互叠层等软弱区域释放,导致该区域冲击地压事件频发。     

断顶爆破治理冲击地压技术研究与应用

新汶矿区的主采煤层顶板均为较坚硬的砂岩,厚而坚硬的顶板较难垮落,在工作面回采过程中在采空区形成大面积悬顶,顶板对煤体压缩做功积聚大量的弹性能,为有效地防治冲击地压,确定了合理的爆破方案对顶板实施了爆破卸压,并通过数值模拟和应力现场实测表明,超前爆破明显改善了顶板条件,获得了有效的应力释放和卸压效果,从而很大程度避免了冲击地压的发生。     

浅埋深坚硬顶板工作面冲击地压微震时空前兆信息特征

为提高冲击地压矿井现场防冲措施实施的针对性，以宽沟煤矿B2煤层I010203工作面为工程背景，研究其历次矿压显现事件发生前后的微震监测信息时空演化规律。结果表明：I010203工作面矿压显现事件震源位置受上层“刀把型”采空区边界影响，具有阶段性特征，且主要集中于工作面中下部、区段煤柱和侧向采空区围岩，垂向上大多位于煤体和顶板岩层中，坚硬顶板破裂是该矿发生冲击地压的主要诱导因素|在矿压显现事件发生前7d内微震前兆预警指标b值、断层总面积A〖DK〗(t〖DK〗)值和微震活动度S值分别出现突降或突增现象并保持低值或高值异常，表明煤岩体内部弹性能积聚、破裂程度增大，冲击危险性增高|结合高斯空间光滑法绘制的微震指标云图在矿压显现事件发生前呈现一定规律性，可进一步量化确定局部冲击危险区域。研究结果揭示了在坚硬顶板条件下工作面冲击地压微震时空前兆信息特征，可指导现场人员采取针对性防冲措施，有助于冲击地压的精准防治。     

煤矿深部开采冲击地压监测解危关键技术研究

针对煤矿深部开采冲击地压监测防治难题，采用理论分析、数值模拟、室内试验和现场监测相结合的综合研究方法，研究了深部应变型、断层滑移型和坚硬顶板型三类冲击地压的致灾机理，提出了煤岩组合冲击能速度指数和卸围压冲击能速度指数两个新指标，建立了与冲击地压类型相适应的煤岩冲击倾向性评价体系，获得了深部开采三类冲击地压的前兆信息特征，给出了以深部开采冲击地压类型为导向的监测预警及组合式卸压解危方法，研发了钻孔施工与预警同步一体化技术。结果表明:① 深部应变型冲击地压是围岩系统能量积聚大于能量释放与耗散之和的结果;与浅部开采相比，深部坚硬顶板破断释放的变形能明显增大，以及深部断层更易发生错动滑移;② 深部应变型和深部坚硬顶板型冲击地压的冲击倾向性评价需在国家标准基础上分别增加卸围压冲击能速度指数、煤岩组合冲击能速度指数，而对于深部断层滑移型冲击地压，这两个指标均需增加;③ 深部应变型和深部坚硬顶板型冲击地压监测预警应以能量和应力判据为主，但深部断层滑移型冲击地压应以能量判据为主;④ 深部应变型冲击地压解危方法优先顺序为开采保护层、大直径钻孔、断底和煤层注水;深部坚硬顶板型冲击地压解危方法优先顺序为开采保护层、深孔断顶爆破、大直径钻孔、断底和煤层注水;深部断层型冲击地压解危方法优先顺序为开采保护层、大直径钻孔和煤层注水;⑤ 采用钻孔施工与预警同步一体化技术，可在钻孔施工过程中通过监测煤粉量和应力变化信息，对施工过程中可能发生的冲击危险进行同步预警。煤矿深部开采冲击地压防治作为一个复杂的系统工程，以科学分类为基础的系统防治技术体系仍是深部开采冲击地压需要重点攻关的研究方向。     

Mechanics analysis on the conditions of rock burst occurrence in the coal mass of roadway rib

According to the rock burst features occurred in the coal mass of roadway rib in one mine, the mechanics model of coal mass and roof structure system along the edge of goaf was founded to analyze the stress of roof rock layer, so the subside curve of roof rock layer was deduced. Furthermore, the stability of coal and rock system were analyzed, the critical load and critical resistance zone were used to judge the danger degree of rock burst occurrence. The influence of coal mass strength, brittleness degree, coal seam thickness, roof thickness, suspending length, equivalent shear module on the critical load, critical resistance zone was confirmed. So the rock burst occurrence conditions of coal mass in roadway rib mainly depend on mining depth, coal seam thickness and hard roof and floor, which are decided by the above studies, and successfully applied in prediction and prevention of rock burst in this mine. Supported by the Natural Science Fund of Liaoning Province(20042176)     

煤层硬度与厚度对冲击矿压影响的数值模拟

在坚硬顶板和底板的“两硬”条件下，对不同煤层厚度和硬度对煤岩体中的垂直应力分布的影响，也即反映了对煤岩体中发生冲击矿压危险性的影响进行了模拟．通过组合煤岩试样的试验结果验证了数值模拟的正确性，根据煤岩体相互作用的理论分析了其原因．在“两硬”条件下，煤层厚度与硬度的变化对煤体中的应力分布有着很大的影响，从而对煤岩体系统中冲击矿压的发生有着很大的影响．随着煤层厚度的减小，在煤岩体中产生的应力集中将增大；随着煤层硬度的增加，煤岩体中的最大垂直应力也将增大，从而也增加了冲击危险性．