模拟层状岩层样品失稳的冲击倾向性实验研究

为了弄清顶底板和煤体强度对煤岩系统冲击倾向性的影响以及三者之间的联系,探明静载条件下坚硬的顶底板能否引起冲击矿压。在实验室利用混凝土模拟8种不同强度的煤岩组合,利用MTS试验机在静载条件下对样品做单轴压缩试验,以动态破坏时间,单轴抗压强度和破坏时声音大小评估样品的冲击倾向性。实验结果表明:煤层决定了煤岩系统的强度与冲击倾向性,坚硬的顶底板可以增加软弱煤层的冲击倾向性,软弱的顶底板也可以减小坚硬煤层的冲击倾向性;顶底板对系统冲击倾向性的影响与煤体的性质紧密相关:当煤体软弱,坚硬底板能限制其变形,尤其是与坚硬顶板形成加持作用能显著提高系统冲击倾向性;当煤体坚硬,底板强度对系统冲击倾向性影响很小,顶板强度的增加能增强系统的冲击倾向性;当底板和煤体都软弱,顶板强度对系统冲击倾向性影响很小;在静载条件下,单纯坚硬的顶底板并不是引起冲击矿压的必要条件。     

组合煤岩冲击破坏电磁辐射规律研究

大量理论研究和物理试验已经证实煤岩变形破裂过程中会产生宽频带的电磁辐射信号,因此研究坚硬顶板–煤体–底板所构成的组合煤岩变形破裂电磁辐射规律对于预测预报煤岩动力灾害具有重要的意义。采用MTS815伺服加载以及Disp–24声电测试系统对组合煤岩变形破裂所产生的电磁辐射及声发射信号进行了测定,试验结果表明,试样在发生冲击破坏前,电磁辐射强度呈小幅度上升的波动趋势,且冲击破坏前兆会产生突变;而声发射信号计数率在试样冲击破坏时将急剧增加并达到最大值,随后产生突降。电磁辐射与声发射信号峰值位置出现的时间并不同步,电磁辐射信号的最大值出现在试样变形破坏的峰后阶段,而声发射信号的最大值位置则出现在试样的峰值强度处。电磁辐射信号出现峰值时声发射相对较弱,且声发射信号出现峰值时其电磁辐射强度也相对较弱。依此规律,可以对冲击矿压的危险性进行正确地评价和预测预报。     

顶板–煤柱结构体力学特性及其渐进破坏机制研究

基于声发射和数码摄像机录像系统,对不同高比的5组顶板砂岩–煤柱结构体进行单轴压缩试验,研究其力学特性及渐进破坏机制。顶板砂岩–煤柱结构体整体强度是远离交界面和交界面处砂岩、煤样强度的综合,摩擦效应加强了交界面处煤样强度,而削弱了交界面处砂岩强度;顶板–煤柱结构体宏观破坏起裂应力、单轴抗压强度和弹性模量均随岩煤高比递减而呈递减趋势;在同等条件下煤样原生裂纹越发育,顶板–煤柱结构体宏观破坏起裂应力、弹性模量和单轴抗压强度越小。顶板–煤柱结构体宏观破坏起裂导致应力–应变曲线出现阶梯状波动,AE信号出现峰值,大部分起裂位置位于煤样上,但当岩煤高比为9∶1时,交界面处砂岩首先破坏起裂。煤样内裂纹扩展和贯通使其变得较破碎且形成局部破坏,同时局部破坏的贯通导致煤样最终破坏;砂岩破坏是煤样内裂纹扩展贯通至其内部造成的,且由于裂纹扩展能力、速度及角度的不同,砂岩破坏形态呈劈裂破坏、剪切破坏或不发生破坏,随岩煤高比增大,煤样和砂岩破坏程度增大,煤样更加破碎。     

基于非线性储能与释放特征的煤冲击倾向性指标

煤的冲击倾向性是煤矿冲击地压灾害发生与否及致灾程度的重要影响因素,冲击倾向性指煤积聚应变能并产生冲击破坏的性质,因此,峰值强度时刻弹性能量积累是冲击倾向性评价的关键。因煤富含结构缺陷,破坏过程和能量演化更加复杂,针对此种煤样峰值强度时刻弹性能量无法准确求得的难题,对标准煤样进行单轴循环加卸载试验,以获取煤样不同应力状态下弹性应变能积累量,发现弹性应变能积累与应力–应变曲线变化趋势一致,在峰值强度时刻达到最大值。能量输入、弹性能量积累及能量耗散随煤样受载变形呈非线性演化规律,但在任一时刻应力的平方与弹性能量积累表现出良好线性关系。基于此改进峰值强度时刻弹性能量积累量计算方法,更加准确获取试件峰值强度时刻弹性应变能积累量。进一步提出综合考量煤体强度、能量演化及破坏时间的有效弹性能释放速率指数K_(ET)评价煤的冲击倾向性,并结合现有指标给出冲击倾向性分类临界值。最后采用远场碎屑质量占比w及平均粒径d_a表征的煤样破碎程度验证评价结果合理性。研究结果表明:K_(ET)可有效解决现有各项指标评价结果离散性大且相互之间存在冲突的局限性;冲击倾向性K_(ET)评价结果与煤样破坏状态对比,发现K_(ET)与w及破碎程度正相关,与d_a负相关,评价结果更符合实际。     

煤冲击破坏的微破裂演化特征及前兆识别

煤岩冲击倾向性是冲击地压发生的重要条件。针对冲击倾向性煤微破裂演化特征及前兆识别难题开展研究,利用MTS试验机开展单轴压缩试验,综合运用声发射和高速摄像机监测手段,研究冲击倾向性煤应力变化–弹性能耗散–动态冲击破坏特征,得到煤峰前微破裂事件的时空强发育规律,构建冲击危险度指标,定义冲击危险指数,并开展前兆识别,结果表明：(1)冲击倾向性煤样峰后存在阶梯状子破坏,子破坏的应力降幅值越大,且应力降速率越快,峰后冲击破坏越剧烈,煤样分区微破裂相互交汇造成整体的冲击破坏;(2)煤样内部存在多个破裂成核区域,区域内大尺寸裂纹(大能量事件)是由众多小裂纹(小能量事件)周期性累积集中孕育,峰前大能量事件集中区域与峰后冲击破坏位置基本吻合;(3)在煤塑性应力降附近和峰值应力降前,微破裂事件呈现出短时强烈局部化特征,对应的冲击危险指数均超过1,对煤即将发生的宏观破裂(应力降)具有预警作用,可作为有效前兆指标。研究成果可深入挖掘煤岩破裂前兆信息,为煤岩灾变及冲击地压的监测预警提供参考。     

非坚硬顶板条件下高强度开采采动诱发冲击地压机理初探

即使是非坚硬顶板条件，当开采强度加大时，也将发生冲击地压灾害。针对厚及特厚煤层综采放顶煤、大采高综采等高强度开采条件，立足于由顶板岩层-煤层-底板岩层所组成的力学系统，通过数值模拟研究，研究采动应力场的时空演化过程对采掘空间受力、变形及破坏的影响及远场应力与近场应力的相互影响及诱发冲击地压的条件，弄清煤岩层垮断、采动应力场的时空演化规律，揭示非坚硬顶板条件下高强度开采采动诱发冲击地压及瓦斯灾害的机制。     

城郊矿煤样冲击倾向性指数的试验研究

利用 RMT-150B 伺服试验机对城郊矿煤样进行冲击倾向性试验,试验结果表明：测定冲击倾向性指数时煤样峰后变形特征与加载控制方式相关,测定动态破坏时间采用应力控制方式,冲击能量指数则采用应变控制方式;煤样的抗压强度与弹性模量、冲击能量指数、弹性能量指数和剩余能量指数呈正相关,而与动态破坏时间呈负相关,表明煤样抗压强度越高时发生冲击地压的危险程度越大;煤样的冲击能量指数与弹性能量指数,弹性能量指数与剩余能量指数均具有良好的正相关性;动态破坏时间与冲击能量指数具有呈良好负相关;剩余能量指标和弹性模量能否作为评判煤层冲击性等级划分有待进一步研究;城郊矿二2煤层煤样的动态破坏时间为306 ms、弹性能量指数为5.91、冲击能量指数为2.48、单轴抗压强度为8.86 MPa,依据规程模糊综合法评判二2煤层属于弱冲击类。     

硬煤冲击倾向各向异性特征及破坏模式试验研究

煤体冲击倾向性是煤矿冲击地压灾害危险程度的重要影响因素,层理等结构弱面使煤体冲击倾向性表现出各项异性特征。为探究煤体层理对冲击倾向性影响,自塔山矿4#煤层采集煤块,按不同层理角度加工成3组标准煤样,采用ZBL-U510非金属超声检测仪测得煤样波速,以MTS815.04型岩石伺服刚性试验系统测定力学参数,并对煤样破坏断口进行扫描电镜细观分析。研究结果表明:(1)塔山4#煤层具有典型硬煤特征,各项力学指标表现出强烈各向异性;(2)当层理面与加载方向夹角为90°时煤样冲击倾向性最强,0°时次之,45°时最弱;(3)将煤样应力–应变曲线归纳为3种典型形态,并对比分析不同层理角度煤样破坏形态;(4)基于煤样承载特征及宏观破坏模式差异,认为冲击倾向性由强到弱破坏模式依次为突发失稳、渐进失稳和延性失稳,从能量积聚与释放量级与速度角度分析了不同层理角度煤样冲击倾向性;(5)不同层理角度煤样断口形态不同,90°层理煤样断口呈光滑柱状,45°为粗糙破浪状,颗粒分布较多,0°为光滑台阶状,煤样存在穿晶与沿晶两种细观断裂方式,其能量吸收与断裂速度不同,导致煤样细观上冲击倾向的各向异性。     

不同应力路径下煤样变形破坏过程声发射特征的试验研究

 利用RMT–150B岩石力学试验机对义马耿村具有冲击倾向性煤样进行常规单轴、三轴和三轴卸围压试验,研究在不同应力路径下煤样变形破坏过程中的声发射特征。试验结果表明,煤样在不同应力路径下加载变形破坏过程中产生的声发射特征有所差异。常规单轴压缩过程中各个阶段均有不同程度的声发射事件,与三轴筒内单轴压缩相比,声发射累计计数和能量明显偏大,破坏瞬时的声发射计数和能量大致相当;常规三轴压缩试验时,在围压作用下煤样屈服前声发射事件较少,进入屈服阶段声发射事件逐渐趋于活跃,计数和能量大幅度增大,标志煤样破坏前兆,破坏瞬时声发射计数和能量达到最大值;三轴卸围压试验时,在卸围压前煤样处于弹性阶段声发射事件较少,随围压逐渐降低,由正应力提供的摩擦力不断减小,煤样内部材料强度相对较低逐步屈服破坏形成微裂纹。屈服前期产生少量声发射事件,屈服后期声发射事件逐渐趋于活跃,计数和能量大幅度增大,标志煤样卸围压破坏前兆,破坏瞬间计数和能量同时达到最大值,与常规三轴压缩相比,声发射计数更大,能量则更高,表明三轴卸围压煤样破坏时更加强烈;常规单轴压缩煤样破坏产生的声发射累计计数和累计能量明显偏大,三轴筒内单轴、常规三轴压缩以及三轴卸围压试验时,声发射累计计数和能量大致相同,没有明显差异。     

山西大同煤矿区冲击地压灾害分析与防治建议

煤矿冲击地压是煤矿井巷或工作面周围煤岩体剧烈释放煤岩体造成巷道挤压、破坏、冒顶的一种动力现象。近年来随着煤矿开采强度、深度不断增加,已成为中国煤矿安全生产的重大灾害之一。山西是中国重要煤产地,采煤历史悠久,矿井数量众多。山西最早冲击地压事故出现20世纪60年代的大同侏罗系矿区,2004年以来随着煤矿开采深度的增加,冲击地压对煤矿安全生产影响愈加突出。通过对山西大同矿区煤矿冲击地压的分类和扰动因素的分析以及防治和监测预警方式的分析,发现大同矿区已发生煤矿冲击地压事故主要为浅部冲击地压,发生冲击地压的岩体主要是煤体、顶板和底板, 其中以坚硬顶板型和煤柱型冲击地压为主；煤矿冲击地压的自然扰动因素主要是顶板冲击倾向性和煤体冲击倾向性,此外地应力环境和矿井地质构造也是影响煤矿冲击地压的两个重要因素。煤柱集中载荷和不合理的支护方式是大同矿区煤矿冲击地压事故的两个重要人为扰动因素。大同矿区应优化开采和掘进方式,从井田和矿区层面上尽可能减少和避免冲击地压的发生。此外,应重视对地应力和冲击地压发生机理的研究。建议对山西全省400 m以深矿井冲击倾向性进行全面的“体检”和筛查,从区域上对煤矿冲击地压发生进行预测预警。     

基于采动顶、底板岩层损伤的冲击地压预测

为探索微震法预测冲击地压的原理和应用技术,在装备高精度微地震监测设备的煤矿,开展采掘过程连续的岩体破裂现场监测,使用自主研发的采动岩体破裂规律分析和冲击地压预测软件MapRAS进行预测研究和工程应用。发现采动过程岩体微破裂在顶板和底板的深度扩散是产生冲击地压的大概率事件;提出采动顶、底板深度损伤是冲击地压成核重要因素的观点。建立应用微震数据辨识顶、底板采动破裂损伤深度的函数关系式和算法。分析显示顶板和底板深度损伤存在联动,与顶板关键层的周期破断及其后效相对应,反映出顶板、底板的加–卸载过程,在华亭煤田多显现为巷道底板破断型冲击地压。经工程应用检验,预测效能较高,应用效果良好。     

我国冲击地压分布、类型、机理及防治研究

在对我国冲击地压分布状况进行研究的基础上，将冲击地压分为煤体压缩型、顶板断裂型和断层错动型等三种基本类型，并分别研究其发生机理，提出了通过煤层注水、卸压爆破、机械振动致生岩体裂隙改变煤体性质防治煤体压缩型冲击地压，通过开采解放层、本层煤解放的高压水射流钻孔割缝、留设煤柱改变顶板运动规律防治顶板断裂型冲击地压，通过限制断层移动防治断层错动型冲击地压等有针对性的治理措施。     

阜新矿区深部高瓦斯矿井冲击地压研究

阜新矿区冲击地压的特点是发生冲击地压事故的区域地质构造复杂、深部开采、瓦斯含量高且瓦斯压力大，煤层及其顶底板积聚了大量的弹性势能，当煤体受到采掘活动的扰动时，弹性势能释放而发生冲击地压。进入深部开采后，冲击地压开始频繁发生，说明大采深是冲击地压发生的直接原冈。对于高瓦斯矿井，为避免瓦斯灾害而加大瓦斯抽放量，使煤层中大量瓦斯经解吸、渗流而排出，改变了煤体的物理力学性质，造成由瓦斯灾害向冲击地压事故的转变，冲击地压的频度和强度均明显增加。控制瓦斯抽放量可达到既降低瓦斯突出危险又避免冲击地压发生的目的。在有冲击地压危险倾向的采区，采用煤层注水措施，改善因瓦斯抽放造成的煤体脆性度增加的状况，可以降低冲击地压危险。     

花岗岩应变岩爆声发射特征及微观断裂机制

 对真三轴应力状态下的突然卸载应变岩爆试验监测到的声发射原始波形数据进行频谱分析和时频分析。根据三亚花岗岩岩爆试验前后样品SEM微观结构照片,岩爆过程的声发射频谱特性及声发射参数RA值(声发射撞击上升时间/幅度)的不同,分析其破坏过程的微观机制。在试件相对稳定阶段,产生以低幅、低能量释放为特征的波,对应微裂纹的滑移或局部的微裂纹开裂;在岩爆发生时声发射波除低频部分的幅值明显增大之外,高频幅值也有增大趋势,表明有高能量释放,试件内产生宏观破裂;岩爆前RA值增加,岩爆时降低。高RA值是张裂纹形成产生的波,低值是剪切裂纹形成的波。试验结果揭示岩爆过程中同时产生大量的高频低幅特征的波和低频高幅特征的波,分别对应形成穿晶或解理微裂纹,以张裂纹为主及沿晶或穿晶宏观裂纹,以剪切裂纹为主,显示高能量释放及低RA值特征。     

深井富水工作面“动—静”应力效应诱发冲击地压机理研究

冲击地压的发生是一个多因素诱发的结果。以郓城煤矿1301工作面为工程背景,研究“动—静”应力效应诱发的（“动”指工作面回采时,上覆岩层运动对前方煤体施加超前支承压力及扰动;“静”指水仓突水后,煤层上方相当于开采一个解放层,突水区域上覆岩层部分应力向周边转移,使突水区域周边的静应力升高）新型冲击地压发生的机理,本文采用采用理论分析、现场监测、工程试验、数值模拟等方法研究了冲击地压发生的应力来源、突水造成的煤体岩性改变特征、工作面回采的动态影响等,得出以下结论：①突水打破了原岩应力平衡,使其周边煤体静应力升高,这是冲击地压发生的静应力来源。②煤体浸水30天,使煤体的强度大幅降低,使其在同等应力作用下增大了“蠕变”冲击发生的风险。③1301工作面回采,超前支承压力是发生冲击地压的动应力来源;超前支承压力与高静应力叠加,增大了应力的集中程度,再加上上覆岩层对高应力集中区的动态扰动,使冲击地压发生的风险进一步加大。该方法对于富水工作面的防冲评价具有重要的参考意义。     

基于多物理场参数变化的花岗岩巷道岩爆前兆模拟实验研究

 通过室内实验以及数值模拟研究构造应力对花岗岩巷道岩爆的影响,从可见光图像、声发射、远红外的变化规律入手,分析三者与巷道岩爆的内在联系,揭示巷道岩爆的孕育机制。实验选择的花岗岩岩爆倾向性指数为13.84～18.02,属于中等程度岩爆倾向性岩石。研究结果表明：由于岩石破裂过程中的能量耗散,发生岩爆前均会出现多种物理参数突变现象;岩爆发生前,巷道围岩将出现大范围应力转移和应力集中,岩爆发生时巷道左右以及上下边帮将有岩屑弹出,并且侧压越高,岩爆的烈度越强;岩爆发生前至少出现2次大范围温度跳变,即温度初始异常点与岩爆前兆点;声发射绝对能量b值的跳变和平静期的出现可作为大破裂的前兆信息;经统计分析,这3种监测手段对岩爆的响应敏感顺序为：可见光图像＞远红外＞声发射。由于岩体内部观测的复杂性,采用多种监测手段,建立岩爆监测的多物理场参数联合预警方法,可为岩爆监测提供更准确地预警信息。     

采场顶板破断型震源机制及其分析

 作为一种区域、实时、动态监测手段,微震监测技术用于预测预报冲击矿压等地质灾害乃至防灾减灾完全可行,而不同震源震动机制的研究是微震法预测预报冲击矿压的前提和基础。采场顶板是影响煤矿冲击矿压发生的重要因素,在分析采场坚硬顶板断裂过程的基础上,建立坚硬顶板断裂震动的等效点源模型,并根据该模型用震动波理论分析坚硬顶板断裂的震动位移方程,揭示了坚硬顶板断裂的震源机制,并通过三河尖矿微震监测的坚硬顶板断裂信号验证分析结果的正确性。研究表明,采场顶板由于受源外介质的拉力作用,断裂时震源会产生波前向外传播的压缩波,震源处岩体破坏主要为张性拉伸破坏。研究结果可为顶板型冲击矿压的预测预报和防治提供理论依据。     

岩浆岩侵入区巨厚煤层掘进巷道冲击地压机制研究

针对岩浆岩侵入区采掘期间冲击地压频繁发生的实际问题,运用理论分析、数值模拟以及工程实践等研究方法,研究岩浆岩侵入区巨厚煤层掘进巷道冲击地压机制。主要结论如下:基于弹塑性理论推导出巨厚煤层巷道围岩应力分布计算公式,由此绘制应力分布等值线图,结果表明最大主应力方向、最大剪应力集中区位置均与煤层倾向相垂直,煤层倾角不能改变最大主应力和剪应力的集中程度,而侧压系数对最大主应力集中程度的影响较大。坚硬岩浆岩顶板在采空区上大面积悬顶导致其附近大面积煤体应力的整体升高,为冲击地压发生提供了静载荷;掘进施工诱发岩浆岩局部侵入带能量的瞬时释放,为冲击地压发生提供了动载荷;综上分析,建立岩浆岩侵入区巨厚煤层掘进巷道冲击地压的力学模型,得出冲击发生判据,进而获得冲击地压发生机制。应用研究成果,较好地分析了矿井实际掘进巷道冲击地压的发生机制,并有效地指导了冲击地压防治实践。     

厚硬顶板硬顶煤压缩性分析与综放开采方案选择

顶煤的运移与垮落，尤其是内部微观裂隙的扩展，与其直接项和老项岩层的活动规律密切相关。张双楼煤矿主采煤层为7煤和9煤，两层煤之间赋存唯一一层厚硬岩层，即9煤层的直接项也是7煤层的直接底。9煤较硬，其项煤的可放性和开采方案的选择是其成功应用综放开采技术的关键。采用实验室物理模拟，分析厚硬岩层的破断特征，并根据开采不同布置方式与厚硬岩层的不同断距提出9种上层煤与下层煤不同开采方案，系统分析下层煤项煤压缩量的变化及其可放性。计算机数值模拟与现场实践表明，7煤与9煤的工作面成交错布置方式，先采7煤后采9煤，一次采全高，最有利于9煤工作面的顶煤冒放，保证9煤综放开采的成功。研究结果可为类似条件下的厚硬煤层推广综放开采工艺提供设计指导。