煤矿深部开采煤岩动力灾害防控理论基础与关键技术

煤岩层赋存条件决定了煤矿深部开采条件下煤岩动力灾害的发生机理更趋复杂、防控难度显著增大,如何解决煤矿深部开采煤岩动力灾害防控问题,直接影响我国煤矿的安全生产和能源的有效供给。针对"煤矿深部开采煤岩动力灾害防控技术研究"这一科学命题,基于冲击地压"三因素"机理和煤与瓦斯突出的综合作用假说,从煤岩动力灾害防控理论基础、关键技术和防控实践等3个方面,梳理澄清了煤矿煤岩动力灾害防控中的一些模糊概念,建立了用于统一描述冲击地压和煤与瓦斯突出发生机理的广义"三因素"("物性因素"、"应力因素"及"结构因素")理论,确定了我国煤矿典型冲击地压的4种类型(煤层材料失稳型、煤层结构失稳型、顶板断裂型、断层滑移错动型),分析了影响冲击地压和煤与瓦斯突出的主要因素,从思想认知、原则方法及技术核心等方面凝练了煤岩动力灾害多尺度分源防控技术,提出了深部开采冲击地压巷道"三级"吸能支护思想与成套技术,开发了煤与瓦斯突出井上下联合抽采防控技术和超高压水射流"横切纵断"防治复合煤岩动力灾害技术,并在现场开展了应用试验。煤矿深部开采煤岩动力灾害防控理论与关键技术的建立与完善,为我国今后煤矿煤岩动力灾害的防治提供了科学依据。     

基于能量贮存及释放主体的煤矿冲击地压分类

冲击地压研究系统包括发生机理、发生准则及基于机理和准则的预测和防治。因诱发冲击地压影响因素众多,相应的类型多样,传统的研究多集中在机理、监测及防治的独立性研究上,造成现场冲击地压预测和防治的盲目性。为了系统性掌握冲击地压机理,提高冲击地压预测和防治效率,通过调研已有的冲击地压分类方法,从能量贮存及释放主体的角度提出了一种新的冲击地压分类方法;依据扰动响应失稳理论,分析了各类型冲击地压的发生机理;建立各类型冲击地压力学模型,得到了冲击地压发生条件的解析解和发生时释放能量估算公式;并对分类方法在预测和防治中的应用进行了初探。研究结果表明:根据能量贮存及释放主体的不同,冲击地压划分为煤体贮存及释放能量型(Ⅰ)、顶板贮存及释放能量型(Ⅱ)、断层带及围岩贮存及释放能量型(Ⅲ)3种类型;Ⅰ型冲击地压由煤体压缩失稳并释放贮存的弹性能产生,发生条件由煤体固有属性单轴抗压强度σ_c和冲击倾向性指数K决定,释放能量与冲击倾向性指数K呈反比关系;Ⅱ型冲击地压由顶板-煤层变形系统中顶板断裂失稳诱发,顶板抗拉强度σ_t越大,冲击的临界采空区跨度L_(cr)越大,失稳垮断时释放能量也越大;Ⅲ型冲击地压由断层带及围岩系统中断层带岩石在软化阶段失稳产生,失稳条件由断层结构及围岩剪切模量确定,失稳时释放能量与断层落差成正比关系。基于各类型冲击地压的分析,提出了针对Ⅰ型冲击地压临界应力P_(cr)的监测方法及其调控防治方法,针对Ⅱ型冲击地压顶板的变形监测方法和支撑顶板或诱导垮断的防治方法,针对Ⅲ型冲击地压断层附近应力监测和降低断层处应力集中程度的防治方法。     

煤矿冲击地压巷道三级支护理论与技术

建立了冲击地压巷道"应力-围岩-支护"力学模型,得到了考虑巷道支护作用下冲击地压启动应力条件为远场应力大于临界应力,停止的能量条件为近场围岩吸收能量和支护吸收能量大于远场释放能量。基于巷道围岩与支护体动力响应分析发现,冲击地压发生过程中围岩阻尼特性、锚固岩体的抗冲击吸能特性及巷内支护体的阻尼及刚度对冲击载荷作用下巷道围岩的稳定性具有重要影响。提出巷道冲击地压防冲支护应从静-动力学两个角度,同时考虑"启动—破坏—停止"全过程。①在冲击启动前,依据冲击启动的应力条件降低煤体应力,减少弹性能积聚,提高支护阻力,增加启动难度;②依据冲击停止的能量条件,在冲击过程中,通过改变煤岩体结构与介质属性,吸收或消耗冲击能;③在冲击应力波传播的末端,通过提高巷内支护结构阻尼吸收剩余冲击能,减弱冲击应力波对巷道支护结构的破坏。提出冲击地压巷道支护结构应具有让压可缩与吸能特性,防冲支护应根据冲击地压能量特性进行分级设计。研发了吸能锚杆索、吸能O型棚、吸能液压支架等吸能支护装备,利用吸能构件的结合及功能互补特性建立了三级吸能支护体系,三级吸能支护系统具有径向让位、环向可缩以及轴向稳定特性,实现了冲击地压巷道三维立体吸能支护。     

回采巷道冲击地压危险指标的确定

本文根据稳定性动力准则，得到了采场巷道受静水压力作用下，发生冲击的临界峰值应力深度和发生冲击地压的临界开采深度，解释了冲击地压发生的一些现象，为现场确定冲击地压危险指标，提供了理论依据。     

基于小波变换的矿震波的P波和S波的识别

对矿震震相的自动识别是矿震信号分析和处理的主要目标之一。基于小波变换的多尺度分析思想,采用对信号进行小波处理后的小波系数代替原始信号,应用包含在小波变换系数中的信号偏振信息,提出了确定三分向的矿震信号P波和S波震相的小波变换方法。通过对矿震数据进行小波变换得到不同尺度下的P波和S波识别因子,进而形成确定P波和S波的特征函数,从而确定P波和S波的到时。通过用小波变换对木城涧矿矿震的实际资料进行处理分析,实现了P波和S波到时的自动拾取,取得了满意的结果。     

基于突变模型的断层冲击矿压震级预测

应用围岩 断层模型按突变理论分析了断层冲击矿压的相关影响因素,并对断层冲击矿压的震级进行了预测。断层冲击矿压是由于开采活动引起的断层突然相对错动、弹性应变能迅速释放的动力现象。其特点是释放能量多,震级高,一般为里氏4级左右,破坏程度较大,应进行重点防治,以避免人员伤亡,减少重大损失。断层冲击矿压的震级随断层厚度增大而减小,随断层软化指数增大而增加,随断层初始剪切弹性模量增大而增加,随围岩的初始剪切弹性模量增大而减小。     

圆形硐室岩爆的震级预测

应用损伤力学和极值点失稳理论对圆形硐室岩爆进行了解析分析,在此基础上采用地震震级与地震波释放能量的关系,对圆形硐室岩爆震级预测方法进行了探讨。圆形硐室岩爆震级与采深、圆形硐室半径及岩性等影响因素有关,随采深、圆形硐室半径、岩石抗压强度及E/λ增加而增大,与实际观测的结果基本相符。所提出的岩爆震级的预测方法可以推广应用于煤柱和采场冲击矿压最大震级的预测。     

华丰煤矿深部冲击地压研究

本项目对华丰煤矿冲击地压发生机理、预测防治方法、深部冲击地压煤层开拓部署、预测防治规划进行了研究,优化了巷道布置,减少了煤柱尺寸和数量,取得了明显的经济效益。该成果的应用提高了对冲击地压机理的认识,优化了预测预报和治理手段,遏制了重大恶性事故的发生。     

光测方法在岩石力学实验观测中的应用述评

综述了常用光测方法在岩石力学实验观测中的应用,总结了这些光测方法相对于岩石力学中常用的其他方法的特点。最后在分析岩石力学实验观测新趋势的基础上,指出发展一种以数字散斑相关方法(DSCM)为基础的岩石力学观测系统,将可以满足岩石力学观测中的新的需要。     

煤体振动后力学性质变化规律的试验研究

通过实验研究了煤体受振后力学性质的变化规律。采用分形几何的方法，研究了煤体在受振后裂隙的变化规律，发现受振后煤体的分形维数增大，表明小尺度的煤体裂隙增加，且经过一定的振动时间后，分形维数趋于稳定；研究了振动对煤体力学性质的影响，发现受振后煤体的抗压强度、弹性模量和降模量降低，且受振时间越长或初应力水平越高，振动对煤体力学性质的影响越明显。