井间高位岩层联动诱冲机制及防冲方法初探

相邻矿井开采过程中相互扰动明显,冲击地压灾害频发。为研究巨厚砾岩和逆冲断层控制作用下,相邻矿井之间的相邻工作面开采互扰诱发冲击机理以及两工作面冲击地压协同防控方法,以义马矿区耿村煤矿13230工作面和千秋煤矿21121工作面为实际工程背景,对13230工作面回采期间地表沉降变化、冲击显现特征和支架压力特征、21121东部缆车下山钻孔应力特征以及井间区域微震事件高度变化特征和地应力特征展开现场实测分析。研究表明,井间相邻工作面非同时期开采形成非对称"T"形覆岩空间结构,井间宽煤柱留设和高位巨厚砾岩条件下,该空间结构发生类似杠杆运动的"撬动"现象,即井间率先采空侧高位岩层下沉运动诱发滞后回采工作面高位岩层整体抬升运动;联动效应对滞后回采工作面垂直应力环境产生扰动且扰动范围有限,13230工作面回采初期垂直应力相对较低,断层活化的高水平应力导致煤体发生典型水平滑移式冲击事故,随13230工作面推进距离增大,水平方向冲击的强度与频度明显降低而垂直方向的冲击占比增加;基于工程实测和室内试验结果,提出井间以阻断高位砂砾互层为核心的弱链增耗防冲方法和采空区高强度充填为核心的吸能稳构防冲方法,实现井间工作面冲击地压的协同防控。随着我国煤矿逐渐转入高强度集约型开采和深部开采,由高位覆岩联动造成的多工作面之间的应力互扰现象将长期存在,旨在弱化覆岩结构体联动效应的防冲方法与技术是未来单一矿井乃至大型矿区大范围多工作面联合防冲的发展趋势。     

巨厚坚硬顶板条件下断层诱冲特征及机制

为了揭示巨厚坚硬顶板条件下断层诱发冲击地压的前兆特征及诱冲机制,基于义马跃进煤矿25110工作面为研究对象,对某段时间内冲击现象的发生规律进行了归纳分析,针对断层诱发冲击地压的典型案例,结合微震监测数据,分析了冲击地压发生前的微震能量与频次及微震活动的时空规律,并采用数值模拟研究了采动影响下断层带附近应力场的分布特征,从地质构造、微震活动、应力场3个方面讨论了该工作面冲击地压发生的原因及机制。研究表明:巨厚坚硬顶板被F16逆断层及两正断层切割,易造成顶板大面积运动,为冲击地压的发生提供了动载条件;工作面发生冲击前微震能量与频次下降,断层带附近区域微震活动减少,有明显"缺震"现象,为冲击地压的发生积聚了能量;受采动、断层及相邻工作面采空区影响,25110工作面形成了高强度支承压力,断层带至下巷附近应力高度集中,尤其下巷底板存在较高的水平应力,为冲击地压的发生提供了力源条件。     

巨厚砾岩与逆冲断层控制型特厚煤层冲击地压机理分析

以某典型冲击地压事故为背景,通过理论研究和现场勘查,研究了巨厚砾岩与逆冲断层控制下特厚煤层工作面冲击地压致灾机理和防治方法。通过对地层结构与开采形成覆岩空间结构的研究,建立了侧向静态支承压力估算模型,得到了21221工作面上覆岩层空间结构与应力分布规律;估算了巨厚砾岩传递应力、自重应力与F16逆冲断层及相变带构造应力的叠加总应力,该应力超过了该矿的临界冲击应力;特厚煤层在叠加应力作用下发生塑性滑移,逐渐形成滑移线场,并产生塑性膨胀,导致巷道围岩应力增加,在外部扰动应力作用下,煤体发生瞬间大范围滑移是发生冲击地压的主要原因。针对这类冲击地压的致灾机理,通过合理设计巷道平面位置以避开传递应力峰值区域、采用半煤岩巷道以减小滑移线场范围和合理设计煤层大直径卸压孔参数以改变煤体滑移方向等措施,有效治理了该类冲击地压。     

大型逆冲断层区域冲击地压频发地质原因分析

为了厘清义马煤田南部F16大型逆冲断层区域冲击地压频发的地质原因,分析了义马盆地和F16逆冲断层的演化过程,研究了F16逆冲断层的构造应力场,并通过建立义马煤田数值模型,计算了煤田竖向应力、剪应力和水平应力等,构造应力场分析和数值计算结果表明,义马煤田地应力以水平应力为主,最大主应力方向为南北向,南北向的水平应力导致义马煤田南部F16逆冲断层和义马向斜轴部区域坚硬岩层发生错断、弯曲变形,积聚了大量弯曲弹性能,煤岩体应力高度集中,加之“两硬夹一软”的特殊的煤岩体结构,在采掘扰动作用下,顶底板坚硬岩层中所积聚的应力在煤层、煤矸互叠层等软弱区域释放,导致该区域冲击地压事件频发。     

矿井群冲击地压发生机理与控制技术探讨

大型地质体控制下,相邻矿井开采过程中时常发生冲击地压。为研究大型断层和巨厚砾岩层顶板条件下两个相邻矿井间相邻工作面开采过程中冲击地压的发生机理,以义马矿区跃进矿23070工作面和常村矿21220工作面为实际工程背景,对两工作面回采期间冲击显现特征和微震事件时空演化及能量特征展开现场实测分析,并对井间覆岩结构应力分布开展理论分析和数值模拟。研究结果表明,义马矿区F16逆冲断层的活化运动和巨厚砾岩层的整体控制作用,为冲击地压的孕灾提供了力源条件,井间相邻工作面同时回采期间,采空区上覆岩梁与井间煤岩柱系统构成“非对称T形”结构,21220工作面煤体冲击导致应力转移至井间煤柱和23070工作面,从而诱发23070工作面冲击;井间开采扰动导致应力转移并诱发冲击地压,与滞后开采工作面初始冲击强度及推进长度具有密切关系;基于理论与工程实测结果,提出了以弱化矿井间高应力传递的结构链为核心的井间“弱链增耗”防冲技术。为巨厚砾岩层顶板矿井群开采条件下相邻矿井工作面冲击地压发生机理及控制技术的研究提供理论基础。     

深部巨厚砾岩层下高应力煤柱冲击地压防治技术

为解决深部巨厚砾岩层下高应力煤柱附近工作面冲击地压防治问题,以华丰煤矿2410工作面和2409工作面遗留煤柱为研究对象,从采掘布置、原岩应力和采动应力等方面分析其对诱发冲击地压的影响。结果表明:2410工作面过2409煤柱期间冲击危险性较高,局部具有高冲击危险性,该条件下的冲击地压主因以遗留煤柱或区段煤柱周围形成的高应力冲击地压为主,同时伴随着煤柱失稳或采动引发巨厚砾岩层运动产生矿震诱发冲击地压。据此提出在掘进期间采用煤层大直径钻孔卸压为主的边卸压边掘进的防冲措施和工作面回采期间煤柱多轮大幅度卸压的防冲措施,与此同时采用煤粉监测、微震监测等方法进行冲击地压综合监测,从而降低了冲击地压危险性。     

深部开采逆断层对冲击地压的诱导机制

基于逆断层形成机制,理论分析了逆断层周围的地应力环境,并以义马F16逆冲断层为工程背景,建立了其圆弧形态断层面的简化力学模型,得到了临近断层带两盘一定范围的应力分布特征;通过相似模拟实验观测了断层活化-失稳阶段对工作面冲击的物理过程,研究了冲击前后断层滑移与煤层应力变化规律;应用三维精细化数值模拟技术并结合现场实践,分析了临近F16逆冲断层典型冲击地压案例,揭示其发生的受力特征。综上研究表明:当上覆坚硬岩层阻挡软弱煤岩体沿断层面向上逆冲滑动时,临近断层带的坚硬煤岩体会产生应力集中,并在断层两盘一定范围内出现应力升高;临近断层回采过程中煤体所受的超前支承压力、断层支承压力、两盘失稳滑落对煤体冲击以及断层突然失稳破坏所产生的高能应力波会随着工作面与断层距离不同而产生不同的作用效果,按其一种或几种的叠加作用效果将逆断层诱发的冲击地压分为构造应力模式、断层活化模式与断层失稳滑动模式。从逆断层带地应力环境、采动影响下临近断层煤体受力特征与采动影响下断层活化-失稳滑动对工作面动载冲击效应方面,系统地揭示了逆断层对冲击地压的诱导机制,为逆断层诱发的冲击地压预警与防治提供参考。     

逆冲断层卸载失稳机理研究

逆冲断层失稳诱发的冲击地压严重威胁着煤矿的安全,但目前采动条件下逆冲断层的失稳机理仍不清楚,使得断层冲击地压防治工作缺乏科学指导。为探索逆冲断层卸载失稳机理,基于典型逆冲断层控制型矿区的工程地质概况,分析了逆冲断层冲击地压的显现特征;采用相似模拟和数值模拟手段,研究了开采扰动引起的逆冲断层卸荷效应,阐明了义马矿区逆冲断层卸载失稳的模式及过程;通过实验室实验方法,揭示了单侧卸载过程中逆冲断层失稳瞬态的位移场时空演化规律,建立了断层卸载失稳的力学模型,阐释了断层失稳瞬间的黏滑过程。研究结果表明:随着开采范围与F16断层距离的减小,断层冲击地压危险性显著增大,冲击地压所释放能量急剧增高;采动引起逆冲断层产生卸荷效应,即开采扰动使得断层带新裂纹萌生并局部离层,断层带上交错出现应力集中区和应力减弱区,断层上段出现逆时针滑移,而下段顺时针滑移;卸荷效应导致断层失稳的过程可分为线性稳态(I)、非线性稳态(II)、亚失稳(III)和失稳(IV)4个阶段;断层卸载失稳瞬间正应变和剪应变总体上呈突降-突增-降低至稳定的变化趋势,且相对于中部和下部,断层上部滑移位移受卸载扰动影响较大;断层卸载失稳瞬间的能量传递过程为:震源单元-围岩杆单元-相邻围岩杆单元-相邻断层带单元等,其黏滑失稳是一系列单元连锁失稳构成的综合结果。通过本文研究,对逆冲断层卸载失稳的机理形成了新的认识,包括卸载失稳模式、失稳过程、失稳瞬态的能量传递等。     

开采扰动下逆冲断层滑动面应力场演化特征

复杂地质构造与煤矿冲击地压关系密切,也是世界范围内煤矿安全开采的重要课题,断层滑移失稳诱发冲击地压的机理及前兆信息是煤炭安全高效开采的理论前提和重要保障。工作面开采扰动时,以断层滑动面上应力场演化特征为研究对象,通过相似模拟和数值模拟,研究断层滑移失稳时的前兆信息。以义马千秋矿21221工作面为工程背景,建立了F_(16)逆冲断层赋存条件下的水平加载相似材料模型,运用应力监测和声发射监测的手段,分析了开采扰动下断层滑动面切应力的动态演化特征,研究了工作面开采过程中断层面上声发射事件数的分布规律;通过建立断层赋存条件下的工作面开采的数值模型,研究了断层区域岩层裂隙发育情况,分析了断层滑移失稳时切应力分布和能量释放的动态演化特征;通过相似模拟和数值模拟中应力场、声发射和能量场的分布规律,总结了断层滑移失稳的前兆信息。研究结果表明:断层滑动面切应力和声发射分布特征表现出3个不同的阶段,即水平载荷施加阶段,工作面开采阶段和断层滑动失稳阶段。载荷施加阶段,断层滑动面不断积聚能量,声发射事件数激增;工作面开采过程中,断层频繁受开采扰动,正应力与切应力两者变化不同步。开采初期,正应力处于较大值而切应力较小。随着工作面的开采,正应力与切应力的变化情况相反,正应力逐渐降低,切应力逐步增大。工作面接近断层时,断层滑动面切应力表现为逐步降低的过程中陡然增加的特征;断层滑动前期,断层构造在失稳前仍然积聚大量应变能,声发射事件数出现较少或者缺失的现象;当岩层垮落诱发断层滑移失稳时,能量在不断释放;断层区域内声发射事件数则在近似恒定不变时突然激增。断层滑移失稳前声发射数较少或恒定不变与微震监测中的"缺震"现象较为吻合,即微震事件数在断层滑移失稳前或冲击地压发生前突然出现减少,发生后激增的现象。因此,断层滑动面应力和声发射事件数的激增变化特征可作为断层滑移失稳的前兆信息。     

巨厚砾岩特厚煤层工作面回采扰动影响范围分析

针对巨厚砾岩下特厚煤层工作面冲击地压防治技术难题，以河南义马矿区耿村煤矿13230回采工作面为例。通过数值模拟和现场实测数据分析，探索了工作面超前扰动影响范围。数值模拟得到，工作面超前支承压力影响范围为305 m。微地震监测数据揭示的13230工作面回采超前扰动影响范围平均为275 m。煤层钻孔应力数据揭示的13230工作面回采超前扰动影响范围平均为265.4 m。综合数值模拟结果和现场实测数据的分析结果得出，在13230工作面回采过程中超前工作面300 m范围内实施卸压措施，提高了冲击地压防治效率，保障了工作面的安全回采。     

塑性区瞬时恶性扩张诱发冲击灾害机理

为探究煤矿冲击灾害的发生机理,以耿村煤矿"12·22"冲击地压事故为背景,采用数值模拟方法分析了工作面回采对13230工作面运输巷围岩区域应力场的影响,得出了沿巷道轴向的主应力曲线。在受到回采工作面割煤、放煤、初次来压或周期来压、前方或侧向移动支承压力等外界扰动的作用后,回采巷道围岩塑性区最大尺寸扩张了2.2~3.4倍,由此揭示了耿村煤矿"12·22"冲击灾害的发生机理:在该地质环境下,受到外界扰动等触发事件的诱导作用后,13230工作面运输巷围岩区域应力场发生突然改变,引发煤岩体内的弹性能以震动、声响和煤岩体抛出等形式进行释放,出现爆炸式的动力破坏,并造成距离工作面150 m范围内的巷道破坏严重。     

综放工作面采动诱发逆断层张剪失稳特征及矿震活动规律分析

由于综放工作面开采空间大,对周边煤岩体扰动强烈,易引发断层构造活化,进而诱发大能量矿震导致冲击地压灾害,基于赵楼煤矿1303综放工作面生产和地质条件,理论分析了工作面回采对断层构造扰动影响的主控因素。采用相似模拟方法分析了断层构造错动滑移时空演化特征,并统计分析了工作面采动实际矿震震源活动演化规律。结果表明:逆断层下盘工作面回采,断层面发生张拉离层和剪切滑动的主控因素为表征开采扰动垂直作用力Pv和水平作用力Ph的比值k、表征断层几何特性的断层倾角θ、以及表征断层力学特性的内摩擦角φ;工作面开采首先引发覆岩低层位断层岩块滑动,并随工作面与断层面距离的减小逐渐向高层位断层岩块扩展;断层诱发矿震需满足断层产生滑动失稳且滑动表现为黏滑两个条件。工作面矿震活动规律:采空区范围越大,矿震活动越剧烈;矿震震源丛集于采空区区域,且随工作面推进向前方及高层位岩层转移。对1303工作面矿震事件影响程度:Fd96断层张剪失稳采空区覆岩破断运动FZ14断层张剪失稳。     

千秋煤矿冲击地压发生特点及成因分析

在对千秋煤矿冲击地压发生特点进行分析的基础上,研究煤矿地质因素和开采技术因素对冲击地压形成的影响。煤层具有冲击倾向性且采深达到冲击地压频发的临界深度、水平构造应力增加冲击危险性、覆岩存在厚硬岩层,是冲击地压形成的地质因素和内在因素。下巷位于工作面跳采形成孤岛高应力区的中间位置,且巷道较工作面支护强度薄弱,是下巷易发生冲击地压的开采技术因素和诱发因素。研究结果表明下巷采掘过程中形成的高应力集中是诱发冲击地压的最主要因素。     

巨厚砾岩层下工作面过断层覆岩运动规律研究及应用

采用数值模拟的方法,研究了工作面过断层时上覆巨厚砾岩层运动规律,分析了上覆巨厚砾岩层周期性破断步距、断层面砾岩破断形式及工作面超前集中应力状态.研究认为,巨厚砾岩层的垮落失稳与断层块体铰接的动态失稳是导致采场应力异常,诱发冲击矿压的主要因素.对此,采取深孔卸压爆破、开设卸压硐室、煤层注水和加强巷道支护等预防冲击矿压的技术措施,在实践中较好地消除或减弱了冲击矿压的发生,对于矿井安全生产具有重要指导意义.     

逆断层下盘工作面回采扰动引发断层活化特征的试验研究

为分析逆断层下盘工作面回采对断层面错动失稳影响,在双轴等压加载条件下,试验获得了逆断层下盘煤层回采扰动下断层活化失稳特征。结果表明:回采工作面围岩由内向外形成采动卸压区、支承升压区、原始应力区的动态演化将诱发断层构造错动活化,且逆断层构造更易受回采工作面扰动区影响;双向等压条件下逆断层下盘煤层开挖,垂直方向扰动与水平方向扰动载荷比由1逐渐增加至6,断层面发生离层或剪滑失稳的危险升高;断层构造面附近应变呈不均匀分布,且煤层处应变明显高于顶、底板岩层;煤层开挖引发的声发射事件84%能量分布在10-13~10-10 J,主要分布于煤层顶板岩层,且跨越断层面声发射事件较少,表明断层构造对应力扰动有阻断作用;开挖煤层与断层面交叉处是声发射事件集聚区域,发生错动失稳危险性较高。对比赵楼煤矿1303工作面实际矿震数据,矿震震源与试验声发射源空间分布特征具有一定相似性,佐证了类逆断层组合结构岩石试验方法的可行性。     

巨厚坚硬岩层下基于防冲的开采设计研究与应用

在我国多个分布有巨厚坚硬岩层的矿区,巨厚坚硬岩层运动导致的强矿震和强冲击地压致灾后果严重,治理难度大,已经成为这些矿区矿井安全生产的主要障碍。通过分析巨厚坚硬岩层下冲击地压的发生规律,提出了此类矿井冲击地压存在“关键工作面效应”、“震动诱冲效应”和“冲击震动效应”3个共同特点。“关键工作面”是指该工作面在开采时会导致巨厚坚硬岩层发生断裂和强烈运动,并开始出现强烈的矿震或冲击地压;“关键工作面效应”是指“关键工作面”开采过程中发生的强动力灾害;“震动诱冲效应”是指巨厚坚硬岩层断裂震动在地层中产生的动应力传播到处于高应力状态的煤体上后,诱发的冲击地压灾害,其显现特点是“震源与冲击显现位置不一致”;“冲击震动效应”是指当开采到关键工作面位置后,巨厚坚硬岩层的传递压力将急剧增加,当部分煤体达到发生冲击的条件时即可发生冲击,同时引起能量巨大的震动,这类冲击的显现特点是“震源与冲击显现位置一致”。采用覆岩空间结构理论、地表沉陷观测、微震和应力监测数据,提出了辨识关键工作面的方法;阐述了山东能源集团3个不同类型巨厚坚硬岩层冲击地压矿井采用保护层开采、负煤柱设计、关键工作面确定与参数设计、避开震动损害边界开采设计、小煤柱设计和顺序开采工作面参数优化设计等综合方法,实现防冲安全的具体做法。