基于不同强度煤体的合理卸压钻孔间距研究

为了避免软煤卸压密度过大造成巷道大变形和硬煤卸压密度小导致卸压不充分的问题,采用案例分析、理论研究及数值模拟等方法,建立了钻孔卸压原理的能量耗散分析模型,研究了高应力条件下钻孔卸压煤体的位移场、应力场、塑性区、弹性能密度及局部能量释放率分布规律,得到了卸压钻孔间距与煤体强度的关系。结果表明:1)钻孔间距减小,相邻钻孔的耦合作用加强,卸压作用范围和效率增大;2)卸压钻孔间距的主要判据为钻孔塑性区扩展闭合,以位移场、应力场和弹性能密度分布等作为辅助判据;3)单轴抗压强度为12.04～35.35 MPa的煤体合理卸压钻孔间距为1.4～0.65 m;4)合理卸压钻孔间距与煤体强度线性拟合度R2为0.986 61。研究成果可为不同强度煤体选择合理卸压钻孔间距提供参考。     

复合厚煤层巷道掘进冲击地压机制及监测预警技术

针对我国西部矿区复合厚煤层工作面掘进期间煤粒弹射现象频繁、震动持续时间长、冲击破坏范围集中在掘进工作面附近的特点,以新疆硫磺沟煤矿复合厚煤层巷道掘进为工程背景,采用现场调研、理论分析和现场监测等方法,对复合厚煤层掘进工作面煤粒弹射和冲击地压发生机制及监测预警技术进行了研究。复合厚煤层掘进工作面频繁发生煤粒弹射和冲击地压的主要原因是巷道开挖后围岩中软煤部分会快速卸荷破坏产生煤粒弹射现象,软煤破坏后导致硬煤局部产生剪应力集中,当应力集中程度超过硬煤极限强度时,硬煤发生剪切失稳破坏,进而诱发掘进工作面冲击地压。现场监测结果表明,复合厚煤层掘进工作面冲击前后煤体应力及锚杆索压力监测无明显征兆,地音监测能够捕捉到冲击地压信息,但复合厚煤层工作面掘进期间频繁煤粒弹射产生的众多小能量震动事件严重影响了地音监测预警结果的准确性。据此提出了基于"地音大事件"概念的监测预警方法,即只监测对掘进工作面冲击地压有明显影响的大能量地音事件,这些地音事件具有的明显特征为发生的总频次相对较低,但总能量较高,根据统计分析,将(4-5)04胶带巷掘进工作面能量大于1 000 mV的地音称之为地音大事件。通过与原预警方法进行对比,基于"地音大事件"概念的预警方法预警准确率更高,也更符合现场实际情况。     

深井特厚煤层工作面强烈动压区安全开采技术

为保障深井特厚煤层工作面在强烈动压区的安全开采,以新巨龙矿井2302S工作面为背景,通过现场监测、数值模拟和理论分析,研究了深井特厚煤层工作面强烈动压区的致灾机理与安全开采技术。研究结果表明：应力监测得到的强烈动压区内冲击地压危险区超前影响距离约为117 m,峰值影响距离约为48 m,压架危险区超前影响距离约为26 m,并采用数值模拟进行了验证;工作面过强烈动压区时存在煤柱冲击和采场压架两类动力灾害,诱发煤柱型冲击地压的机理主要在于工作面开采引起煤柱应力高度集中;诱发采场压架的主要机理在于支架控顶距的突变导致支架载荷异常;根据强烈动压区致灾机理提出了相应的安全开采技术,并进行了现场验证,保障了工作面的安全开采。     

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。     

综放采场上覆厚层坚硬岩层破断规律的分析及应用

根据厚层坚硬岩层的赋存和运动特点,利用基于弹性理论、考虑岩梁体积力的厚层坚硬岩层运动规律的力学判据,给出厚层坚硬岩层运动方式的判断曲线,通过分析厚层坚硬岩层运动方式的影响因素,得出厚层坚硬岩层分层运动的可能性大、层间效应明显、关键层的“关键性”下降的结论;通过与传统研究方法的对比和工程实例分析,表明文中厚层坚硬岩层运动规律的力学判据和判断方法可对“关键层”在运动过程中的破断方式进行较准确的预测。     

微震监测揭示的C型采场空间结构及应力场

为研究开采强烈冲击倾向煤层解放层的卸压效果,采用微地震定位监测技术,对三面采空长壁工作面（解放层）的开采进行覆岩空间运动结构及应力场分布的监测。根据岩体在三维空间的破裂成像,揭示采场覆岩空间破裂与采动应力场的关系,得出以下结论：（1）工作面三侧采空区老顶上方的岩层形成C型空间结构,微震事件分布在C型结构的外侧,构成岩体破裂区,在C型结构的内侧为高应力区,并对高应力区域的转移及不同区域的应力状况进行了描述;（2）C型结构的最凹部在煤柱上方,煤柱最小时的支承压力分布为：在靠近上顺槽的区域,老顶以上的厚硬岩层已经发生断裂,形成卸压带;靠近下顺槽的区域,老顶以上的厚硬岩层未断裂,形成应力集中区。因此,通过监测确定被解放层的解放范围,对圈定的冲击危险区域预先采取防治措施,可实现安全开采。     

采场覆岩空间破裂与采动应力场的微震探测研究

介绍了用微地震定位监测技术揭示的采场覆岩空间破裂与采动应力场的关系。认为存在 4种由采动引起的岩体破裂类型。展示了 3种典型采动边界条件下覆岩破裂与采动应力场的关系。提出了由微震事件分布推断区段煤柱稳定性的方法。     

微地震监测在特厚煤层底板突水评价中的应用

特厚煤层综放开采对底板扰动大,在底板下方有承压含水层时,存在原生裂隙导水、采动裂隙导水、构造活化导水等底板突水灾害,动态监测底板裂隙的萌生、发展、贯通直至破坏过程是底板突水灾害有效预测、预警的关键。以平朔地区特厚煤层综放工作面回采过程中底板突水问题为研究背景,在工作面建立了一套自主研发的高精度微地震监测系统,实时获取采动过程中采场围岩破裂的三维特征,采用动突水系数法,对该工作面底板突水可能性进行了分析。研究表明:工作面向斜轴部以西90 m突水危险性增大,动突水系数达到峰值,但小于带压开采突水危险标准,认为工作面回采期间无突水危险。通过对比,动突水系数峰值位置与底板最大破裂深度位置具有明显的时空差异,且底板破裂深度峰值超前于动突水系数峰值,为通过底板破裂深度进行突水危险的实时预警提供了依据。     

基于Druker-Prager准则的煤层冲击失稳模型

屈服准则对煤层冲击失稳模型的计算结果有较大影响。考虑中间主应力和支护阻力的作用，运用Druker-Prager准则对煤层平动冲击失稳模型进行推导，得到煤层应力、扰动区长度、塑性区长度的解析公式，并与基于Mohr-Coulomb准则的计算结果进行对比，分析支护阻力、原岩应力、巷道尺寸对煤层冲击失稳的影响。结果表明，此方法得到的煤层应力分布曲线符合典型的煤层应力分布特征，且其煤层冲击失稳评价结果更加可靠；加强支护和减小巷道宽高比，能够降低深部煤层发生冲击失稳的危险。     

复合墙体支护技术在沿空留巷中的应用研究

为解决深部工作面沿空巷道因超前支承压力过大引起导致巷道变形量大以及易发生冲击地压的问题,基于分段分级承载原理提出复合墙体巷旁支护技术。复合墙体以矸石砖墙作为主墙体,以无机充填材料瑞米Ⅲ号作为副墙体,通过对沿空留巷顶板进行力学分析,计算出顶板下沉量及墙体支护强度。由实验室试验可知矸石砖的支护强度为10.4 MPa,完全能够满足墙体所承受的顶板压力;副墙体设计高度为0.4 m即可满足让压的需要,又能保证主墙体的支撑作用。结果表明:运用复合墙体支护技术能够有效控制巷道变形、防止冲击地压事故发生,解决了工作面沿空巷道超前支承压力过大的问题,同时解决了煤矸石污染环境的问题。