基于区域应变效应的冲击地压孕育及预警机制

冲击地压等动力灾害孕育、诱发过程有采场范围外更大规模工程岩体的参与,为探明此类灾害与区域应力场之间的相关性、冲击灾源体与周边区域应力环境之间的耦合致灾机制和定量关系,基于应力连续监测技术开展了冲击地压灾害的区域应变效应观测与特征分析。建立了针对冲击地压矿井区域应力监测的钻孔应变观测系统,实现了采场及冲击"相关区域"地层应力的动态监测;提出了钻孔应变数据特征分析参量"应变比速率"的概念,用于量化分析区域应力的演变趋势。研究表明,矿山开采中的冲击地压孕育、诱发过程伴随着区域应力场的调整,且钻孔应变实测数据验证了传统采动影响范围以外更大区域的应变效应;冲击地压发生前,相关区域的钻孔应变出现了"增高→极大值→降低→趋于稳定值"的"凸"型变化过程;应变比速率呈现出"0→正→0→负→0"变化过程,为分析冲击地压灾害孕育状态及预测预警提供了新的判断依据。     

基于两体系统动态加卸载效应的冲击地压机理

从冲击地压事件的能量来源出发,提出了破裂体和释能体相互作用的冲击震源模型,分析了冲击地压过程中能量传递与释放的动态机制,指出冲击源两体之间存在动态加、卸载效应。破裂体中裂纹传播速度越快,对释能体的动态卸载效应越显著,释能体动态应力降越大,能量释放速率越高;释能体动能越大,作用于破裂体的动态加载速率越高,破裂体破坏速度越快,碎裂程度越高,冲击地压发生过程即为两体动态交互作用加速、稳定、减速过程,相关分析与室内两体试验现象吻合。据此理论推测了冲击源的尺度特征,华亭矿区典型冲击地压事件的同步钻孔应变观测结果表明冲击时在破裂区外围不同尺度范围内存在同步应力降,为上述理论提供了工程依据。     

冲击地压"四维"孕灾机制初步分析及探讨

从系统空间概念出发,探讨了煤岩地质体冲击地压孕灾机制的相空间维度,基于已有的冲击地压各类影响因素的重新划分,提出了包括材料属性维度(M)、应力环境维度(P)、空间结构维度(S)、叠加扰动维度(D)的冲击地压"四维"孕灾机制,其中材料属性维度是指赋存于地质环境中的煤岩地质体的物理冲击属性;应力环境维度是指煤岩地质体"内-外"复合应力状态;空间结构维度是指包括地质赋存构造和已有以及现在受采动影响形成的煤岩地质体空间结构状态;叠加扰动维度是指受到人工爆破及星体运动对处于极限应力状态的煤岩地质体所引起的多源叠加扰动作用。通过建立冲击地压"四维"孕灾系统及其子系统的数学模型来描述"四维"孕灾各子系统之间的非线性关系。     

大同矿区浅源冲击地压致灾模式分析

以大同矿区坚硬煤岩组合条件下采动影响区域冲击地压发生机理为背景,分析了矿区冲击危险性煤层的顶板特点和煤层冲击倾向性,探讨了采动应力诱发煤体材料失稳和煤层整体滑移的致灾模式。通过分析典型冲击矿井的开采地质条件和采动效应,明确了大同矿区冲击地压的致灾模式,可为后续有针对性的灾害防治提供参考。     

厚硬冲击煤层宽煤柱诱发冲击地压机理及防治

针对呼吉尔特矿区厚硬冲击煤层宽煤柱诱发冲击地压现象,通过现场实测和数值模拟,分析了宽煤柱垂直应力分布特征,通过理论分析,揭示了宽煤柱发生冲击的结构条件;基于冲击地压"三因素"机理,研究了宽煤柱诱发冲击地压机理:在侧向支承压力和工作面采动应力叠加影响下,具有冲击倾向性的宽煤柱应力高度集中,当其达到极限强度发生卸载时,由于煤柱体刚度与顶板岩层刚度相近,造成煤体运动速率很大,呈现冲击地压显现。在此基础上,提出了小煤柱护巷和断顶爆破等措施降低煤柱应力、采用大直径钻孔卸压和煤层注水等措施改变煤体刚度的防治策略,针对311103工作面提出了采取断顶爆破和大直径钻孔的组合防治方法,宽煤柱应力集中程度出现明显降低,防治效果较为显著。     

红庆河矿典型工作面冲击地压灾变机理及防治

针对深部高静载应力环境下采掘工作面局部应力集中导致煤岩动力事件频发的问题,以新街矿区红庆河矿采煤工作面为工程研究背景,结合工作面开采方式与采掘期间煤岩动力事件对3^-1煤层地质条件进行初步分析;运用数值模拟软件对工作面采动应力场和能量场进行模拟,分析3^-1103综采面回采过程中采场潜在的易煤岩冲击失稳区域和冲击地压孕育-灾变机制,研究危险区域煤岩灾变力源、影响因素及防控措施。结果表明：(1) 3^-1103综采面回采期间顶板岩层结构、采空区、区段煤柱等是影响冲击地压的主要因素;(2)模拟得到3^-1103综采面回采期间采场易冲击失稳区域位置及特征,确定了采场范围内存在5个强冲击性和11个中等冲击性区域;(3)提出了包括切断冲击力源、降低应力集中、阻隔高集中应力传递三个方面的采场高静载或高静载+动载区域分源防控技术,对煤岩冲击失稳危险区域回采前进行预先卸压、回采期间局部解危和防冲减冲处理。     

冲击地压频发区矿震破裂机制与震源参量响应规律

矿震是冲击地压孕育及诱发的重要影响因素,研究矿震震源破裂机制对完善冲击地压致灾机理至关重要.为有效分析矿震震源破裂机制与震源参量响应特征,基于相对矩张量反演原理提出以震源群为单位反演矿震震源机制,并针对煤矿应用背景构建了反演矩阵,推导了反演所需最低射线数与震源数条件,优化了矿震震源破裂类型判识方法,提高了反演精度与效率...     

典型深厚表土煤层冲击地压模式研究

煤矿冲击地压发生过程可描述为外部力源驱动围岩结构失稳或系统平衡状态突变。冲击地压发生过程中,应力起着重要作用。根据主控性应力来源或类型可得到我国煤矿冲击地压的区域性特点。其中,深厚表土地层控制型冲击地压属于巨野矿区特有的冲击地压类型,其显现特征与地层结构具有密切的关联性。针对此类冲击地压,通过案例与现场监测数据分析,探讨了典型深厚表土煤层冲击地压特征,结合煤层应力演化分析,表征了深厚表土煤层瞬时冲击和延时冲击过程,最后通过相似材料模拟试验揭示了煤层应力演化与覆岩运动、地层变形之间的关系,并对典型深厚表土煤层冲击地压模式进行了验证。研究表明:覆岩整体失稳促使煤层应力快速达到冲击地压临界应力,发生大能量冲击地压,表土层持续变形和移动促使煤层应力缓慢达到冲击地压临界应力,再次发生冲击地压;离层发育高度与回采距离有关,但具有明显的"平台效应",煤层应力演化与离层发育有关,但相对于回采距离具有明显的滞后性;瞬时冲击地压加载机理为"覆岩结构运动→煤层应力演化→冲击地压",延时冲击地压加载机理为"地层变形→煤层应力增长→冲击地压";最后,提出了深厚表土煤层冲击地压监测对策。     

钻孔卸压防治冲击地压机理及影响因素分析

为了防止煤体冲击地压,基于冲击地压应力控制理论,研究了钻孔卸压防治煤体冲击地压机理,推导了钻孔卸压区的边界方程,分析了煤体性质、钻孔直径及应力环境对钻孔卸压区分布的影响。研究结果表明,钻孔形成的弱化带破坏了煤体承载结构,导致顶板岩层与煤体界面内摩擦角与黏聚力大幅降低,大幅降低了巷帮浅部煤体应力,破坏了其发生冲击地压的应力条件;随着煤体黏聚力及内摩擦角的减小、钻孔与工作面距离的减小,钻孔卸压区增大且边界形状由椭圆形变为"X"形;随着钻孔直径的增大,卸压区增大但其边界形状不变。采用该方法进行煤体冲击地压防治钻孔布置参数设计,钻孔卸压使煤柱浅部煤体应力大幅下降,且应力峰值区域向煤柱深部转移,破坏了煤体发生冲击地压的应力条件,从而防治煤体冲击地压的发生,取得了良好的卸压效果。     

采场围岩三维力学特征与冲击地压的联系

阐述了采场围岩三维力学特征及其影响因素,在分析冲击地压发生机理的基础上,初步探讨了综采采场围岩应力壳演化特征与发生冲击地压的联系,认为随开采特点及影响因素的改变,采场围岩应力壳的演化及发展为冲击地压的孕育发生创造了力学及能量条件,强调充分认识采场围岩应力壳的演化特征对防治冲击地压等煤矿动力灾害具有重要意义。     

深井区段煤柱冲击地压静载荷探测及综合防控技术

针对郓城煤矿1301工作面临空80m区段煤柱冲击地压防控难题,分析了区段煤柱冲击地压发生的主导因素,采用震波CT原位探测技术评价区段煤柱冲击危险性,制定了综合防治方案并进行现场应用。结果表明：80m区段煤柱冲击地压载荷源为高自重应力、强构造应力与采空区侧向支承压力叠加而成的静载荷|基于静载荷探测的震波CT原位评价技术揭示区段煤柱测区内冲击危险指数C=0.5～0.7,具有中等冲击危险|巷帮大直径钻孔强预卸压可转移高应力、改变煤层积聚弹性能的条件,巷道全断面支护加固来增强围岩的整体抗冲能力,确定合理推进度降低开采扰动,综合监测预警确定动态冲击危险区并及时卸压解危,现场应用表明防治效果明显。     

近直立特厚两煤层同采冲击地压机理及防治

针对急倾斜特厚煤层特殊的赋存条件和开采技术条件,基于区域构造应力特征和地应力实测结果,建立了急倾斜特厚煤层水平分段开采两侧采空岩柱的外伸梁力学模型,分析得到了近直立特厚水平分段两煤层同采条件下两侧采空岩柱对煤体的"撬杆效应"构成了冲击地压的力源并获得其表达式,提出了由于该力源作用在煤体上产生的应力随时间的变化率达到或超过煤体的动态破坏应力指数而发生冲击地压的致灾机理。数值模拟结果和现场微震统计结果表明,主要受水平构造应力影响下的两侧采空岩柱在开采水平以下出现了应力集中和能量集中区域。据此提出了在开采水平超前工作面定期通过爆破和高压注水降低岩柱应力集中程度进行冲击地压解危,效果检验表明防治效果显著。     

临空留巷底板冲击地压启动区判定与分步防治技术

以山西余吾煤业N2105工作面回采过程中临空留巷底板冲击地压为工程背景,理论分析底板冲击地压可能的冲击启动区及主导应力源,采用数值模拟追踪煤层开挖后侧向煤柱及留巷围岩各向应力、位移的演化过程,建立采空区影响下留巷底板水平应力演化模型并进行验证。基于临空留巷底板冲击地压主导力源判定及能量传递过程分析,提出该类底板冲击地压分步防治关键技术,并进行现场应用。结果表明:煤层开挖后中,临空留巷底板在破坏深度范围内存在"卸压通道"机制,临空煤柱垂直应力不断增长的同时,留巷底板水平应力通过"卸压通道"释放,释放程度与该通道宽度呈正相关。临空煤柱帮内弹性核区为留巷底板冲击地压的冲击启动区,其不断增长的垂直应力为主导载荷源,而非留巷底板水平应力。为阻止该类底板冲击地压发生启动,关键在于削弱采空区侧向顶板压力传递作用及煤柱弹性能积聚水平,弱化留巷底板只能缓和冲击显现强度,非对称支护对留巷围岩变形破坏特征的适应性更强。     

彬长矿区“对滑型”黄土滑坡及其形成机制

近年来由于煤炭资源的高强度开采,黄土沟壑区因采煤沉陷引发的沟谷"对滑型"滑坡发育,且滑坡规模大,稳定性差。以李前—白厢滑坡为例,在现场调查的基础上,采用数值模拟分析的方法,探讨了"对滑型"黄土滑坡的形成机制,总结了"对滑型"滑坡的形成条件。研究结果表明:在工作面跨沟回采过程中,上方黄土层指向采空区中心的位移向量与采煤扰动作用下沿坡体倾斜的位移向量产生动态叠加,导致"对滑型"滑坡的发生,且回采后到达一侧的坡体往往早于先到达一侧坡体滑坡;坡向与回采方向相同的一侧,滑坡类型为推移式,坡向与回采方向相反的一侧,滑坡类型为牵引式,且推移式滑坡规模往往大于牵引式滑坡。"对滑型"滑坡的形成需要具备4个主要条件:黄土坡体、沟谷地貌、采矿扰动、降雨催化。     

固体潮汐应力与矿震触发之间的相关性及其作用机理分析

矿震的发生与地球固体潮汐活动存在一定相关性,为进一步探明固体潮汐应力对矿震的触发作用,本文以国内典型冲击灾害频发的华亭煤田矿区为研究背景,采用Schuster检验方法对发生在顶板中的矿震进行了固体潮日潮变化的统计分析。结果显示:1)固体潮汐应力对矿震的发生存在显著触发作用,矿震发生的频次与潮汐应力垂直、东西、南北和水平剪应力分量的相位角之间都有显著的相关性,Schuster检验P值均小于触发阈值0.05;2)潮汐应力对不同级别矿震触发作用存在差异,随着震级的增大,矿震的发生由重力控制转为构造应力控制;3)对不同类型矿震的触发力学作用不同,对于重力控制的中小型矿震,潮汐应力垂直分量最大(受压)、水平分量最小(受拉)时矿震较易发生,而构造应力控制的大级别矿震则与之相反;4)矿震活动也会造成相关区域地层中的钻孔应变时序形态产生畸变。     

基于能量耗散率的钻孔防冲效果评价方法

采用理论分析、实验室试验及数值模拟等手段,研究了从能量角度评价钻孔防治冲击地压效果的方法。钻孔前后应力总量计算表明,钻孔对煤岩体的作用在于"调压",并非仅"卸压"。相对于应力角度,从能量角度评价钻孔防冲效果的过程更为简便。不同矿井煤样单轴加卸载试验发现,采用线弹性体弹性应变能计算公式的计算结果要大于实际值,且冲击倾向性越弱,计算误差越大,提出了基于弹性能量指数的修正公式。钻孔围岩弹性应变能的变化受最大主应力的做功特征主导,围岩应力调整过程中,弹性应变能能否积聚与围岩方位及侧压系数有关。在此基础上,提出钻孔耗能率的概念,可定量评价不同钻孔防冲设计之间的优劣,并通过FLAC3D进行数值模拟实现。以钻孔耗能率为评价指标得出,钻孔防冲效果与钻孔孔径呈幂函数关系,与煤层强度呈负相关。与φ100 mm钻孔相比,φ150 mm钻孔耗能效果是其2.9倍,φ200 mm钻孔耗能效果是其6.5倍。     

高海拔矿区地应力测量与岩爆倾向性评价

采用套孔应力解除法和空心包体三轴应变计,完成甲玛矿区井下4个水平的地应力测量,获得8组三维地应力状态数据,揭示了矿区地应力场的分布规律,建立了矿区地应力场模型。根据地应力实测数据,采用多角度、多重判据对围岩岩爆倾向性进行评价。结果表明：甲玛矿区地应力以水平构造应力为主导,属构造应力场型矿区,地应力量级属中等,井下围岩岩爆倾向性为弱~中等。研究成果对指导矿山井巷工程设计、采场布置、支护参数优化及地压灾害防控等具有重要参考价值。     

距离下保护层开采防冲机理及技术研究

针对七台河矿区某矿煤层群的地质赋存特点,研究了近距离下保护层开采防治冲击地压的机理和技术。利用FLAC 3D软件,分析比较了下保护层开采和非保护层开采的工作面围岩应力应变及塑性范围的分布规律及其差异,揭示了近距离下保护层开采的防冲机理,并讨论了下保护工作面的合理布置。结果表明近距离下保护层开采能取得较好的防冲效果,近距离下保护层开采防冲的机理是：下保护层开采降低了被保护工作面的应力峰值,使应力峰值位置向煤体深部转移;增大了被保护工作面围岩的位移,有利于释放冲击弹性能;被保护工作面的围岩预先产生塑性变形,在掘进、回采中不易再次发生塑性破坏。当被保护工作面布置合理时,能取得防冲和留巷的双重效果。     

基于贝叶斯神经网络的冲击地压预测与影响因素权重分析

针对华丰煤矿4#煤层冲击事故频发的问题,采用理论分析及现场实验相结合的方法,对于复杂开采技术类因素和多种典型性地质条件耦合作用下的冲击地压启动机理、能量来源及防治措施展开研究。首先分析4#煤层1411工作面冲击启动能量来源,通过建立工作面前方煤体及围岩结构承受动、静载荷的力学模型,得到冲击启动区煤体内部任意一点的应力解析解,其次基于弹塑性理论,通过主应力平面偏转变换得出的最大、中间和最小主应力求得冲击启动区任意处单元煤体储存的弹性应变能的解析解,并根据现场实际工程参数,分析各种因素对煤体内部应力和能量分布规律的影响。结合力学模型解析解、数值模拟实验和现场记录参数的结果对工作面前方冲击地压的启动、传递和显现进行预测和分析。通过对冲击地压影响因素权重的分析发现了通过水力压裂降低顶板强度或水射流切割顶板降低老顶悬臂梁长度等对工作面防冲治理的优先级应高于保护层开采卸压等手段。