深孔断顶爆破防治冲击地压的理论与实践

 简要阐述我国冲击地压作用机制及控制技术研究现状，深入探讨深孔断顶爆破的作用机制，采用数值模拟方法分析深孔断顶爆破防治冲击地压的基本原理，对于爆破前后的应力场进行对比分析，从计算结果来看，深孔断顶爆破能够从根本上改变煤岩体的应力分布状态，显著降低爆破有效范围内煤岩体中的应力水平，应力峰值出现的位置明显远离煤壁，峰值的大小大幅度降低；结合急倾斜煤层开采条件和倾斜煤层开采条件，进行深孔断顶爆破防治冲击地压的实践，并通过应力监测对其卸压效果进行检验。监测结果表明，采用深孔断顶爆破技术能够有效改变煤岩体的应力状态，对具有冲击危险的区域起到较好的卸压作用；在华亭煤矿急倾斜煤岩层条件下深孔断顶爆破的实践中，在监测期间内，深孔断顶爆破后顶板岩层出现3次明显的周期性垮断现象，压力显著降低，周期来压明显，从而降低冲击危险性，有利于矿井的安全生产。     

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。     

急倾斜煤层的冲击地压危险区域划分研究

对长沟峪煤矿的急倾斜煤层进行了数值模拟,并对推采不同距离时的垂直应力云图进行分析,得出危险区域为工作面的上下端头,与实际开采情况基本吻合,说明数值模拟方法可为急倾斜煤层安全开采和冲击地压的防治工作提供参考。     

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。     

矿震诱发型冲击地压临场预警机制及应用研究

矿震诱发型冲击地压预警是世界性难题,通过多年的监测预警机制研究和现场实测发现,采场监测区域内应力突降是此类型冲击地压的典型前兆之一。结合关键岩层断裂特征与煤岩体应力变化关系,得出依据矿震发生前煤岩应力突变规律实现临场预警的机制:高位关键岩层拉伸断裂前后采场超前应力从单峰演化为双峰状态,在关键岩层断裂位置下方煤岩体内出现应力突降,数分钟后因岩梁断裂回转,其下方支承区域内岩体受强烈动载破坏而引发矿震。根据临场应力突降值和突降范围,判定矿震对采场的危害程度和影响范围,进而及时作出现场避灾处理,结合开采前预判关键层破断步距和开采过程中高精度微震追踪岩层破裂高度,判断矿震发生的区域,提高临场预警的时效性和准确性。本文揭示的现象和关键数据为临场预警矿震诱发型冲击地压提供了一种直观有效的方法。     

急倾斜煤层坚硬顶板塌落规律及控制研究

急倾斜煤层坚硬顶板塌落控制已成为煤矿生产中的难点问题,深入研究急倾斜煤层坚硬顶板塌落规律及控制方法对煤矿安全生产具有重要意义。通过现场勘查及室内试验方法分析煤岩层岩体的力学特性,采用室内相似材料模拟实验方法及离散元数值计算方法研究急倾斜煤层坚硬顶板的塌落规律,分析急倾斜煤层坚硬顶板的突变塌落特征及范围,设计坚硬顶板预裂爆破方案,利用离散元方法对坚硬顶板塌落控制方案进行数值模拟计算,并与实际工程中的应用效果进行对比分析。研究结果表明:坚硬顶板岩层具有明显的弹脆塑性破坏特性,采用弹脆塑性应变软化本构模型计算煤岩层接触面的破坏过程,能够合理反映急倾斜煤岩层顶板的破坏特征;3DEC离散元计算结果与相似材料模拟实验结果基本吻合,急倾斜坚硬顶板在短壁开采条件下沿倾向位移不明显,沿走向不易塌落,易在后方采空区形成跨度75～85m的大面积悬顶,并伴有明显的突变塌落特征;提出利用离散元方法计算超前深孔预裂爆破顶板的数值计算方法,计算结果与现场实际应用效果相符,验证了该方法应用在坚硬顶板控制研究方面的可行性。     

先裂后注防治冲击地压的机制与现场试验

为实现煤矿冲击地压的主动区域性防治,提出先裂后注冲击地压防治技术。首先,对常规冲击地压防治技术进行分类,分析常规冲击地压防治技术6个方面的局限性;其次,探讨先裂后注对煤层的作用过程,以及先裂后注防治冲击地压的机制;然后,总结硬煤压裂和软煤压裂2个现场试验的成果,分析先裂后注防治冲击地压的效果;最后,讨论先裂后注冲击地压防治技术的不足,以及现场可能出现的问题及相应原因。研究表明,先裂后注对煤层的作用包括裂化煤层和湿润煤层,其中裂化煤层能够起到弱化蓄能能力、均化应力、孤立冲击体的作用,宏观上改变了煤体的完整性和应力分布特征;湿润煤层能够降低煤层冲击倾向性,细观上改变了煤体的脆性、储能与耗能特性。研究结果对推广应用煤层压裂技术和实现冲击地压主动区域性防治,具有十分重要的意义。     

急倾斜巨厚煤层组开采煤岩体联动诱冲机制与防冲调控

针对急倾斜巨厚煤层组开采时岩柱及顶板悬空致使动力灾害严重的现状，综合运用理论分析、现场监测等研究方法，构建岩柱、顶板力学模型，并推导表征岩柱、顶板弯矩和能量演化规律的表达式，研究随采深增加岩柱、顶板弯曲变形及能量演化的规律，评估不同煤层开采的冲击危险性，分析诱冲机制并提出防冲策略及方案。研究结果表明：(1)急倾斜巨厚煤层组开采时，随采深增加岩柱、顶板弯曲变形和能量蓄积均呈非线性加速变化，且回采阶段内弯曲变形严重、能量蓄积更高。采深300 m后能量急剧增加，确定该采深为冲击灾害发生临界值。(2) B1+2煤层回采时，岩柱撬转、能量积聚均较B3+6煤层回采时小，评估得出回采B1+2煤层的冲击危险性较回采B3+6煤层时小。相比岩柱，B3+6煤层顶板的弯曲变形更严重，能量蓄积更高。(3)确定冲击易发区域为各应力峰值叠加位置。冲击力源有静载和动载，静载是冲击发生的基础条件，为蓄能作用；动载为诱冲作用，动静载联动作用诱发冲击。(4)防冲的关键是弱化静载，B3+6煤层回采时需加强防治，重点防治对象为岩柱及顶板，重点防治区域为各应力峰值叠加位置。现场实施岩柱、顶板爆破及煤体注水后，有效弱化了静载水平，...     

孙村煤矿－1 100 m水平深部煤岩冲击倾向性组合试验研究

冲击地压灾害防治是深部开采面临的重要难题之一。对孙村煤矿-l100m水平(埋深1310m)延伸时煤岩的冲击倾向性进行了试验研究。为探求煤-岩层相对厚度变化对深部煤岩体冲击倾向的影响，进行了7组不同高度比的煤岩组合试件力学性质与动态破坏特性的试验研究，获得了深部煤岩冲击倾向性评判结果；研究了浸水对深部煤岩强度与冲击倾向的影响，为该矿防治冲击地压提供了试验依据。     

煤岩体应力动态监测系统开发及应用

煤岩体应力是矿井支护设计、矿压分析、冲击地压等煤岩动力灾害预测与防治的重要依据。为了定向测试煤岩体多向应力及其演化规律,自主研发了三向缸体压力感应器和煤岩体应力动态监测系统。感应器上设置的感应片可实现与煤岩体主动有效耦合,通过感应片伸缩变形和油压变化来反映煤岩体应力大小,进而通过该监测系统实现煤岩体应力多向、实时连续测量。将该系统应用于煤矿现场采动应力监测,分析了采场应力分布及演化规律。监测结果表明,多测点应力测量可反映巷道围岩应力分布及随采动等演化规律,可以确定巷道围岩卸压带范围、应力集中范围及应力集中程度等。实测分析得到了工作面巷道内帮煤体的三向正应力分布规律;各测点应力变化趋势基本一致,同一测点3个方向正应力并非完全同步;测试工作面巷旁存在2个应力峰值区及2个卸压带。该系统为定向监测煤岩体应力提供了有效手段和方法,可用于矿山应力监测分析、围岩稳定性监测分析、冲击地压等煤岩动力灾害监测预警等。     

超前深孔顶板爆破防冲数值模拟及应用研究

通过对超前深孔顶板爆破防冲机理及影响因素进行分析,以典型的冲击危险矿井为背景,在对顶板强度及爆破参数现场实测的基础上,模拟分析不同爆破参数(爆孔夹角、装药段长度)下的超前深孔顶板爆破效果,并采用多种监测手段对其现场防冲效果进行检验。研究发现,在爆孔深度一定的前提下,相同的爆孔角度,随着装药量的增加,超前深孔顶板爆破的影响范围也随之增大,巷帮煤体内的高应力区范围及峰值应力梯度下降越明显。在相同装药量前提下,通过调整爆破角度下,可使巷帮的高应力向深部转移甚至消失,对深部煤炭的安全开采具有重要的意义。     

基于冲击启动理论的深孔区间爆破疏压技术

 通过分析巷道冲击地压启动机制,采用数值模拟方法研究巷帮集中应力分布的爆破效应,提出基于冲击启动理论的深孔区间爆破疏压方法。研究表明：巷帮深孔爆破的区间应为冲击启动区,否则将起到负面作用;加大巷帮煤壁支护强度以疏、降集中应力是有限的;深孔区间爆破疏压方法,一方面疏、降冲击启动区应力或能量集中程度,阻止冲击启动环节发生,另一方面迫使率先冲击启动的区域向煤壁深部迁移,并增加疏压区消耗冲击地压启动后的总能量,降低能量释放速度。研究结果在现场取得较好的应用效果。     

煤层瓦斯抽采爆破卸压的钻孔布置优化分析及应用

 为解决重庆地区低透气性松软煤层瓦斯抽采率低的难题,提出煤层底板预裂爆破卸压增透新技术,指出其增透过程分为爆破应力波与爆生气体共同作用形成裂隙贯通区和爆破空腔顶部煤岩体垮落形成卸压带2个阶段。借助数值模拟对不同孔距爆破应力波的动态演变规律进行研究,发现预裂爆破影响范围分为粉碎区和贯通区,其中粉碎区范围约为爆破孔直径的6倍,而贯通区的形成则主要受大直径控制孔反射形成的拉伸波作用,最终得到预裂爆破形成贯穿裂隙且保持与控制孔同高破坏区间的最优孔距为0.9 m,并将该技术应用于重庆–煤矿K4煤层底板巷预抽瓦斯工程。应用结果表明：瓦斯抽采纯量提高2.8倍,瓦斯抽采浓度提高3.75倍,而且在爆破完成20～30 d后瓦斯抽采效果明显提高。     

深部厚煤层断层煤柱型冲击矿压机制研究

 针对断层区采掘时冲击矿压频频发生的严峻现状,运用理论分析、实验室试验、数值模拟以及工程实践等方法,研究断层区的冲击机制。主要研究内容及结论如下：(1) 建立断层闭锁与解锁滑移的力学模型,理论推导得出上行解锁和下行解锁的判定公式,公式表明断层解锁与断层摩擦强度、断层倾角以及水平应力和垂直应力之比有关。(2) 提出断层区断层煤柱型冲击矿压的概念,认为断层煤柱型冲击分为断层活化型冲击、煤柱破坏型冲击和耦合失稳型冲击,并阐释各自的冲击作用机制。(3) 分析跃进矿25110工作面20次冲击震源分布规律、冲击影响因素和冲击作用机制,认为大部分冲击为断层滑移、老顶断裂和煤柱破坏诱发的断层煤柱型冲击。(4) 从弱化断层滑移和减弱煤柱冲击破坏两方面提出针对25110工作面断层煤柱型冲击矿压的治理措施,现场实践表明,控制工作面推进速度可减少断层活化型冲击,提高巷道支护强度和爆破卸压、大直径钻孔卸压可有效降低冲击矿压灾害。     

高地应力特厚煤层“蠕变型”冲击机理研究

多起“蠕变型”冲击事故分析表明：该类冲击属于典型的隐蔽性灾害,具有自发性和时滞性的特点,发生机理的不明导致其防治极具挑战,给深部特厚煤层的安全开采造成了严重威胁。“蠕变型”冲击与不稳定蠕变密切相关,通过建立蠕变模型和三维蠕变方程,得到高地应力与特厚煤层为不稳定蠕变的形成提供了有利的孕育条件;分析了巷道围岩不稳定蠕变破坏的过程,认为不稳定蠕变通过强度“腐蚀”和应力解除2方面实现启动冲击和减小阻抗,从而在受外部静态应力叠加影响的巷道薄弱区域形成“蠕变型”冲击,并提出了判别其发生可能性的评估公式。针对这类冲击的发生机理,提出了针对性的防治措施建议：合理布置巷道、加强主动支护、优化卸压参数和长期监测。     

冲击地压煤层局部保护层开采的减压机理研究

保护层开采是区域性防治冲击地压的有效方法,但当开采保护层不具有经济价值、不开采保护层又不能保证主采煤层防冲安全的条件下,提出了开采局部保护层的防冲方案并进行了防冲和防大变形灾害的机理研究。为了论证开采局部保护层防冲方案的安全性,通过建立局部保护层和被保护层的力学关系模型,推导了在局部保护层作用下岩体应力的计算公式,绘制了不同宽度局部保护层条件下引起冲击的垂直应力和剪应力分布云图,给出了发生冲击和大变形边界的应力判据,为设计被保护层巷道的安全位置提供了理论依据。结合河南某煤矿的实际情况,给出局部保护层减压效果的计算方法,计算结果在该煤矿强冲击危险工作面设计中得到了应用。     

高应力区分层开采冲击地压事故发生机理研究

以某矿厚硬顶板条件下特厚煤层上分层开采发生的巷道与工作面同时冲击的事故为背景,研究事故发生的机理与治理方法。研究表明:引起事故的主要力源来自上层煤煤柱、不等宽区段煤柱、巨厚坚硬顶板和大断层等形成的集中应力;主要冲击灾害体是巷道和工作面内的底煤;底煤发生冲击的主要力学机理是底煤在水平应力突变条件下发生屈曲破坏,并在垂直应力作用下发生冲击性滑移。提出了上层煤柱对下层煤采动影响范围与冲击危险范围的评估方法,为制定恢复生产方案提供了科学依据。根据发生事故的机理,制定并实施了恢复生产的方案,通过实施危险区卸压措施和建立冲击危险实时监测预警体系,工作面恢复了生产,保障了安全开采。     

“三硬”条件煤层压变区域失衡冲击理论及应用

冲击地压是一种矿山动力灾害,是煤矿井工开采领域的难题之一,“三硬”条件下的冲击现象更为复杂,是开采此条件煤层亟待解决的问题。本文利用相似模拟试验揭示了“三硬”条件煤层应力集中和分布规律,结合数值模拟分析了工作面前方能量积聚情况,总结了“三硬”条件冲击地压的特征及发生过程,提出压变区域失衡冲击理论。理论认为:采、掘活动引起采煤工作面周围应力重新分布和集中,继而煤层出现软化破坏区、硬化弹塑区和裂隙压密区。软化破坏区吸收硬化弹塑性区煤体破坏释放的能量。当硬化弹塑区单位时间内释放能量大于软化破坏区吸收能量时,压变转化动平衡遭到破坏继而发生冲击地压。在此理论的指导下提出以煤层卸压孔为主、顶底板卸压槽、爆破为辅的“三硬”条件冲击地压防治措施,在实际应用中取得显著效果。     

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。