冲击矿压防治的应力控制理论与实践

分析了原岩应力和采动应力对冲击矿压发生的影响,通过采用采动应力监测系统直接监测煤岩体的应力和采用微震监测系统间接监测煤岩体应力的方法,分析了采动引起的应力变化,进而对监测区域内煤岩体的冲击危险性进行了评价;通过对具有冲击危险性的煤岩层实施煤层卸载爆破、深孔断顶爆破和深孔断底爆破技术,进一步验证了冲击矿压防治的应力控制理论,取得了良好的实践效果。     

基于采动应力监测的深部动力灾害预测技术

随着浅部煤炭资源的日益枯竭,煤炭开采逐步向深部发展。深部煤岩体所处的"三高一扰动"的特殊地质力学环境,导致用传统的围岩支撑压力分布曲线确定应力分布形态必然会出现较大偏差。本文通过对采动应力的理论分析,得出垂向采动应力的异常是引起工作面前方煤岩体采动灾害的重要原因。设计了采动应力监测方法,利用采动集中应力梯度实现了不同测点应力传感器监测值的可比性,并提出了采动应力监测范围应尽可能大和测点布置方案。     

基于光纤光栅采动应力测试的冲击地压预警技术研究

为了提高我国冲击地压预警的准确性,结合光纤光栅测量领域已取得的研究成果,利用光纤光栅钻孔应力计、解调分站作为煤矿井下1孔多点采动应力数据的采集、解调装置,以应力控制理论为指导,研发了以采动应力监测系统软件为数据采集、分析软件,应力梯度为预警指标的冲击地压动态预警技术,集成了基于采动应力测试技术的冲击地压预警系统。研究结果表明:该系统可应用于煤矿工作面采动应力监测和冲击地压动态预警,能准确揭示工作面受采动影响应力的变化情况,推导出工作面应力场的时空演化规律。为矿井冲击地压灾害的预测预警增加一种新方法,从而有效减少冲击地压事故的发生。     

曲江井监测监控系统井下监测站的选用

曲江井为煤与瓦斯突出矿井 ,所采的B4、C8煤层均具有煤尘爆炸危险、自燃及易自燃特性。按规程要求必须装备矿井安全监测监控系统。1　监测监控系统井下监测站　　曲江井矿井监测监控系统由地面主站、井下监测站和监测各种被监测参数的传感器三大部分组成。地面主站和监测传感器都是通用的 ,各个生产监测监控系统厂家的产品大同小异 ;而井下监测站有两种比较有代表性的产品 :常州自动化研究所生产的井下监测分站 (以下简称分站 ) ;镇江中煤电子研究所生产的井下矿用监测仪或南昌煤矿仪器设备厂生产的井下矿用双路断电仪 (以下简称监测仪 )。…     

采动应力监测系统的设计

提出了采动应力监测理论,开发研制了采动应力监测系统,并进行了采动应力场监测实践,针对冲击危险工作面进行了监测和预测。监测实践表明,采动应力监测系统能够准确监测采动影响条件下工作面前方煤岩体的应力变化,据此能够有效评价工作面前方冲击危险区的冲击危险等级,为冲击矿压预测与防治提供了先进、适用手段。     

基于采动应力边界线的顶板巷道保护煤柱留设方法

针对平顶山一矿31010工作面回采期间顶板丁戊三乘人巷严重变形的问题,通过现场实测和数值模拟研究了巷道变形的原因及保护煤柱留设的问题。结果表明：工作面回采后,上覆顶板岩层中的应力发生改变,将应力值等于1.05倍原岩应力的点构成的曲线定义为采动应力边界线。采动应力边界线由开采煤层向上覆岩层呈外扩式发展,采动应力边界线距开采边界的水平距离随着距开采煤层高度的增大而逐渐增大,但增大趋势逐渐减小。采动应力边界线内侧岩层应力出现增压区和减压区,而外侧岩层仍处于原岩应力状态,采动应力边界线是划定工作面上覆岩层是否受工作面回采影响的边界线。目前顶板巷道保护煤柱宽度是按岩层移动角进行设计的,没有体现内部岩层移动变形及应力特征,导致顶板巷道保护煤柱宽度不合理而出现破坏,为此提出了基于采动应力边界线的顶板巷道保护煤柱宽度设计方法。按照此方法设计的平顶山一矿31010工作面顶板乘人巷保护煤柱宽度应为158 m。     

矿山采动岩层地应力变化监测系统在梧桐庄矿应用

分析了引起煤矿井下地质灾害的内因和外因,针对矿井采煤工作面地应力平衡系统遭到破坏后应力在调整过程中导致水文、地质条件的改变,“矿山采动岩层地应力变化监测系统”研制出来后,通过在梧桐庄煤矿对182101采煤工作面矿坑出水量的监测和所作7次预测意见的验证,初步说明了该设备基本能够起到对煤矿井下地质灾害提前进行预测、及时采取预防避免事故发生的目的.     

顾桥矿顶板水力压裂控制大巷变形技术研究

顾桥煤矿巷道顶板中具有多层关键坚硬岩层,关键岩层传递远场采动应力,致使盘区大巷围岩控制困难|用水力压裂技术切断顶板中的多层关键岩层时,要求精准可控地实现分层致裂,保障施工的有效性和安全性。为此引入成套专用技术装备,在顾桥煤矿北二采区首采工作面开展了顶板水力压裂应力转移保护盘区大巷技术试验。试验结果表明：实时监测的孔口水压力可以反映水力裂缝贯穿目标砂岩层、在其他不同岩性的顶板中扩展的过程,可作为施工过程中的参考。基于孔口压力监测和定点封孔精准致裂,可以有效分层切断顶板关键岩层。分层致裂坚硬顶板后,监测到试验盘区大巷的顶底板及两帮移近量均小于230mm|采动应力得到有效转移,盘区大巷变形得到了有效控制。试验提供了一种精准可控地分层致裂坚硬顶板、保护盘区大巷的工程实例,可为具有类似问题的矿井提供经验参考。     

深井瓦斯煤层采动扩容致灾力学机理

为揭示深井瓦斯煤层扩容致灾的内在力学机理,从宏观和细观角度对含瓦斯煤扩容过程的力学特征进行了系统研究。研究表明,受采动应力作用的工作面煤层存在扩容缓变和扩容急变两种力学状态;扩容缓变区煤层累计扩容量缓慢增加、瓦斯压力随采动应力增大而增大;扩容急变区煤层累计扩容量激增导致煤层瓦斯压力突变降低,易诱发动力灾害。含瓦斯煤扩容行为致使瓦斯压力突变,初始瓦斯压力增大导致扩容应力临界值降低、煤体扩容率明显增加、扩容区瓦斯突变压力梯度显著增大,含瓦斯煤失稳致灾敏感性增强。构建了含瓦斯煤瓦斯压力和采动应力耦合作用力学模型,表明工作面煤层瓦斯压力受控于采动应力,且呈指数正相关性。揭示了工作面煤层瓦斯压力受控于采动应力的扩容致灾力学本质。     

松软煤层采动应力动态分布规律研究

基于现场原位监测及三维数值模拟,研究了高突松软煤层采动应力动态分布规律。结果表明:随着采煤工作面的推进,工作面顶板出现垂直向下的卸载膨胀变形,引起顶板的离层、冒落;工作面回采后,垂直应力在工作面前后出现应力集中现象,且随着工作面的向前推进,应力集中位置前移,垂直应力逐渐减小;工作面前方形成的支承压力最大值发生在工作面中部前方,应力集中系数K为2.5。采动应力现场监测结果表明:煤层支承压力可划分为卸压区、应力增高区和原岩应力区,在工作面前方15～25 m处达到峰值,监测结果与数值模拟结果基本吻合。研究成果揭示了南方浅埋松软煤层应力集中区采动应力的动态变化规律,可为类似矿井的灾害防治提供借鉴。     

采动应力监测传感装置及应用研究

为研究矿山采动空间围岩应力演化规律以及其导致煤岩失稳问题,基于静水压原理开发了采动应力监测传感装置,在实验室对装置进行了弹性及弹塑性介质条件下的加载试验,并利用该装置在神火集团梁北煤矿进行了现场采动应力实测。结果表明:开发的采动应力监测传感装置在完全弹性条件下,监测结果可真实反映煤岩体应力;随着煤岩破碎程度增大,塑性增强,监测结果仍旧能够准确反映采动应力变化趋势。现场实测表明:孤岛工作面走向上,风巷与机巷各测点的垂直应力随工作面的推进逐步升高到峰值后急剧降低,倾向10 m范围内垂直应力增长幅度随测点距巷帮距离的增加呈增大的趋势。     

煤层松软底板经采动遇水条件下的变形移动与底压估算

由于矿井生产能力增大和合理集中生产,常需开拓底板岩层巷道系统。因此,对采场煤帮支承压力在底板岩层中的传递规律的研究就成为非常重要的问题。     

顾北煤矿13521工作面顶板水力压裂保护采动大巷技术现场试验研究

顾北煤矿1煤层顶板中存在多层关键厚硬岩层，厚硬岩层传递远场采动应力，致使采区大巷围岩控制困难，为此在顾北煤矿13521工作面开展了顶板水力压裂应力转移保护采区大巷技术现场试验。试验结果表明：水压力监测数据良好地反映了水力裂缝在目标岩层中的扩展发育过程，典型的水压力变化过程可以分为系统充水阶段、系统增压阶段、初始起裂扩展阶段、裂缝稳定扩展阶段、系统泄压阶段、关泵停水阶段六大阶段；压裂过程中的本孔-邻孔-围岩出水现象反映了压裂效果的好坏，现场施工现象反映出单孔裂缝扩展范围至少为20 m;通过进行顶板高-低位坚硬岩层组合致裂，有效切断了采动应力向采区大巷的传播路径，工作面附近采区大巷变形量均小于5 cm,采区大巷变形得到了有效控制，试验结果可为具有类似问题的矿井提供参考。     

采动影响下逆冲断层“活化”特征试验研究

以义马矿区的F16大型逆冲断层为背景,结合断层影响下5个矿井的地质钻探和井下揭露情况搭建相似模型,在考虑断层面的分形特征和断层面两侧覆岩赋存特征的基础上,综合运用声发射监测、采场覆岩位移和采场应力监测系统,研究采动影响下断层"活化"前后的覆岩运动特征、矿压显现规律和动力响应特征。研究表明:受逆冲断层南北两侧地层覆岩结构复杂和构造运动影响,断层"活化"前后工作面覆岩运动特征、矿压显现规律和动力响应明显不同。断层"活化"前,工作面覆岩"三带"特征明显,底板应力基本不受采动应力影响,声发射信号较弱。进入断层影响区后,顶板离层量呈跳跃式增长,采动应力诱发断层"活化",底板应力达到最大值,声发射的总事件数和能率发生突变增加。当推过断层一段距离后,随着上盘关键岩层悬臂岩梁长度增加,工作面煤壁发生屈曲破坏,底板应力增加,待岩梁垮断挤压应力释放后,底板应力随之下降,伴随着工作面上方"短砌体梁"结构发生切落且沿断层面滑动,产生大量声发射信号。     

巨厚岩层稳定性与冲击地压防治关系研究

针对具有巨厚岩层的冲击地压矿井,巨厚岩层作为矿井覆岩的主关键层,其稳定性关系到整个采场的安全。结合多年研究的工程案例,数值模拟分析了巨厚岩层在开采中的稳定阶段,重点研究其稳定前后冲击地压的发生机理,将此地层条件下的冲击地压防治分为2种形式:巨厚岩层稳定环境下,开采范围的增大造成巨厚岩层承受载荷转移,导致采场围岩形成高静应力引发自发型冲击地压;巨厚岩层失稳后产生的强动载部分传递至采场与静应力叠加,造成围岩应力突变而引发矿震诱发型冲击地压。在巨厚岩层稳定前后应用高精度微震监测系统,动态判断顶板活动范围及巨厚岩层稳定发展趋势;同时在临场应用应力在线监测预警系统实时分析采场围岩应力场变化范围和发展趋势,并对危险区进行实时预警。     

深部高瓦斯工作面煤体采动扩容特性研究

应用数值模拟、实验室实验、现场实测和理论分析的综合研究方法,对深部高瓦斯工作面煤体采动扩容特性进行了系统研究。研究发现含瓦斯煤体应力峰值前出现扩容现象,煤体初始瓦斯压力对扩容有显著影响,初始瓦斯压力越大,煤体发生扩容的应力临界值越小,瓦斯压力越易发生突变。高瓦斯工作面煤体扩容阶段,瓦斯压力具有采动应力响应特征,采动应力作用下煤体扩容力学行为打破了瓦斯解吸和吸附的平衡,瓦斯压力呈现先降低后升高的瞬变演化。基于深部开采高瓦斯工作面煤体扩容力学特征,考虑煤体瓦斯解吸吸附特性,依据理想气体定律,构建了含瓦斯煤扩容阶段瓦斯压力采动应力响应的数值力学模型,揭示了煤体扩容区瓦斯压力不稳定易突变失稳的内在机理。深部开采煤层在采动应力作用下的扩容是煤与瓦斯动力灾害发生的必要条件,也是灾害防控的主要可控因素,通过降低煤层采动应力集中以控制煤体扩容,可有效消除煤与瓦斯动力灾变隐患。     

煤层开采底板破坏数值模拟对比研究

采用数值模拟方法模拟煤层开采过程可以有效模拟应力变化过程,从而掌握底板变形破坏情况。通过对某煤矿深部下组煤首采区完整岩层和有断层岩层2种情况进行数值模拟,对比分析首采区采动应力变化和底板破坏情况,发现在断层影响下,终采线附近最大应力值远大于完整岩层的最大应力值,进而导致底板破坏深度大大增加,为下组煤开采预防底板突水和正确留设防隔水煤柱提供了重要参考。     

大倾角煤层群长壁开采承载拱与间隔岩层采动应力演化特征

大倾角煤层群开采过程中，受重复采动影响，采动应力在间隔岩层中的演化规律复杂，揭示间隔岩层采动应力传递与三向应力状态演化特征是实现该类煤层群绿色高效开发的核心。采用物理相似材料模拟实验研究了大倾角煤层群长壁开采围岩变形破坏的演化特征，采用数值模拟分析了围岩采动应力传递演化规律，揭示了间隔岩层三向应力状态演化特征，量化表征了第1主应力大小渐变、方向偏转的演变规律。研究结果表明：大倾角煤层群开采过程中，间隔岩层历经了“原岩应力状态-上煤层开采卸压-矸石非均衡约束-下煤层开采卸压”的扰动历程，最终产生非对称变形破坏。间隔岩层的破断失稳将使得上、下工作面开采过程中各自形成的承载拱演化成包络2个工作面在内的“大范围”承载拱，其承载拱上拱脚位于下工作面回风巷，下拱脚位于上工作面的运输巷，控制岩层变形破断内在的“大范围”应力传递拱壳亦呈现出类似的演化特征。低位间隔岩层受采动影响程度剧烈，应力释放程度较大；中位岩层压、拉状态发生改变的位置较低位向倾向下部偏移；高位岩层压、拉状态产生改变的位置位于上层煤底板临空面位置处，岩层由三向受压状态转化为单、双向受压状态。间隔岩层沿工作面倾向自下而上可分为上层煤增压...     

深井动压综放巷道围岩稳定性及控制技术

为探究受多次动压影响深井综放巷道围岩失稳特征及支护技术,以同煤集团麻家梁煤矿为工程背景,利用围岩地质力学参数测试、实测井下多次采动应力场及确定合理煤柱尺寸等方法展开研究。研究结果表明:一次动压影响阶段,超前支撑压力对煤柱的影响范围及影响程度远远小于工作面推过后采动应力对煤柱的影响;二次动压影响阶段,煤柱应力核区位于深度8~18 m钻孔之间,合理煤柱尺寸应至少为55 m,方能保证矿井安全生产。     

采动应力分布特征的深度效应

为研究神东矿区采煤深度增加引起的采动应力分布变化特征,采用FLAC~(3D)数值模拟软件,构建数值试验模型,分析不同采深模型下应力拱形态、超前应力峰值、位置及影响范围变化特点。通过研究不同开采深度采动应力分布特征的变化规律,得出了采深效应的作用机制。研究表明:通过分析数值模拟结果,发现不同埋深条件下工作面超前支承压力峰值距煤壁距离约8～12 m,受工作面开采剧烈影响范围(应力集中区域)约87～99 m,两者都随着埋深的增加而增大。上覆岩层形成的应力拱结构是影响采动应力分布特征的根本原因。针对深部矿井巷道围岩变形严重问题,提出了水力压裂措施,通过现场验证取得了良好的效果。