煤矿采空区失稳灾害链式效应与链式类型研究

煤矿采空区失稳灾害特别是大面积房柱式采空区失稳诱发矿震或冲击气浪灾害一直缺乏有效的预测预防和控制。为了研究煤矿采空区失稳灾害的发生机理,进而达到预测预防和控制的目的,基于煤矿采空区失稳灾害主要影响因素分析,引入灾变链式理论,研究了煤矿采空区失稳灾害中致灾环境、致灾因素、作用方式、承灾体4个要素之间的关系,构建了煤矿采空区失稳灾害链式效应结构模型和数学理论模型,获得了煤矿采空区基本失稳模式和链式类型,并结合案例进行了分析。研究表明,煤矿采空区失稳灾害主要影响因素包括区域地质及构造分布、采空区/煤柱尺寸与形态、采空区覆岩及围岩岩性、水文地质条件、采空区上下及周围煤层开采情况、采空区类型及遗留时间、静载和动载等8个方面;通过研究致灾环境、致灾因素、作用方式、承灾体4个要素之间的关系,可以构建煤矿采空区失稳灾害链式效应结构模型和数学理论模型;煤矿采空区基本失稳模式和链式类型主要包括6种,即单一煤柱采空区失稳链、构造影响下采空区失稳链、含水采空区失稳链、开采扰动影响下采空区失稳链、静载影响下采空区失稳链、动载影响下采空区失稳链,每种灾害链的发生模式各有异同;案例表明,煤矿采空区失稳灾害大都为上述6种基本链式类型中2种或2种以上的复合类型。     

煤矿采空区失稳灾害预测及综合防控技术

为减小煤矿采空区失稳灾害的发生概率、保证周边居民生命和财产安全、避免采空区失稳灾害带来大规模的生态破坏现象,对煤矿采空区失稳灾害进行预测和防控。利用粗糙集理论剔除冗余和缺陷信息,结合突变级数法得到失稳灾害预测指标体系,利用熵权理论获得地质、水文、环境、结构指标对应的灾害权重,引入置信度完善预测识别准则,完成失稳灾害预测,在此基础上,采用综合防控技术降低煤矿采空区自然灾害的发生频率。实验结果表明,所提方法的煤矿采空区失稳灾害预测结果精准度高,同时综合防控技术能够有效提高煤矿采空区的安全性。     

基于“弹性孔理论”的巷道围岩结构失稳研究

开挖扰动作用下巷道围岩失稳与卸荷易诱发掘进工作面岩体大范围垮落,甚至导致围岩动力灾害,严重制约现场安全高效掘进。针对巷道围岩结构失稳问题,基于"弹性孔理论",系统总结了开挖扰动诱发片帮的4种类型,分析顶板结构、巷道围岩失稳机制;采用ABAQUS有限元数值计算软件分析巷道围岩结构失稳机理和灾变特征,巷道经过支护后,顶板运移量大幅度减小,同时减缓覆岩整体性破坏程度。结果表明,受巷道掘进扰动影响,顶板更易发生结构失稳,巷道支护能够有效阻碍覆岩顶、底板运移,缓解岩体灾变概率,动力灾害得到有效控制,巷道实现安全掘进。     

基于弹性孔理论巷道围岩结构失稳数值计算

针对巷道围岩结构失稳问题,基于弹性孔理论系统总结了开挖扰动诱发片帮的4种类型,分析顶板结构、巷道围岩失稳机制;采用FLAC3D有限元数值计算软件分析巷道围岩结构失稳机理和灾变特征,巷道经过支护后顶板运移量大幅度减小,同时减缓覆岩整体性破坏程度。结果表明,受巷道掘进扰动影响下顶板更易发生结构失稳,巷道支护能够有效阻碍覆岩顶、底板运移,缓解岩体灾变概率,动力灾害得到有效控制,巷道实现安全掘进。     

资源整合煤矿采空区灾害特点及防治对策

基于对我国资源整合煤矿采空区灾害事故分析和采空区灾害类型分析,研究了采空区灾害的特点,提出了防治对策及建议。结果表明:按致灾形式划分,我国资源整合煤矿采空区分为废弃老采空区(井筒)透水、采空区火灾(含自燃、瓦斯爆炸等)、采空区有毒有害气体(含瓦斯)涌出、采空区诱发的不良地质异常灾害等4种类型;老采空区具有分布情况不明、灾害种类多样、隐蔽性和突发性、难以预测性的特点;总结提出了资源整合煤矿采空区灾害防治的36字方针,即"地面普查先行、井下勘查跟进、评价评估及时、综合治理减灾、监测监控到位、安全措施保障"。     

倾斜厚煤层综放工作面煤柱-关键层结构失稳型矿震机理

采空区遗留煤柱支撑顶板导致厚硬关键层悬顶面积大幅增大,形成的“煤柱-关键层”结构失稳是诱发矿震和冲击地压灾害的主要原因。以新疆硫磺沟煤矿(4-5)06矿震频发工作面为工程背景,采用理论分析、数值模拟、微震监测和现场调研等方法,研究了“采空区遗留煤柱-关键层”组成的覆岩空间结构特征,分析了采空区遗留煤柱应力演化规律和关键层力学结构特性,建立了非对称覆岩空间结构下采空区遗留煤柱应力分布估算模型和倾斜关键层极限跨度计算力学模型,揭示了倾斜厚煤层综放工作面“煤柱-关键层”结构失稳型矿震发生机理：采空区遗留煤柱支撑顶板形成“煤柱-关键层”结构,随着工作面开采范围增大,煤柱应力集中程度不断增加,当煤柱集中应力超过其极限承载能力发生失稳时,悬露关键层长度超过其极限跨度,发生破断失稳并诱发矿震和冲击地压灾害。据此建立了包含遗留煤柱整体失稳冲击倾向性指数和关键层极限跨距的“煤柱-关键层”结构失稳型矿震发生判别准则,并采用数值模拟和微震监测进行了验证。按照“有震无灾”的防治原则,提出了“煤柱-关键层”结构下工作面“减震-防冲”的技术措施,分析了工作面推采速度与大能量微震事件的关系,确立了降低工作面矿震能量...     

采掘诱发高势能溃砂灾变机理与防控研究与展望

采掘诱发高势能溃砂是威胁矿山生产和矿工生命安全的重大灾害,其发生机理与防控原理不同于矿井突水和浅部流砂,具有突发性强、蓄能高、破坏力大、防控困难等特点,亟需在以往研究基础上,对高势能溃砂灾变机理和防控原理开展研究。结合矿山深部开采和高强度开采实际,以赋存—形成—运移—预测—防控为主线,采用地质勘查与建模、物质成分和结构测试、野外及井下长期观测、监测预警、透明土离心模型试验、渗水力模型试验、理论研究和数值模拟等方法,围绕矿山采掘诱发高势能溃砂启动与灾变机理、高势能水砂混合流在采动覆岩裂隙带和垮落带中的运移规律、高势能溃砂注浆扩散凝固机理、挡砂墙渗透失稳机理等关键科学问题,重点研究高势能溃砂形成的地质背景、启动判据、灾变机理、运移规律、辨识评价和防控原理等内容,建立高势能溃砂的危险源辨识、预测评价、灾变机理、运移规律、预警救援、治理恢复的系统防灾减灾救灾的溃砂防控理论及关键技术体系。研究结果将为解决我国采掘诱发高势能溃砂、突破高势能溃砂灾害防控的技术瓶颈提供理论支撑。由于工程诱发灾变过程和结果的不确定性,将高势能溃砂防控向深层次、多结构、多维度、多决策的综合防灾减灾体系拓展,是今后矿山重大地质灾害防控的重点方向。     

煤矿典型动力灾害风险判识及监控预警技术研究进展

围绕拟解决的重大科学问题"煤矿典型动力灾害风险判识及监控预警技术",以煤与瓦斯突出、冲击地压等典型煤矿动力灾害为研究对象,鉴于煤矿典型动力灾害诱发机理不清、风险判识不明、监控预警技术不足等现状,开展了冲击地压孕育机理与风险判识及监测预警、煤与瓦斯突出灾变机理及监测预警、煤矿典型动力灾害信号采集传输和智能化分析、煤矿典型动力灾害监控预警系统平台等研究,开发了大尺度、真三维、全封闭自动开挖煤与瓦斯突出物理模拟实验装置,研制了包括光纤光栅微震传感、三轴应力传感、分布式多点激光甲烷检测等在内的动力灾害前兆信息新型感知与多网融合传输传感装置,建立了井下传感器数据的多元海量动态信息的聚合理论与方法,提出了基于漂移特征的潜在煤矿典型动力灾害预测方法与多粒度知识挖掘方法,构建了基于大数据分析和数据挖掘的煤矿动力灾害风险判识和监控预警模型。通过现场实践,表明能实现全面采集人机环参数,且采集传感器具有故障自诊断、响应时间短、标校周期长等优点。监控预警系统稳定运行无故障率达到了99%,抗干扰等级不低于3级,系统监控预警准确率大于90%,实现了煤矿典型动力灾害隐患在线监测、智能判识、实时预警。     

相邻采空区关键层失稳诱发矿震机理研究

基于岩层控制的关键层理论,对工作面开采过程中相邻采空区震动机理进行了研究,将相邻采空区震动机理归结为3种基本形式：① 低位亚关键层回转滑移失稳;② 高位亚关键层剪切滑移失稳;③ 主关键层极限破断失稳。利用现场矿井微震监测系统,分析了不同机理震动规律,结果表明,相邻采空区岩层失稳滞后于本工作面岩层运动,震动频次上低位亚关键层最高,高位亚关键层次之,主关键层极限破断失稳震动最少,震动能量上则相反;本工作面破坏烈度则是高位亚关键层剪切滑移失稳最强,低位亚关键层失稳震动次之,而主关键层最小。最后,根据震动诱发动力冲击的能量机理,提出了相邻采空区震动灾害的治理措施,并在现场实施应用。     

煤矿深部开采煤岩动力灾害防控理论基础与关键技术

煤岩层赋存条件决定了煤矿深部开采条件下煤岩动力灾害的发生机理更趋复杂、防控难度显著增大,如何解决煤矿深部开采煤岩动力灾害防控问题,直接影响我国煤矿的安全生产和能源的有效供给。针对"煤矿深部开采煤岩动力灾害防控技术研究"这一科学命题,基于冲击地压"三因素"机理和煤与瓦斯突出的综合作用假说,从煤岩动力灾害防控理论基础、关键技术和防控实践等3个方面,梳理澄清了煤矿煤岩动力灾害防控中的一些模糊概念,建立了用于统一描述冲击地压和煤与瓦斯突出发生机理的广义"三因素"("物性因素"、"应力因素"及"结构因素")理论,确定了我国煤矿典型冲击地压的4种类型(煤层材料失稳型、煤层结构失稳型、顶板断裂型、断层滑移错动型),分析了影响冲击地压和煤与瓦斯突出的主要因素,从思想认知、原则方法及技术核心等方面凝练了煤岩动力灾害多尺度分源防控技术,提出了深部开采冲击地压巷道"三级"吸能支护思想与成套技术,开发了煤与瓦斯突出井上下联合抽采防控技术和超高压水射流"横切纵断"防治复合煤岩动力灾害技术,并在现场开展了应用试验。煤矿深部开采煤岩动力灾害防控理论与关键技术的建立与完善,为我国今后煤矿煤岩动力灾害的防治提供了科学依...     

采空区顶板大面积垮落的空气冲击灾害研究

基于近年来采场顶板大面积垮落所形成空气冲击灾害的频发性与严重性,在总结以往研究结果的基础上,用矿压理论与流体力学理论的分析方法,论证了长壁采场空气冲击灾害发生的客观条件、灾害模式、研究的重点内容、解决问题的途径以及最新研究进展.主要结论有:采场空气冲击灾害的发生条件与灾害模式是存在差异的;顶板垮落的空气冲击灾害过程存在共性,均需考察冲击时间、灾害程度以及防灾工程设计与防治等;应用非稳态可压缩流体的理论研究该问题.     

煤与瓦斯突出、冲击地压复合动力灾害一体化研究

随着煤矿向深部开采,一些矿井动力灾害既表现出煤与瓦斯突出的部分特征,又有冲击地压的部分特征,2种动力灾害互为共存、互相影响、相互复合,难以界定为单一灾害类型,为此提出煤与瓦斯突出、冲击地压复合动力灾害的概念。通过复合动力灾害一体化理论研究,揭示了复合动力灾害发生的统一机理,据此建立了统一失稳判别准则;基于现有动力灾害分类所存在问题,将动力灾害划分为4种类型,在此基础上,针对矿井复合动力灾害类型创新研发了钻屑法多指标一体化检测及煤体温度、煤体电荷实时连续监测设备,形成了复合动力灾害一体化分类分级预测技术;同时,提出了瓦斯抽采、深孔爆破断顶-破煤-断底卸压、煤层注水等消减瓦斯内能、释放煤岩弹性能的复合动力灾害一体化防治技术。     

采空区群失稳模型构建及隔离矿柱安全厚度研究

许多金属矿山存在采空区群安全隐患。基于CMS对某矿山的采空区群开展定期探测,形成动态监测机制,精确获取采空区群三维边界;研究构建空区群连锁式失稳模型：基于突变理论分析方法,构建了采空区顶板-隔离矿柱力学模型,提出隔离矿柱失稳的判据,计算合理的隔离矿柱安全厚度,阻断空区群连锁失稳过程。运用数值模拟验证了计算结果的合理性。研究表明通过精确控制隔离矿柱的安全厚度,可有效阻断空区群连锁失稳导致的工程灾害;计算结果为下一步资源回采方案提供了设计参考。     

TEM在地质灾害评估中的应用研究

采空区是产生地质灾害的主要因素之一,危害极大,查明采空区范围对地质灾害的准确评估和预防有着十分重要的意义。瞬变电磁法是一种被广范应用的地球物理勘探方法,其具有对低阻体敏感、施工效率高、适用于各种地形工作等优点。在分析电法勘探理论基础及地电条件上,采用瞬变电磁法成功地探测了某地质灾害评估区内铝土矿采空区位置,验证效果明显,为该地区地质灾害评估工作提供科学的依据。     

矿山灾害监测监控系统发展现状与趋势

我国矿产资源丰富但矿产资源赋存条件相对较差,矿山开采过程中井下瓦斯、水、火等灾害问题极为突出。矿山灾害监测监控系统能够收集矿井内部的有关参数信息,迅速做出控制、调整和预警,减少灾害事故发生。在分析了矿山灾害事故的基础上,回顾了矿山灾害监测监控技术的发展,并对计算机技术、传感技术、通信技术在矿山灾害监测监控系统中的应用展开论述。最后,通过对国内外情况进行研究分析,综述了矿山灾害监测监控系统发展现状和发展趋势,可为绿色矿山和智能矿山的建设提供参考。     

西部高强度采煤区矿山地质灾害现状与防控技术

榆神府矿区是我国重要的原煤产地,高强度、大规模开采导致矿山地质灾害不断涌现。通过高分遥感结合地面调查研究了本区矿山地质灾害现状,结果表明：本区矿山地质灾害主要包括地面塌陷、地裂缝、矿震、地表水体缩减、地下水位下降、土地退化等。地面塌陷可划分为4个区,其中严重区与煤层开采强度相关性高;地裂缝分布空间维数在1.45～1.51,垂直工作面走向的裂缝多于顺工作面走向的裂缝;采空区塌陷引发地震46次,最大震级3.2级;水体灾害包括地表水体面积缩减和地下水位埋深下降,地下水位下降8 m以上的区域面积达33 km2;矸石压占对土地利用结构影响较大,但荒漠化程度总体上呈逆转趋势。开展矿山地质灾害防控技术研发,建立矿山地质灾害、地质环境监测体系,是矿山地质灾害防控的重点。     

煤矿深部开采煤岩动力灾害多尺度分源防控理论与技术架构

煤矿进入深部开采后,煤岩体物性、应力、瓦斯等因素发生显著改变,开采覆岩扰动范围及动静载荷显著增大,矿井群联动致灾效应与大型地质体控制效应显现,冲击地压、煤与瓦斯突出灾害并存甚至相互转化,煤矿深部开采煤岩动力灾害防控已成为当前亟待解决的问题。针对我国煤矿深部煤岩动力灾害孕灾条件复杂且尚不清楚,相互转化机制不清,快速探测手段、科学有效的防控技术与装备缺乏的现状,凝练了深部开采煤岩动力灾害防控的关键科学技术问题,提出了多尺度分源防控深部煤岩动力灾害的思想,确定了深部开采煤岩动力灾害防控技术的攻关方向,构建了煤矿深部开采煤岩动力灾害多尺度分源防控理论与技术架构,最终将形成我国煤矿深部开采煤岩动力灾害多尺度分源防控理论与技术体系,为我国煤矿深部开采冲击地压、煤与瓦斯突出和复合煤岩动力灾害有效防控提供理论支撑和技术途径。     

未确知测度理论在采空区危险性评价中的应用

采空区灾害是矿山频繁高发的灾害之一。将未确知测度理论用于评价采空区的危险性,考虑到空区稳定性影响因素数值的易取性和显著性,经综合分析,选取空区岩体结构、地质构造、围岩抗压强度、水文因素、采空区布置形状、矿体倾角、高跨比、采空区体积、埋深、最大暴露面积、暴露时间、采动扰动情况、相邻空区情况等13项因素作为空区危险性的判别指标。根据空区危险性等级和评价指标的分级标准,结合采空区失稳机理和相关研究成果,建立评价指标的单指标测度函数,采用信息熵理论计算指标权重和综合测度,依照置信度识别准则进行等级判定。对某金属矿12组空区危险性进行评判。结果表明,该法的判别结论与采用模糊综合评判法和物元分析方法得出的结果完全相符,这充分说明该方法是可靠实用的,可以在工程实践中推广应用。     

煤矿冲击地压与冒顶复合灾害研究

随着煤矿向深部发展,矿井动力灾害既表现出冲击地压的部分特征,又表现出冒顶的部分特征。2种典型的灾害打破以往冒顶与冲击地压的发生具有一种互为逆向性的认知规律,在深部高应力煤巷,特别是留顶煤巷道中出现了相互诱导、复合发生的新灾害类型。在总结山东、山西和新疆矿区典型巷道冲击致顶板(顶煤)动力灾害特征的基础上,提出了深部巷道冲击地压与冒顶复合灾害的概念、机理与分类,指出复合灾害机理关键点在于揭示巷道整体系统和破碎区子系统的稳定原理及其2者间的相互影响。建立了巷道发生复合灾害的力学模型,根据扰动响应失稳判据,提出并得到了巷道发生复合灾害的临界应力Pcr、临界软化区半径ρ_cr和最大容许采扰应力增量σ_max,厘清了灾害发生的主控因素,分析了煤岩冲击倾向指数K、支护强度ps、巷道半径ρ₀、煤岩强度σ_c等对灾害发生的影响规律,同时阐明了围岩塑性软化、破碎深度随地应力增加的发育规律。研究结果表明,破碎发育巷道的动力失稳主体为弹性区、软化区与破碎区构成的不稳定系统,垮落主体为破碎区;稳定的破碎区提升了巷道冲击启动临界值,使其启动难度增大,但破碎区的发育又易引起顶煤垮落;巷道稳定支护是解决复合灾害的关键,科学合理支护既能有效调控围岩破碎防冒,又能提升冲击启动临界值。通过理论研究,揭示了巷道冲击地压与冒顶复合灾害的发生机理,阐明了巷道软化与破碎区及其稳控支护对深部破碎发育巷道动力灾害防治的重要性。     

基于地质地貌特征的贵州矿山地质灾害防治管理研究

随着社会经济发展的需要以及开采技术的进步,贵州矿产资源进入了规模开发利用的时代,开采能力大大提升。与此同时,矿山地质灾害隐患随之增加,必须予以高度重视。本文首先分析了贵州矿山特点及其地质灾害隐患,分析了地质灾害防治状况,然后从矿山地质环境基础——地质地貌的角度分析了贵州四类地质地貌中易发的地质灾害类型和形成机制,最后提出了在人力及资金有限的条件下进行分区防治、高效管理的建议。