煤矿冲击矿压动静载叠加原理及其防治

煤矿冲击矿压动力灾害日趋严重,且浅部也出现了该现象。理论研究了动载与静载叠加诱发冲击矿压的能量和应力条件,系统地提出了动静载叠加诱发冲击矿压的原理,并分析了煤矿动静载特征,根据应变率对煤矿载荷状态进行了界定,试验研究了煤岩力学特性与应变率的关系以及动静叠加作用下煤的破坏形态。结果表明:随着应变率增大,煤岩强度、弹性模量呈指数关系增大,当静载占比较大时,煤岩呈剪切破坏;当动载占比较大时,煤岩呈现劈裂甚至爆裂破坏。当动静叠加接近煤岩强度时,单轮或多轮动载作用可诱发煤岩冲击破坏;当动静叠加远小于煤岩强度时,多轮动载虽然能使煤岩产生损伤但难以诱发冲击破坏。动静叠加诱发冲击矿压表现为2种类型:1高静载型,深部开采时,围岩静载较高,矿震产生的微小动载增量可使叠加载荷超过煤岩冲击破坏临界而诱发煤岩冲击破坏;2强动载型,浅部开采时,围岩静载较小,强矿震的冲击动载较大,叠加载荷超过煤岩冲击破坏临界导致煤岩冲击破坏。基于冲击矿压的动静载叠加诱发原理,讨论了冲击矿压监测及防治思路和方法。     

煤矿冲击矿压动静载叠加诱发原理及其防治

煤矿冲击矿压动力灾害日趋严重,且浅部也出现了该现象。理论研究了动载与静载叠加诱发冲击矿压的能量和应力条件,系统地提出了动静载叠加诱发冲击矿压的原理,并分析了煤矿动静载特征,根据应变率对煤矿载荷状态进行了界定,试验研究了煤岩力学特性与应变率的关系以及动静叠加作用下煤的破坏形态。结果表明：随着应变率增大,煤岩强度、弹性模量呈指数关系增大,当静载占比较大时,煤岩呈剪切破坏;当动载占比较大时,煤岩呈现劈裂甚至爆裂破坏。当动静叠加接近煤岩强度时,单轮或多轮动载作用可诱发煤岩冲击破坏;当动静叠加远小于煤岩强度时,多轮动载虽然能使煤岩产生损伤但难以诱发冲击破坏。动静叠加诱发冲击矿压表现为2种类型：① 高静载型,深部开采时,围岩静载较高,矿震产生的微小动载增量可使叠加载荷超过煤岩冲击破坏临界而诱发煤岩冲击破坏;② 强动载型,浅部开采时,围岩静载较小,强矿震的冲击动载较大,叠加载荷超过煤岩冲击破坏临界导致煤岩冲击破坏。基于冲击矿压的动静载叠加诱发原理,讨论了冲击矿压监测及防治思路和方法。     

深井上山巷道底板动载诱发冲击矿压控制技术

为了防治深井上山巷道底板动载诱发的冲击矿压,采用FLAC~(2D)数值模拟软件及微震监测系统进行控制技术研究,结果表明:静载作用下上山底板水平应力、垂直位移及塑性区深度分别为38.27 MPa、156.38 mm、4 m,动载扰动下底板冲击响应特征分别增加8.96 MPa、266.92 mm、2 m,冲击危险性急剧升高;动力扰动使处于极限条件下的上山煤柱区应力增加打破平衡状态而发生底板冲击矿压,即高静载主导—强动载诱发的动静载叠加诱冲机理;现场微震监测验证了数值模拟结果的合理性;针对深井上山底板冲击矿压特点提出合理布置巷道、采取局部措施、降低动载荷传递、避让法等4种针对性的动力灾害控制措施。     

不同加载模式下煤岩破坏特性试验研究

利用煤岩力学伺服三轴压缩试验系统,辅以声发射监测手段,对彬长矿区胡家河矿煤岩进行不同加载模式的试验,对比煤岩在单轴、常规三轴及动静载组合试验条件下的宏观力学表现与损伤特征探究诱发冲击地压的机制问题。结果表明：在常规三轴条件下,随着围压的增大,煤岩强度逐渐提高,煤岩内部的储能能力逐渐增大|施加动载后,随着动载频率的增加,煤岩强度劣化越明显,煤岩经动载扰动后由塑性变形转变为脆性破坏|动载损伤较静载损伤更加剧烈、迅速,使得煤岩在破坏形式存在明显差异。单轴压缩条件下煤岩破坏为劈裂破坏,存有围压破坏时为剪切破坏,而在施加动载后煤岩纵横裂缝交错,为压剪组合破坏形式。     

冲击矿压的静动叠加失稳机制和发生模式

基于静动叠加冲击矿压的黏弹脆性体突变模型和黏弹性介质中震动波的传播规律,研究了煤体静动叠加冲击失稳机制,结合实例分析了静动叠加冲击矿压的2种基本发生模式:高静载低动载模式和高静载高动载模式,讨论了震动波频率、结构弱面刚度等因素对震动波传递的影响。认为高静载低动载模式和高静载高动载模式能够揭示两类典型的冲击过程;震动动载形成的瞬时动应力增量与静载蠕变阶段的静应力叠加使煤体满足临界条件而发生冲击失稳;震动波传递不仅随弱面的力学性质劣化而弱化,且随震动波的物理特性变化如频率的增大和波幅的降低而弱化。研究结果能为冲击矿压监测和防治提供指导。     

断层煤柱区巷道位置布置的优化研究

针对断层煤柱区布置巷道的问题,根据诱发冲击矿压条件,分别从静载和动载2个方面分析,选择合理的巷道布置位置。研究表明:靠近断层布置巷道,受到断层滑移的高动载影响,远离断层布置巷道,易受到煤柱的高静载应力影响。综合分析,将巷道布置在距离断层60~70 m位置较为合理。实践表明:在此区域布置巷道,未发生冲击矿压事故。     

薄煤层动静组合诱发冲击地压的机制

理论分析了动静组合诱发冲击地压的应力条件和能量转化过程,揭示了动静组合诱发冲击地压机制,数值计算分析了工作面应力分布特征与煤厚之间的关系,采用微震监测数据分析了卸压爆破产生的应力波传播规律,并分析研究了薄煤层动静载特征及诱发冲击地压过程。结果表明:薄煤层工作面应力集中程度较厚煤层高,峰值应力区距离煤壁较近,应力梯度较大;采动动载直接与高应力叠加,且开采导致的应力降以及单位体积煤体释放的弹性变形能远高于厚煤层,在动静组合作用下,薄煤层工作面易于达到动静组合诱发冲击地压的应力和能量条件,显著符合动静组合诱冲机制。最后基于动静载组合诱发薄煤层冲击地压的机制,探讨了薄煤层冲击地压防治原则和技术方法。     

褶皱区底煤厚度对动载诱发巷道底板冲击的影响

为了探讨褶皱区不同底煤厚度对动载诱发巷道底板冲击的影响,使用岩体力学和FLAC2D有限差分数值模拟软件研究了不同底煤厚度作用下应力波诱发特厚煤层巷道底板冲击的动态响应规律。研究表明,动力扰动的作用是使处于极限应力下的煤体应力增加并打破平衡状态从而诱发底板冲击;动载作用下,若底煤下方为厚度较大的坚硬粗砂岩,当底煤厚度d3 m时,当受一定强度应力波扰动时并不失稳;当底煤厚度d≥3 m时,底板容易受扰动失稳,且底板冲击显现强度呈缓慢增加;首次冲击失稳后,二次冲击矿压危险性降低。     

深部巷道群高静载低扰动冲击矿压发生机制及防治技术

针对深部巷道群高静载低扰动下突发性冲击矿压的难题,以某煤矿一盘区大巷为工程背景,通过力学分析和数值模拟研究了深部巷道群高静载低扰动诱发冲击矿压的发生机制。结果表明：大巷之间相互影响,导致巷道间煤柱区域应力叠加,高能量积聚在巷道顶底板内;巷道围岩蠕变使得围岩的长期强度降低,引起诱发冲击矿压的临界应力值降低,进而高静载水平下较小的动载扰动即可使叠加应力达到岩体承载极限,在能量达到岩体破坏的最小所需能量时,岩石产生自发性破坏,破坏后巷道围岩系统中的弹性余能转化为动能,造成巷道群冲击矿压发生。根据一盘区巷道群应力和能量分布区域和集中程度,采用大直径钻孔卸压和爆破卸压措施后,降低了应力和能量集中水平,卸压效果明显。     

急倾斜特厚煤层水平分段开采冲击机理及防治

为了防治急倾斜特厚煤层水平分段开采冲击地压灾害,以甘肃窑街三矿为工程背景,提出了急倾斜特厚煤层工作面冲击地压的动静载叠加诱发机理以及针对性的防治对策。结果表明:由采动应力非对称分布引起的夹持煤体高集中应力是急倾斜煤层冲击的静载力源,而覆岩破断及结构失稳所形成的强动载是冲击的主要动载力源;在动静载叠加作用下,当应力达到急倾斜煤岩大范围失稳临近载荷则诱发冲击灾害。基于急倾斜煤层开采诱发冲击的动静载力源特征,建立了综合采用顶板深孔预裂爆破控动载、巷帮与底煤爆破或大直径钻孔卸静载的三位一体冲击地压防治技术体系,并成功应用于窑街三矿五采区工作面。     

深部矿井上山保护煤柱区冲击矿压分析及治理研究

基于某矿-1 000 m西一上山采区专用回风道发生的冲击矿压,对其进行冲击危险分析,探索深井上山保护煤柱区冲击矿压发生机理,同时建立冲击矿压弱化控制技术体系。结果表明:工作面冲击危险影响因素主要为孤岛煤柱、大采深、厚硬顶板、强冲击倾向性、巷道交叉及矿震扰动等;上山煤柱区覆岩运动剧烈、应力高度集中,静载主导-动载诱发的动静载叠加导致冲击破坏;基于微震及应力在线监测提出顶板深孔爆破、大直径钻孔及优化支护等措施,现场实践良好。     

厚煤层开采动载扰动底板冲击危险演化规律

为了研究动载扰动下厚煤层底板冲击地压发生的原因,结合某矿3下02工作面具体开采条件,运用FLAC3D数值模拟软件,分析了扰动应力波峰值强度分别为10,20,40,60 MPa时巷道底板的塑性区、垂直应力的分布规律,再现了动载作用下巷道底板的破坏过程,揭示了不同应力波峰值强度扰动诱发厚煤层底板冲击的动态响应规律。结果表明:随着扰动应力波峰值强度的增加,底板岩层的破裂范围逐渐扩大,应力集中程度逐渐升高,从而发生冲击地压的概率也就相应的增大。     

邻近采空区巷道外错布置防治冲击地压技术

为预防邻近采空区侧回采巷道繁发冲击矿压,根据动静载叠加诱发回采巷道冲击破坏模型,采用理论分析的方法,揭示了邻近采空区巷道冲击破坏机理及其冲击地压频发的理论依据,基于动静载主要构成得出了邻近采空区巷道冲击破坏的2种模式以及必要准则,从而提出了降低动静载叠加影响的邻近采空区巷道外错布置技术,并且确定了巷道降低静载避开支承压力集中区以及削弱动载以增大传播介质衰减指数为原则的巷道布置原理,最后邻近采空区巷道外错布置技术在跃进煤矿得到了成功实践,取得了明显、有效的防治冲击地压效果。     

基于FLAC3D的冲击矿压围岩变形规律研究

为了研究冲击矿压围岩变形规律,确保矿井安全生产,采用理论分析和数值模拟等手段,理论分析了动静载荷叠加作用下诱发的巷道冲击破坏形式以及巷道冲击破坏必要条件,数值模拟了不同底板条件下巷道围岩塑性区的变化规律、不同水平应力条件下巷道围岩的水平应力分布以及不同能量的动载下巷道帮部水平速度态响应特征。研究为冲击矿压防治技术的制定提供了理论基础。     

急倾斜特厚煤层工作面非对称冲击矿压机理

针对急倾斜特厚煤层水平分段综放开采工作面冲击矿压灾害,以窑街三矿为工程背景,采用离散元数值模拟(UDEC),研究了急倾斜特厚煤层水平分段开采顶板破断及结构演化规律,再现了矿震作用下工作面非对称冲击矿压孕育和发生过程;理论分析了工作面底煤应力非对称分布特征;基于动静载叠加原理揭示了工作面非对称冲击矿压发生机理;最后提出了防治对策。研究结果表明：急倾斜特厚煤层水平分段综放开采工作面在顶底板非对称错峰支承压力作用下,煤体受载特征沿倾向呈现分区差异性：顶板侧挤压、中部剪切、底板侧拉-剪。工作面底煤中形成浅部汤匙状卸压区和深部非对称应力集中区,顶板侧煤体垂直应力峰值和剪切应力峰值均为底板侧的5倍。进入深部开采后,工作面悬顶长度增大,同时采空区内关键岩块发生回转、滑移和倾倒的可能性增加,导致矿震强度增大。当动载应力与工作面底煤应力集中区中的静载应力叠加大于“煤体+液压支架”系统的极限应力时,发生急倾斜特厚煤层水平分段综放开采工作面非对称冲击矿压。研究结果与现场实测相吻合。     

千米深井下山煤柱区底鼓冲击及其防治

基于某矿9煤回风下山的实际条件及底鼓冲击动力显现,分析了其冲击矿压发生的原因,并建立底板冲击矿压控制体系。结果表明:该工作面具有强冲击危险性,主要影响因素为下山孤岛煤柱、大采深、顶底板条件、煤层强冲击倾向性等;下山煤柱区覆岩运动剧烈、应力高度集中,高静载下矿震动力扰动诱发底板冲击;该工作面掘进前采取煤体大直径钻孔预卸压处理,掘进期间根据监测结果实施顶、底板预裂爆破卸压冲击解危措施,现场效果良好。该研究成果可为类似条件下煤岩动力灾害防治提供借鉴。     

动载方向对巷道冲击影响的数值模拟研究

为研究动载方向对于诱发巷道冲击矿压的影响,运用FLAC2D中的动态模块,研究分析了不同动载方向下震动波在巷道顶板传播的速度、位移和加速度的变化规律以及震动波引发的巷道顶、底板和左、右帮速度和加速度变化规律,为预防冲击矿压提出相应技术措施。     

动静载叠加扰动对巷道围岩的冲击破坏

针对某矿1306工作面下顺槽冲击地压事故,以SOS微震监测系统监测定位到的大能量震源为依托,通过FLAC2D数值模拟软件根据具体地质条件建立模型,分析研究了静载荷动静载叠加作用下巷道顶底板应力和位移的演化规律。变换震源位置来模拟研究不同动静载叠加强度下巷道围岩力学响应特征,结果表明：随着震源的远离,对巷道顶底板影响效果急剧衰减,对两帮影响效果成比例下降。研究旨在对受动静载叠加扰动作用巷道围岩稳定性改善提供一定的控制理论和现场指导意义。     

综放大煤柱临空侧巷道密集区冲击地压机制研究

冲击地压矿井临空侧采动巷道大多存在冲击危险,针对综放大煤柱临空侧巷道屡次冲击的工程难题,结合"两带"高度,建立考虑开采沉陷参数的临空侧向覆岩结构模型,理论估算侧向支承压力大小,明确临空巷静载力源及控制矿压的亚关键层;根据采动矿压监测的顶板破断动载特征,利用理论和数值模拟揭示破断动载叠加多因素静载后临空侧巷道应力和能量的激增机制,得出结论:侧向覆岩结构传递的增压载荷导致侧向煤柱区域应力、能量基础值大幅提升,多因素累积叠加后易诱发冲击;坚硬顶板破断动载与多因素静载叠加后,超前距20～40 m内回风巷帮部垂直应力峰值陡升至56～63 MPa,相比纯静载提高约23％,弹性能密度峰值激增至3.0～3.5 MJ/m3,相比纯静载提高约40％,动载对能量的增益作用大于应力;动静载叠加后超前距0～40 m范围内回风巷帮部冲击驱动区发生了卸荷释能,证明帮部煤岩体发生冲击破坏,与实际现场相符.基于冲击机制,提出并论证了针对动静载荷的优化防治措施,为相似工程防冲难题提供借鉴.     

综放大煤柱临空侧巷道密集区冲击地压机制研究

冲击地压矿井临空侧采动巷道大多存在冲击危险,针对综放大煤柱临空侧巷道屡次冲击的工程难题,结合"两带"高度,建立考虑开采沉陷参数的临空侧向覆岩结构模型,理论估算侧向支承压力大小,明确临空巷静载力源及控制矿压的亚关键层;根据采动矿压监测的顶板破断动载特征,利用理论和数值模拟揭示破断动载叠加多因素静载后临空侧巷道应力和能量的激增机制,得出结论:侧向覆岩结构传递的增压载荷导致侧向煤柱区域应力、能量基础值大幅提升,多因素累积叠加后易诱发冲击;坚硬顶板破断动载与多因素静载叠加后,超前距20～40 m内回风巷帮部垂直应力峰值陡升至56～63 MPa,相比纯静载提高约23％,弹性能密度峰值激增至3.0～3.5 MJ/m3,相比纯静载提高约40％,动载对能量的增益作用大于应力;动静载叠加后超前距0～40 m范围内回风巷帮部冲击驱动区发生了卸荷释能,证明帮部煤岩体发生冲击破坏,与实际现场相符.基于冲击机制,提出并论证了针对动静载荷的优化防治措施,为相似工程防冲难题提供借鉴.