上覆遗留煤柱区冲击地压综合防控技术北大核心

为防止南山煤矿18~#煤层北三段工作面穿越上覆遗留煤柱区时发生冲击地压灾害,基于应力来源和表现形式,分析了冲击地压致灾力源因素,制定了静载荷卸压降载-动载荷减震消能的分源防控措施。实践表明,近距离遗留煤柱区动、静力源相互叠加,冲击危险性高,基于冲击力源分源防治思想,采用综放开采、爆破卸压降低巷道围岩静载荷水平,顶板爆破预裂、煤柱水力压裂降低动载荷扰动,巷道补强支护增强围岩抗冲能力,保证了巷道围岩处于低应力,微震能量以低能级、多频次形式释放,降低冲击显现程度,有效避免了遗留煤柱区冲击地压的发生。     

厚硬顶板宽煤柱临空巷道冲击地压防治技术研究

为研究厚硬顶板宽煤柱临空巷道冲击地压致灾机理,以彬长矿区文家坡矿4104工作面为工程背景,采用理论分析、数值模拟、现场监测等方法,研究分析了两次回采扰动下宽煤柱垂直压力分布状态及覆岩活动规律,得出了该矿工作面集中动、静载荷的演化机制及冲击地压致灾机理。针对4104工作面临空巷道44.5m宽煤柱及顶板以上20m处厚硬砂岩岩层,设计了基于帮部煤体爆破卸压及顶板深孔爆破预裂卸压的动静载荷分源治理补强方案,通过微震监测结果分析,相比措施调整前临空巷道围岩活动性降低了95%,防治效果显著。     

工作面端头L形区煤柱体诱发冲击机理及防治研究

为了研究深部开采工作面端头L形区煤柱体失稳诱发两类典型的巷帮冲击地压,基于宝积山煤矿705综放工作面5次冲击地压显现与工作面推进位置关系,分析了一定围压条件下煤柱体的受力状态和力学响应,并推导出了煤柱体失稳破坏与作用载荷的关系。利用FLAC3D软件应变软化模型模拟研究了集中静载荷和动载荷组合作用下煤柱体的应力-应变特性,结果表明:初始静载荷变化对煤柱体失稳发生冲击的影响作用要高于动载荷变化,集中静载荷起储存冲击能作用,动载荷起诱发冲击作用。提出锚网索支护+高压水射流巷帮卸压协同作用防治巷道冲击地压方法,模拟分析显示围岩应力分布满足强弱强(3S)三重防冲结构,围岩结构弯矩分布均匀合理。本研究为协同作用防治巷道冲击地压提供了理论依据。     

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。     

我国煤炭深部开采冲击地压特征、类型及分源防控技术

我国煤炭资源大规模步入深部开采,深部开采冲击地压事故频繁发生,为了厘清深部开采冲击地压特点、启动类型以及防治与浅部开采的区别,为深部开采防治冲击地压提供理论与技术指导,以我国煤炭资源深部开采冲击地压特征研究为切入点,从诱发冲击地压的载荷源角度,结合工程实例,建立力学模型,研究提出了我国深部开采冲击地压的3种类型,最后提出了深部开采巷道冲击地压动静载荷分源防控方法。结果表明,我国煤炭深部开采冲击地压特征总体表现为因基础静载荷充足,发生门槛降低,冲击显现位置点多面广,发生原理隐蔽性、自发性、时滞性占比大,防治范围扩大,应力恢复快,高强度、长时效卸压要求突出;将我国煤炭深部开采冲击地压划分为3种类型,即深部动静载叠加型、深部高静载加载型、深部高静载卸荷型。深部动静载叠加型,因深部煤炭资源高地压环境,与浅部相比,较高的基础静载荷获得微动载扰动、叠加可发生冲击地压。深部高静载加载型冲击地压,其静载荷缓慢对极限平衡区加载过程冲击是材料失稳,导致工程结构体结构动力失稳的结果,而深部高静载卸荷型冲击地压,其高静载荷最小阻抗带减小,静载荷卸荷过程是围岩结构稳定性遭到破坏,导致工程结构体材料动力失稳的结果,2者存在本质差别;深部冲击地压防控与常规浅埋冲击地压防控,差别在于基础静载荷充足,增量顶板等动载荷来源复杂,冲击危险区域基础静载荷获取增量静、动载荷门槛降低,因此必须高强度、长时效实现静、动载荷源分源防控,阻止诱发冲击地压的载荷条件形成;在动静载荷分源防控指导思想下,针对顶板动载荷源,开发了顶板"钻-切-压"一体化技术,深度弱化顶板,消除顶板动载源;针对巷道两帮垂直应力集中,开发了煤层一次成孔300 mm超大直径无人钻孔技术,高强度、长时效疏导煤体垂直应力;针对巷道底板高水平应力,开发了巷道底角联排桩基,高强度切断水平应力,阻止底板冲击滑移等技术,现场应用效果良好。     

深部巷道冲击地压动静载分源防治理论与技术

将深部开采覆岩结构特征研究向冲击地压防治技术延伸,研究了深部矿井巷道冲击地压动静载分源防治理论与技术。结果表明,诱发深部冲击地压启动具有2种载荷途径:一种是动、静载荷叠加途径;另一种是纯静载荷叠加途径,因此深部冲击地压发生条件研究应该重点研究诱发冲击启动的动、静载荷来源。研究认为深部工作面L型区域频繁发生冲击的原理,是在工作面距离较远时,临空巷道两帮仅受侧向F型悬臂结构影响,当工作面临近时,由于本面与相邻工作面采空区导通,上覆厚硬顶板悬空区域也导通,因此发生下沉—弯曲—回转幅度更大,悬而不垮造成加大弯曲弹性能储存在L区域,垮断时又造成较大动载荷作用在L区域煤岩体。提出了深部工作面临空巷道、采场"双F、大L"力源结构模型,并给出了临空巷道、采场大L型力源区域冲击地压启动判据算法。采动覆岩"双F、大L"力源结构分析表明,诱发临空巷道冲击启动的载荷来源是空间确定的,提出了深部巷道冲击地压动、静载荷源分源防治方法。即针对F型顶板悬臂断裂造成的动载荷源进行爆破预裂;针对巷道两帮煤体中垂直应力集中进行煤层爆破卸压;针对巷道底板高水平应力进行底板爆破,阻断其推动底板作用。工程实践证明,该方法能够实现深部强冲危险工作面安全回采。     

深部盘区巷道群集中静载荷型冲击地压机理与防治

针对深部矿井,盘(采)区巷道群屡次发生冲击地压这一问题,以我国新建千米深井盘区巷道群冲击地压发生为背景,理论分析了巷道群无动载诱发冲击启动的机理与防治方法。结果表明,巷道底煤的厚度对底板水平应力集中影响较大;褶曲构造带也显著影响巷道群应力环境;巷道底臌量与底板释放动载荷量值、底煤厚度均成正相关关系;深部煤层巷道群冲击启动原理,是巷道群自身应力叠加在巷间煤柱,提供了基础静载荷;灾害发生地段底煤厚度以及褶曲构造影响,提供了时机静载荷,2者叠加导致巷间煤柱垂直载荷超过了临界值,同时底板煤体承受的载荷超过了其极限承载力;深部煤层巷道群冲击地压属集中静载荷型,采用基于集中静载荷疏导的深孔区间爆破法可防治冲击地压灾害。     

近直立特厚煤层冲击危险源辨识及控制研究

为研究乌东煤矿南区近直立特厚煤层在特定区域冲击地压频发的原因,以五一煤矿、大梁煤矿的保护煤柱、大洪沟防洪渠保护煤柱、不同水平分层终采线形成的台阶结构等特定区域为工程背景,采用PASAT M便携式微震仪、ARAMIS M/E微震监测系统,开展近直立特厚煤层特定区域冲击地压致灾的动静载荷源辨识,得到了近直立特厚煤层引发冲击地压的静、动载荷源,针对冲击地压致灾的动载荷源,开展了近直立特厚煤层冲击地压分源控制实践。研究结果表明:特定区域是近直立特厚煤层冲击地压致灾的主要静载危险源,易引起煤体局部高应力集中; B_2-B_3煤层间岩柱活动是近直立特厚煤层冲击地压致灾的主要动载源,围岩活动产生的冲击致灾高能事件,70.4%发生在两煤层之间的岩柱中;采用煤体卸压爆破和煤层注水方法进行冲击静载荷源控制,通过多水平联合岩柱控制方法开展冲击动载荷源控制。实践表明:采取的分源控制方法有效降低了煤岩体应力集中和围岩活动强度,有效减少了近直立特厚煤层冲击地压灾害的发生频次。     

深部孤岛工作面残留煤柱冲击地压防治技术研究

以深部孤岛工作面残留煤柱的冲击地压防治为背景,研究了残留煤柱对工作面回风巷道的应力分布及能量演化规律的影响,通过对比分析了卸压前后回风巷两侧集中应力分布情况,并利用上层煤遗留巷道作为卸压巷道对高应力区域的卸压效果进行了数值模拟计算。基于理论分析和数值模拟计算,采用大直径钻孔卸压和爆破卸压技术对回风巷道进行了冲击地压防治,卸压效果显著,保证了回风巷的稳定,使工作面得以安全回采。     

钻屑法检验深孔爆破卸压技术效果

冲击地压的发生与工作面前方煤体应力场的分布密切相关,可以采用深孔爆破卸压技术来改变巷道附近围岩的应力场分布形式及煤岩体的物理力学性质,降低巷道附近围岩的受载应力,使得巷道附近煤岩体的冲击倾向性指标及冲击临界载荷降至临界值以下,从而避免冲击地压的发生,利用钻屑量和钻屑粒度对深孔爆破卸压效果进行检验。研究表明:钻屑量与钻屑粒度能够有效地反映工作面前方煤体应力分布及转移情况,能够有效地检测爆破卸压效果,为深孔爆破卸压防治冲击地压技术的效果检验提供一种检测技术。     

深部冲击地压巷道“卸压-支护-防护”协同防控原理与技术

针对深部冲击地压巷道高应力、强冲击造成的强矿压显现难题,分析了深部冲击地压巷道围岩变形破坏特征,确定了导致深部冲击地压巷道强冲击显现的防控难点,揭示了巷道冲击破坏机制。在分析深部冲击地压巷道破坏机制的基础上,建立了深部冲击地压巷道围岩力学模型,分析了动、静叠加载荷、支护应力、围岩力学属性与莫尔圆间的相互作用关系,提出了深部冲击地压巷道“卸压-支护-防护”协同防控原理。通过对巷道围岩远、近场进行卸压,从动、静载荷角度降低巷道冲击能量和所受应力;利用高预应力、高强度、高延伸率及高冲击韧性“四高”锚杆(索)主动支护,结合围岩结构重塑技术,提高巷道围岩自承载和抗冲击能力;结合钢棚、缓冲垫层及防护支架,通过高阻尼作用快速抑制巷道围岩的冲击震动。通过协调“卸压-支护-防护”3种技术手段的时空关系,改变冲击地压巷道能量释放、传播及耗散形式。基于“卸压-支护-防护”协同防控原理,提出了深部冲击地压巷道“卸压-支护-防护”协同防控技术,开发了长、短孔分段水力压裂工艺,研发了配套的压裂机具和设备;研制了高冲击韧性锚杆(索)系列支护材料,大幅度提高了支护材料的强度和韧性;提出了以钢棚、缓冲垫层及防护支架为一体的巷道复合防护结构,复合防护结构能有效吸收巷道围岩内的冲击动能,抑制围岩震动。研究成果在蒙陕和义马典型冲击地压矿井开展了工业性试验,“卸压-支护-防护”协同防控技术改变了厚层坚硬岩层冲击能量释放形式,有效抵御了高动、静叠加载荷,减小了巷道围岩整体冲击变形,控制了深部冲击地压巷道围岩稳定。     

遗留煤柱扰动下服务巷道变形破坏机理及防冲技术

针对大面积遗留煤柱下伏煤层开采时出现的应力集中、巷道围岩变形、冲击破坏及支护困难等问题,采用理论分析和数值模拟对河北某矿上覆5煤层遗留煤柱扰动下8、9煤层应力分布规律及下伏巷道开挖稳定性进行了对比分析。研究表明：遗留煤柱承载上覆载荷后应力根据煤柱宽度由中部向两侧依次呈现出“双峰形”、“马鞍形”、“梯形”及“单峰形”分布形态,且在不规则部分应力集中程度更高,对底板煤层的扰动范围影响较大;遗留煤柱应力峰值最大值52MPa,应力传递至下伏煤层达到44 MPa,为原始应力的2.2倍,服务巷道开挖后应力为37 MPa,是原始应力1.8倍,增加了巷道围岩破坏程度和冲击地压危险性。通过加强支护和巷道围岩卸压等方式对遗留煤柱下伏服务巷道进行围岩控制,以保证残留煤柱内服务巷道的安全稳定运行。     

煤柱高应力区煤体爆破卸压效果研究

卸压爆破作为较为重要的一种冲击地压防治措施,在冲击地压矿井得到很广泛应用,基于数值模拟研究方法,采用FLAC~(3D)非线性动力模块与Mohr-Coulomb弹塑本构方程建立了5303轨道巷非线性动力计算模型,研究巷道在煤柱高应力区域的应力集中情况及爆破卸压效果。研究结果表明:在巷道接近煤柱边界区域时,存在较高应力集中现象;动力模拟显示模型爆破区域垂直应力峰值出现了明显降低,高应力区向煤体深部进行了转移;在5303轨道巷爆破卸压现场监测结果可知应力降低幅度均达到65%以上。     

深部双煤柱巷道冲击地压发生机制

针对红庆河煤矿深部双煤柱工作面临空巷道冲击地压显现强烈、破坏范围大、影响因素复杂的特征,采用地表观测、煤体应力监测、微震监测的方法,分析了影响静载荷的埋深、双宽煤柱留设和采动影响,以及影响动载的厚层顶板岩层结构和垮冒不充分的相邻采空区,研究了冲击地压发生的静载荷、动载荷演化过程,揭示了深部双煤柱巷道冲击地压发生机制。研究表明:深部双煤柱引起3-1103新辅运静载荷的组成包括基础载荷、采动应力及煤柱的侧向应力,叠加后的静载荷达到垂直应力的1.4～4.5倍,静载荷达到24.9～80.1 MPa,接近或超过煤体发生冲击地压的临界载荷;煤柱上方岩层结构向煤柱深部破坏失稳,释放弯曲下沉过程积聚的弹性能,引起煤柱的煤体应力升高,煤岩体的应力向深部转移,破坏位置距离3-1103工作面越来越近,从而诱发具有高应力集中的煤岩体失稳。     

坚硬顶板工作面高静载型冲击地压防治研究

为研究坚硬顶板综放工作面冲击地压的主控因素和防治技术,采用微震监测系统和冲击地压应力监测系统通过分源监测分析,研究了工作面冲击地压发生的主控因素,并针对主控因素开展了防冲击地压实践。结果表明:冲击地压主控因素为高静载、强矿震和低支护强度。实体煤侧静载为30.16～84.48 MPa、煤柱静载为27.84～41.04 MPa,易达到发生冲击地压临界载荷;顶板破断前后,常引起高能事件的发生,以动载的形式作用,加剧煤体的应力集中;多因素使得发生冲击显现的巷道变形区域的支护强度比较低。开展了现场控制实践,煤体卸压分阶段多轮动态卸压,对顶板进行深孔预裂爆破,采用锚索梁加强支护,措施实施后大能量矿震发生时,提高了巷道抵抗冲击能力,降低了矿震诱发巷道变形的频次和强度。     

基于震波CT探测的宽煤柱冲击地压防控技术

针对深井区段煤柱冲击地压易发、多发、难防治的难题,以某矿1301工作面80 m区段宽煤柱冲击地压为例,利用数值模拟及微震数据分析,研究了宽煤柱冲击地压致灾机制,采用震波CT原位探测技术评估了宽煤柱区域内冲击危险性,并提出针对性防治方案。结果表明:3号煤层具有弱冲击倾向性,顶板岩层具有强冲击倾向性,已具备发生冲击地压的内在条件,高自重应力、强构造应力提供了基础静载荷,采空区侧向支承压力提供了增量静载荷,当两者叠加导致垂直应力超过冲击临界支承压力时,为宽煤柱静载荷冲击地压的发生提供了力源条件;震波CT原位探测技术以穿透煤岩体的实际震动波射线进行波速反演,反映煤岩体静载荷分布特征及结构特性,建立了以波速异常系数CA和波速梯度系数CG为主要因子的冲击地压危险性评估模型;鉴于宽煤柱冲击区域采掘空间实际条件,设计布置近完全观测系统观测方式,采用震波CT原位探测技术反演评估得到宽煤柱测区内冲击危险指数C=0.5~0.7,表明冲击发生后,宽煤柱仍然存在静载荷集中区域,具有中等冲击危险,并且运输巷侧冲击危险指数较采空区侧高,表明煤柱应力由采空区侧向运输巷侧转移,局部区域煤体破碎易冒顶片帮;制定了基于静载荷疏导的多层次防冲技术:大直径钻孔预卸压转移巷帮集中应力,耗散弹性应变能,确定合理日进尺为2.4 m,降低开采扰动,巷道全断面补强支护,提高围岩抗冲击能力;通过上述措施,现场监测宽煤柱煤体应力未发生突增,微震能量及频次变化平缓,1301工作面已安全回采宽煤柱区,防治效果显著。     

防治冲击地压的应力三向化理论研究及应用

基于欧拉小挠度理论建立了顶底板压杆稳定模型,煤层卸压将增加顶底板的临界载荷,增加顶底板发生冲击地压的可能性,以此提出了冲击地压治理的应力三向化理论,以济三煤矿163下00工作面为例,对冲击危险区采取了煤层卸压和爆破断底解危措施,通过钻孔窥视仪检验爆破断底的效果,观测孔发生变形、破裂或破碎,证明坚硬底板已经卸压,巷道围岩达到了应力三向化状态。工程实践表明,运用应力三向化理论对冲击危险巷道进行解危,可有效地防治冲击地压。     

邻空侧不规则遗留煤柱区巷道掘进冲击地压防治技术

针对徐庄煤矿7313材料道邻空侧不规则遗留煤柱区巷道掘进期间强矿震频发,冲击危险性高的现象,基于微震现场实测及理论分析确定了强矿震事件发生时间、能量大小及空间位置,得出不规则遗留煤柱区、厚硬覆岩层、采掘扰动、掘进速度等因素是诱发掘进期间强矿震频发的主导因素。结合7313材料道地质赋存条件、掘进技术条件,针对性制定巷道迎头顶板深孔爆破、巷帮加密钻孔卸压及控制掘进速度的掘进巷道冲击地压综合性防治措施。微震实测结果表明防治措施有效降低了邻空侧不规则煤柱区掘进巷道强矿震的产生。     

坚硬顶板条件下临空煤柱失稳机制与防治技术

针对忻州窑煤矿11#煤层回采时临空煤柱侧巷道多发冲击地压的现状,在煤岩物理力学性质测试和冲击地压发生规律分析的基础上,通过计算坚硬悬顶下煤柱的受力状态,分析了临空煤柱巷道侧冲击地压的成因和受夹持煤体的冲击失稳过程,根据11#煤层及顶底板条件,制定了利用瓦斯巷开展断顶卸压爆破的解危方案。研究发现,临空侧煤柱的冲击失稳与工作面周期来压具有相关性,强制放顶不到位造成煤柱两侧形成坚硬长悬板,是诱发煤柱冲击失稳的能量来源;断顶卸压爆破可以有效切断坚硬悬板对煤柱的应力传递,电磁辐射、矿压和微震等监测数据显示,断顶爆破后煤帮电磁辐射强度降低约68%,单体液压支柱应力降低约20%,钻孔应力降低约80%,有效降低了煤柱的冲击危险性。     

双巷布置工作面外围巷道冲击地压启动机理

以山西某高瓦斯双巷布置工作面外围巷道冲击地压案例为研究背景,采用理论分析、现场实测等方法,建立了侧向采空区顶板断裂诱发时滞性冲击启动力学模型,揭示了冲击启动原理,并发现了褶曲导致动载型冲击地压发生的案例。结果表明:工作面开采后,外U留巷煤柱因采空区顶板侧向回转,产生偏移的弹性核;进风平巷通过背斜轴部带,因水平构造应力导致顶板垮断极度滞后,其断裂产生的动载源加载并扰动煤柱弹性核静载致其突破极限诱发时滞性冲击启动;静载荷积聚的弹性核在外U留巷煤柱中普遍存在,不足以诱发静载荷型冲击,背斜轴部顶板滞后垮断提供了动载荷源,因此判断其冲击类型为集中动载荷型,后期防治应针对动、静载荷源同时采取解危措施。