深井厚煤层冲击地压与大变形协调控制机制研究

冲击地压与大变形协调控制是深井厚煤层开采面临的共性难题。采用现场监测、理论分析等方法研究深井厚煤层冲击地压与大变形协调控制机制,建立沿空巷道侧向顶板二次破断的力学模型,并得到以下结论:(1)在新巨龙矿井条件下,施工直径120 mm、孔深25 m、间距1 m的大直径预卸压钻孔,形成的有效卸压保护带宽度为10~15 m;(2)深井厚煤层沿空巷道大变形的机制主要是强排煤粉诱发侧向顶板二次破断回转所致,并进行理论验证;(3)深井厚煤层冲击地压与大变形协调控制机制为确定合理的卸压参数,通过大直径钻孔释放围岩膨胀变形,降低巷道围岩应力,同时尽量减少对围岩结构的破坏。现场实践表明,采取优化支护工艺和卸压参数等措施,能够在一定程度上缓解沿空巷道大变形问题。研究结论对深井厚煤层冲击地压与大变形协调控制具有参考意义。     

我国煤矿冲击地压的研究现状:机制、预警与控制

从机制研究、预警技术和防治方法 3个方面出发,概述我国冲击地压研究现状。从地质赋存条件与冲击地压相互作用机制、采动应力和能量场时空演化规律与致灾机制、覆岩空间结构与冲击突出触发机制等方面阐述近年来我国冲击地压机制研究的热点问题及相关成果;介绍冲击地压监测预警系统的主要技术体系,包括"震动场–应力动态"一体化监测预警系统、冲击危险预测与监测预警体系、ZOS矿用分布式微震监测系统、无线冲击地压实时监测预警系统和冲击地压电荷监测技术;探讨快速让位吸能防冲支护技术、新型恒阻大变形锚杆(索)支护技术、基于应力控制的冲击地压区域防范技术体系对冲击地压的防治作用及其在大同、义马等矿区的应用情况。     

冲击地压巷道围岩支护作用动力学分析

建立了冲击地压巷道围岩支护作用动力学模型,模型将上覆岩层简化为由多个质量块组成的块系,岩块简化为刚体,岩块间的连接简化为Kelvin-Voigt模型,把支护系统简化为弹簧和耗能阻尼器,初始岩块受冲击载荷作用。支护系统中阻尼为零时,为常规支护系统;支护系统中阻尼大于零时,为吸能防冲支护系统。分析得出:加强支护,提高支护强度,可以大幅度减少巷道冲击载荷作用下围岩加速度和位移幅值;支护系统中加入阻尼构件有利于快速平息围岩震动,增强支护抗冲击载荷能力,提高巷道围岩稳定性。提出了高强度吸能支护防治巷道冲击地压,为冲击地压巷道安全防冲支护设计提供理论依据。     

千米深井采动工作面矿压显现规律及覆岩位移特征研究

深部煤炭开采过程中,岩体受到高地应力和强开采扰动的作用,是典型的动静组合加载问题,特别是千米级深井开采中少有成熟工程可借鉴,井下衍生的一系列工程地质灾害直接影响回采安全。为探索千米深井采动工作面矿压显现规律及覆岩位移特征,以平煤十矿24130工作面为依托,构建矿压立体监测–覆岩离层位移监测体系,对采动条件下,保护层开采过程中工作面前方钻孔应力、锚杆应力与巷道顶板离层位移进行长效监测与数据分析。结果表明,深部煤岩体受开采扰动影响呈现出显著非线性力学特性,而非单一线性增减,且开采扰动不是在整个回采过程中均对矿压显现产生明显影响,而是在开采至距采面45～65 m与25 m以内2个范围内存在显著影响;在上述2个范围内推进速度增加,扰动效果显著,因而在围岩较破碎的区域适当降低推进速度至0.5m/d左右,可保证煤岩体结构完整,始终具有一定承载力;此外,釆动对巷道顶板矿压影响相较于巷道巷帮更显著,在支护设计时应该对巷道顶板加强支护;采面前方15～5 m范围为采动对覆岩位移的主要影响区域,该范围内顶板离层发育较快,且顶板离层发育速度受到工作面推进速度的影响更显著,表明该区域内适当控制开采速度在0.8～1.1 m/d时,可保证生产要求的同时更利于工作面前方顶板管理,为千米级深井的采面安全生产提供科学指导。     

我国煤矿冲击地压防治的格局、变局和新局

梳理和总结我国煤矿冲击地压防治的研究成果，从冲击地压防治的科学、技术和管理视角，对我国煤矿冲击地压防治现状、面临问题和发展方向进行分析和阐述，希望起到抛砖引玉的作用，进一步推动我国煤矿冲击地压防治水平的提升。从我国煤矿冲击地压矿井基本情况，冲击地压发生机制和理论，开采前冲击地压危险性评价预测，开采中冲击地压危险性监测预警，冲击地压防治方法和技术，冲击地压法规文件及管理体系，冲击地压防治效果等方面对我国冲击地压防治现状进行系统分析。从冲击地压灾害防治形势、防治标准、复合灾害、矿震态势、巷道支护、冲击地压预警、冲击地压监测技术等方面阐述我国煤矿冲击地压防治面临的问题。提出加强基础研究、合理确定防冲设计安全系数，发展冲击地压预测防治智能化，实施矿震、冲击地压复合灾害一体化防治，完善本煤层自解放开采技术，推进全巷吸能液压支架支护技术，科学鉴定冲击地压矿井等提高我国煤矿冲击地压防治水平的努力方向。     

深井特厚煤层综放工作面区段煤柱合理宽度研究

 留设合理宽度的区段煤柱是确保深井特厚煤层综放工作面顺利接续和安全回采的关键。以新巨龙矿井一采区区段煤柱宽度的确定为工程背景,首先采用微地震监测、应力动态监测和理论计算等方法确定深井特厚煤层综放工作面侧向支承压力分布特征,得出低应力区宽度约为20 m;其次,采用工程类比、数值模拟等方法确定深井特厚煤层综放工作面侧向煤体不完整区宽度约为3 m;最后,综合考虑资源回收、冲击地压防治、次生灾害控制和巷道支护等因素,确定深井特厚煤层综放工作面区段煤柱合理宽度为5.0～7.2 m。应用沿空巷道表面位移观测结果验证区段煤柱宽度的合理性。该研究结果对类似开采条件下的区段煤柱宽度确定具有参考意义。     

禾二矿浅埋破碎顶板切顶成巷试验研究

针对浅埋薄煤层沿空留巷在工作面回采后垮落带内顶板不易垮落、沿空巷道动压显现剧烈的关键问题,通过关键理论分析、数值模拟、现场工程地质条件分析等手段,对浅埋深、薄煤层、破碎顶板条件下的切顶成巷技术开展研究,并在该条件下的禾草沟二号煤矿1105工作面回风顺槽进行现场应用。通过数值模拟,对比分析了切顶不充分和切顶充分时沿空巷道围岩应力分布及巷道围岩位移,结果表明:切顶充分时,采空区顶板对沿空巷道顶板动压影响大大减弱,巷道围岩变形较小,能够保证留巷效果。根据禾草沟二号煤矿浅埋、破碎顶板开采顶板运动模式和矿压显现特征,确定了切缝角度和恒阻锚索支护等关键参数,为浅埋、破碎顶板切顶卸压自动成巷的成功应用奠定基础,提出了切顶卸压自动成巷的预裂爆破参数设计、自动成巷支护技术;通过对禾草沟二号煤矿1105工作面回风顺槽留巷的工程地质条件分析,运用切顶成巷技术原理进行了留巷设计,并应用到现场,取得较好的应用效果。     

大采深厚表土复杂空间结构孤岛工作面冲击地压防治 技术研究

厚表土层覆盖下的深埋不规则孤岛工作面覆岩空间结构复杂多变,顶板运动剧烈,该类孤岛工作面在受到大采深和地质构造等因素的影响下,极易发生冲击地压。以某矿不规则深井孤岛工作面为工程案例,首先对工作面冲击危险性进行分析评价,通过开采前进行的模拟推进,采用覆岩空间结构理论,分析得到了高应力区域,确定了冲击危险区域和危险程度;采用应力在线监测系统进行冲击危险性实时预报,钻屑法进行危险性检验;采取钻孔卸压和爆破卸压措施对危险区进行处理,有效的保证了复杂空间结构下孤岛工作面的安全回采。     

构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道冲击地压机制研究

 冲击地压是煤矿开采中因采动或动载诱发煤岩体变形能剧烈释放,并伴随地下采掘空间煤岩体突然、急剧和猛烈破坏的现象。随着煤矿开采深度和开采强度的持续增加,地下开采面临的构造地质条件日趋复杂,我国越来越多的煤矿开始出现冲击地压现象,破坏性冲击地压频繁发生且日益严重。冲击地压的孕育和显现是构造特征和地层特征在采掘动态平衡过程中能量稳定态积聚及非稳定态释放的结果,是煤岩体性质、地质特征和开采技术条件的综合反映,同时该问题具有明显的时空演化特征。 义马矿区是冲击地压的高发矿区,且冲击地压多发生在回采巷道,巷道冲击地压的本质是巷道围岩在高应力作用下的突然失稳、变形和破坏。向斜构造应力、断层构造应力、上覆巨厚砾岩局部离层断裂垮落造成巷道的非均匀应力和开采扰动是义马矿区回采巷道冲击地压发生的主要影响因素。运用现场调研、相似模拟试验、数值计算和现场工业性试验相结合的方法,深入研究构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道冲击地压机制及防治技术。主要工作与创新点如下： (1) 针对义马矿区11个典型工作面发生的89次冲击事件进行统计分析,得出了义马矿区冲击地压以回采巷道冲击地压为主,冲击引起的回采巷道变形破坏以底鼓为主。 (2) 设计了具有义马矿区向斜、断层和巨厚砾岩地质特征的相似模拟试验,并采用数字散斑全位移场监测、应力场监测和能量场监测,研究了采动影响下距工作面不同距离和距断层不同距离回采巷道围岩冲击特性及失稳变形破坏特点,并分析了巨厚砾岩离层断裂时巷道围岩变化规律和断层滑移活化时巷道围岩变化规律。 (3) 建立了具有向斜、断层和巨厚砾岩特征的数值模型,研究了采动影响向斜作用下巷道围岩冲击特性(巷道围岩的应力场、能量场、位移场和塑性区(三场一区)是巷道围岩冲击特性的表现形式),对比分析了向斜轴部和翼部回采巷道围岩冲击特性异同;研究了采动影响断层作用下巷道围岩冲击特性,对比分析了断层下盘和上盘回采巷道围岩冲击特性异同;研究了采动影响巨厚砾岩作用下回采巷道围岩冲击特性,从不同砾岩厚度条件下对比分析回采巷道围岩冲击特性;研究了采动影响构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道围岩冲击特性,对同时间不同地点距工作面不同距离回采巷道围岩冲击特性、同地点不同时间距工作面不同距离回采巷道围岩冲击特性和距断层不同距离回采巷道围岩冲击特性分别进行详细分析。 (4) 提出了构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道冲击地压机制、义马矿区回采巷道冲击地压综合防治体系和具体防治措施,并对回采巷道强力柔性支护体系、U型钢联合支护体系和锚杆支护体系进行评价总结,依据应用实践得到的回采巷道冲击地压前兆规律,得出强力柔性支护体系在防冲巷道支护中对巷道围岩应力场、能量场和位移场的关键控制作用明显优于U型钢联合支护体系和锚杆支护体系,且可以很好地适应并控制巷道围岩变形,对构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道冲击地压防治起到积极且显著的作用。     

深埋沿空留巷采动变形特征及应力分布规律探索

我国深部煤炭资源储量巨大,但巷道变形失稳是制约深部资源高效开采的一个重要因素。为了探究超千米埋深沿空留巷巷道在第一次回采期间的变形、应力分布规律以及锚杆支护效果,以平煤十二矿己14–31050工作面下进风巷为工程背景,利用收敛仪和锚杆应力计对巷道断面变形和顶板锚杆应力进行长期监测,并结合有限差分法分析了在回采过程中整个工作面应力分布以及变形特征。结果表明:(1)在第一次回采阶段,基于锚杆受力以及巷道断面收敛规律,可将巷道顶板划分为5个不同区域,并确定了各区域范围;(2)在回采期间,锚杆受力曲线除了的单峰曲线外,还存在着双峰或者多峰曲线、应力失效恢复曲线;(3)深入分析锚杆预紧力以及峰值拉力特征,确定了合理预紧力区间为50～70 kN。以上研究成果对于千米深井巷道支护设计具有一定的借鉴意义。     

无煤柱综放开采大变形软岩巷道卸压维护分析 及其应用*

 借助理论分析、数值计算、现场实测等方法,主要介绍了无煤柱综放开采沿空软岩巷道围岩结构及其变形破坏规律。首次提出了应用本煤层布置卸压巷并结合松动爆破技术解决沿空软岩巷道有效维护的难题。同时探讨了一般卸压原理及具体的卸压方案。理论和实践证明,这是实现沿空软岩巷道围岩控制的科学思路和有效方法。     

综放开采“原位”沿空掘巷探讨

 在分析综放开采工艺特点的基础上, 首次提出了综放“原位”沿空掘巷的概念, 即在上区段原废弃巷道位置开挖为下区段工作面服务的巷道。并从理论和技术上对其可行性进行了初步探讨; 认为“原位”沿空掘巷可以最大限度地减少综放工作面“两巷”煤损, 其位置处于悬臂平衡岩梁保护之下的免压区内, 掘进、采放的人为扰动对巷道的影响很小, 因而巷道受力、变形亦很小;“原位”沿空巷道的掘进成巷及防漏风是需重点解决的技术问题。“原位”沿空掘巷是一种有发展前途、有理论探讨价值和很有必要进行现场试验的新的巷道布置方式。     

大同矿区特厚煤层综放回采巷道强矿压显现机制及控制技术

为保证大同矿区特厚煤层开采过程中临空巷道超前支护段的稳定性与可用性,采用理论分析与现场实测相结合的方法,得到巷道超前支护段的强矿压显现机制。研究表明:侏罗系煤层采空区区段煤柱应力集中影响区深度仅50~70 m,不足以影响石炭系工作面回采巷道的强矿压显现;石炭系工作面临空巷超前支护段的强矿压显现,主要受工作面采动超前支承压力及相邻工作面采空区悬顶的双向高支承压力的影响,且当工作面过上覆煤层采空区边界煤柱后,侏罗系煤层顶板大结构被重新激活,再次运动失稳,加剧了临空巷道的强矿压显现。提出并实施巷道顶板水压致裂有效控制技术,对同忻矿8105工作面5105临空巷实施定向高压水力致裂,实现巷道围岩高应力的转移,大大降低了临空巷超前支护段的强矿压显现强度,取得良好的临空巷卸压效果,保证了特厚煤层综放工作面的正常生产。     

刚柔耦合吸能支护煤岩巷道冲击破坏相似试验与数值计算对比分析

冲击地压巷道支护问题一直是研究的热点。采用相似模拟试验和数值模拟的研究方法,对裸巷和刚柔吸能支护巷道的冲击破坏过程进行研究。试验和数值计算结果均表明,无支护巷道冲击变形破坏较严重,在巷道顶板和两帮壁面均出现裂缝扩展和贯通,甚至出现抛出物冲入巷道和塌落现象;刚柔吸能支护具有缓冲和吸收冲击能作用,表现为巷道顶板和两帮壁面发生向巷道内部变形,同时有局部壁面出现裂缝,但巷道整体性完好;裸巷和吸能支护巷道冲击破坏规律基本一致,吸能支护巷道冲击破坏程度弱,整体性好,刚柔耦合支护更有利于冲击地压巷道支护。     

弓长岭井下矿采准巷道破坏形式及其支护技术研究

弓长岭井下矿中央区开采急倾斜中厚矿体,随着采深的增大,采准工程出现地压显现的部位增多、规模逐渐增大,进入-280m 中段开采后,采准工程的塌冒已经严重影响生产的正常进行.经过调查巷道发生破坏的部位与破坏区岩性变化,查明上盘楔形体围岩的附加力作用是引发回采巷道大规模破坏的主要原因,为此提出卸压开采方案,即在高应力区先回采上分段沿脉进路,为下分段卸掉垂直压力后,再掘进下分段沿脉进路.此外,根据巷道破坏过程与地压显现形式,分析了现用工字钢金属架支护方法的不适应性,提出根据岩性与地应力大小选择树脂锚杆、喷锚网联合支护的改进方案.初步试验表明,改进方案可有效解决上盘沿脉巷道的塌冒难题,并可较好地适应弓长岭井下矿深部矿岩条件,不失为弓矿实用技术.     

深井沿空掘巷支护参数研究

深井沿空掘巷支护设计的研究对煤矿安全生产来说有着非常重要的意义,为了解决煤矿深井沿空巷支护的难题,本文以朱集东煤矿1122(1)轨道顺槽沿空掘巷为技术背景,重点阐述深井沿空掘巷支护技术。目的是为沿空掘巷巷道提供合理的支护参数,为今后深井沿空掘巷巷道支护选择合理的参数,提供可靠地借鉴。     

深井沿空留巷扩刷修复技术及应用

以朱集矿埋深900 m首采工作面沿空留巷扩刷修复工程为背景,采用现场实测和理论分析的方法分析深井留巷扩刷修复前围岩变形、应力、结构等状态,提出留巷扩刷修复结构临近失稳的概念,确定留巷扩刷修复的合理时机,组织留巷扩刷修复时的合理工序,制定留巷扩刷修复巷道的主被动协同支护方案。研究结果成功运用于朱集矿深部留巷扩刷修复工程,围岩监测结果表明,留巷扰动变形在修复后得到有效控制,各项指标满足下一工作面回采要求。     

深井沿空留巷扩刷修复技术及应用

 以朱集矿埋深900 m首采工作面沿空留巷扩刷修复工程为背景,采用现场实测和理论分析的方法分析深井留巷扩刷修复前围岩变形、应力、结构等状态,提出留巷扩刷修复结构临近失稳的概念,确定留巷扩刷修复的合理时机,组织留巷扩刷修复时的合理工序,制定留巷扩刷修复巷道的主被动协同支护方案。研究结果成功运用于朱集矿深部留巷扩刷修复工程,围岩监测结果表明,留巷扰动变形在修复后得到有效控制,各项指标满足下一工作面回采要求。     

基于摆型波理论的防冲支护设计

 针对当前煤矿支护方面不能有效解决冲击地压防御这一工程难题,分析并指出煤矿支护形式、支护方法上存在的根本问题。基于深部非连续自平衡应力岩体介质的等级块系构造理论,建立一维非连续自应力块系上覆岩体与支护互馈作用的理论模型,研究在冲击扰动下岩体中摆型波传播时支护性质对支护端岩块动力响应影响上覆岩块动态响应受不同性质支护作用的影响。分析得到：对于刚性支护当支护为刚性时,支护端岩块动力响应的加速度幅值随支护刚度的增大而降低;当刚性支护中具有柔性阻尼耗能机制时,岩块动力响应时间会随阻尼系数的增加而缩短。由此推论：在煤矿支护中,利用刚性支护与柔性阻尼耗能机制相结合的方式可以增强围岩稳定性、增加支护–围岩系统抵抗冲击的能力,以防止冲击地压的严重显现。由此提出刚柔耦合快速吸能让位防冲支护设计理念,并对基于该理念研制的新式巷道防冲吸能液压支架进行简要介绍,对其中核心吸能构件进行初步分析,为进一步研制系列防冲支护设备,形成新式防冲支护技术与方法,改善当前煤矿防冲支护设计,形成新式防冲支护技术与方法,奠定一定的理论基础。     

沿空留巷采场围岩力学特征数值模拟研究

为揭示沿空留巷采场上覆围岩的力学特征,以谢桥煤矿12418工作面地质和开采技术条件为背景,采用数值模拟进行了计算和分析。研究表明:工作面上覆围岩存在应力壳(高应力束组成)和老顶岩层承载结构,共同承担、传递和转移上覆岩体的荷载,工作面位于两者保护的低应力区内。工作面围岩破坏场发育在高应力集中区下的卸压区内,而破坏造成的离层区域位移量最大。沿空留巷的刚性充填体导致其自身和覆岩处于高应力状态,形成完整未破坏区域,降低了采空区上方破坏区的高度和范围,使本工作面采空区上方破坏区不能与临近破坏区贯通,瓦斯得不到有效释放和卸压。在倾向方向,工作面中部垂直位移大于上部和下部,对充填体产生向巷道内的水平推力,充填体水平位移较大,不利于巷道围岩稳定性控制。因此,合理控制充填体的强度和刚度是沿空留巷开采取得最佳效果的关键。