淮南矿区深部煤巷支护难度分级及控制对策

 系统分析淮南矿区深部煤巷围岩赋存的地质特征、控制难度和应力状态等因素,确定影响煤巷稳定及锚杆支护选型的最主要和敏感因素为巷道顶板应力强度指数、帮部煤体松散范围系数、顶板软弱岩层不安全因子3个综合指标,通过大量测试矿区深部巷道围岩地应力和煤岩试块物理力学性能,对这3个综合指标体系进行科学合理分类,在此基础上划分深部煤层巷道围岩稳定性控制难度级别,针对各难度级别,提出以新型“三高”(高强度、高预拉力、高刚度)锚杆控制技术为基础的深部煤巷围岩控制对策。应用该方法对矿区几个典型矿井的深部煤层巷道围岩稳定程度进行难度分级,采取针对性技术措施和支护参数,维护巷道稳定。研究成果在淮南矿区获得全面应用,对我国煤矿深部煤层巷道支护技术具有一定的理论意义和实用价值。     

HEMS深井降温系统研发及热害控制对策

 深井高温热害作为深部煤炭资源开采中的严重灾害,高温不仅影响了围岩的力学性质,而且严重影响矿井安全生产,因此,必须进行深入研究。针对国内外矿井降温技术存在的问题,提出了以矿井涌水作为冷源的深井开采高温热害控制HEMS技术,运用提取出的冷量与工作面高温空气进行换热作用,降低工作面的环境温度及湿度。该技术结合夹河矿深井降温工程,建成了国内第一个控制深井热害的深部科学与工程实验室(DUSEL)。系统运行结果表明,工作面温度降低4 ℃～6 ℃,最高温度控制在28 ℃～29 ℃,相对湿度降低5%～10%,极大改善了井下工作环境,热害控制效果显著,具有广阔的推广应用前景。     

煤矿深部岩巷围岩稳定与支护对策

在淮南矿区深部岩石巷道地应力场和支护研究的基础上,提出了煤矿深部岩巷围岩稳定受高地应力、高渗透压力和温度梯度影响的支护对策。试验和理论分析表明,采用与围岩内部潜在滑移面呈±22.5°布锚方法,运用具高初锚力的超高强锚杆支护,辅助以注浆固结、能量释放等措施可有效控制围岩稳定。     

华北地区构造应力场非均匀特征与煤田深部应力状态

 将华北地区分成11个应力小区,依据华北地区近期1 111条中小地震震源机制解数据,利用格点尝试法分析华北地区主应力方向的分布特征,结果显示,华北地区现今构造应力场以水平作用为主,其中,唐山和晋南地区最大主应力方向为近EW向,其他地区最大主应力方向均为NEE向,方位为NE60°～80°。鲁西南万福煤矿深部水压致裂原地应力测试结果显示,水平最大主应力方向的为NE40°～80°,与鲁西南地区中小地震震源机制解的分析结果十分接近。通过构造类比,认为万福煤矿深部应力状态受控于鲁西南地区区域构造应力场。     

深部沿空留巷围岩变形特征与支护技术

以淮南谢家集第一煤矿深部沿空留巷为工程背景,采用数值模拟分析巷道围岩变形与应力分布特征。详细介绍深部沿空留巷井下试验,包括巷内基本支护、加强支护与巷旁支护设计,从巷道掘进、留巷,一直到留巷复用各阶段的矿压监测数据。通过围岩、充填体位移与锚杆、锚索受力数据分析,评价支护效果。井下实践表明:采用高预应力、强力锚杆与锚索作为巷内基本支护,单体支柱配铰接顶梁为加强支护,及膏体充填巷旁支护,能够有效控制深部沿空留巷围岩的强烈变形,保持留巷稳定。基于数值模拟与井下试验研究成果,分析巷内基本支护、加强支护与巷旁支护的相互关系,指出深部沿空留巷在顶板断裂位置、基本顶回转及围岩长期蠕变等方面与浅部留巷有很大区别,并提出深部沿空留巷支护设计原则。针对井下试验中存在的问题,提出改进意见。     

金川矿山深部采掘条件下岩石力学研究与实践

 金川矿山经过几十年开采,开采深度已达1 000 m,复杂的工程地质条件、高地应力以及高渗透压导致深部开采工程的稳定性问题愈加突出。对金川二矿区深部850～1 000 m水平进行大量的现场地质调查研究,测试深部典型岩石的物理力学参数、膨胀与软化特性,研究岩石力学性质和地应力随埋深的变化规律。采用岩体地质力学(RMR)分类法和岩体质量(Q值)分类法,绘制二矿区深部各分段水平的岩体质量分区图。在深入调查金川矿区深部巷道变形和破坏特征的基础上,对高地应力、高渗透压下深部巷道开挖支护稳定性进行研究,结果表明,U型钢和锚杆联合支护效果最佳。全面总结金川矿区深部巷道支护经验,对巷道掘进和支护技术提出几点新的想法。研究不同开采方式对金川矿区深部充填体和围岩稳定性的影响,优化矿体回采方式,建议采用“隔三采一”布置回采进路,有助于控制围岩的变形,减弱上部充填体的下沉。     

深大型露天煤矿闭坑前后滑坡及地表变形地质灾害分析与防治

分析研究深大型露天煤矿闭坑前后可能发生滑坡、地表变形等地质灾害。以抚顺西露天矿为例,引发灾变的地质背景条件为北帮西区的倾倒滑移体、北帮东区的沉陷滑移体及南帮的顺层层状结构体,而诱发灾害的主导因素为露天采矿特征、采矿形成的最终边坡、井采与露采的复合作用及闭坑后疏干排水停止、水文地质条件的改变对边坡岩体的作用。计算结果表明闭坑最终边坡稳定性将逐渐下降并引发灾变,从而危害城市与企业安全,提出创新露天采矿学科理论、工程技术防治措施、法规制定与监督管理等3条防治对策建议。     

基于微震监测技术的深井开采地压活动规律研究

简要介绍微震监测技术基本原理及冬瓜山微震监测系统的组成和结构,运用微震监测系统对冬瓜山矿床首采区段不同时段的地压活动集中区进行圈定,采用量化地震学原理开展岩层应力变形强度分布研究,揭示开采诱发地压活动的时空变化规律,初步评价盘区隔离矿柱和回采采场的地压活动状况及稳定性。研究表明,地压活动相对集中区的变化与井下采掘活动紧密相关,各地压活动相对集中区与采掘工程施工位置相对应,在时空上随采掘活动的改变而发生变化。采场回采区内的地压活动相对较稳定,掘进活动区内的地压活动分布较分散且随采掘活动的结束很快减小或消失,目前首采区段岩层是稳定的。实践证明,微震监测技术为深井矿床开采地压活动规律研究提供一种有效技术手段,研究成果为指导矿山安全生产奠定重要的基础。     

上行开采层间岩层控制的关键位置判定

 针对历史原因或复杂地质条件等导致曾经遗弃的可采煤层上行开采问题,提出上行开采的关键技术是岩层控制,而岩层控制的突破点在于其关键位置的确定。考虑到上行开采层间岩层关键层的结构最终演化为面接触块体结构,并且该结构中的块体强度高、刚度大,块体间摩擦面近似平面,结构面贯穿块体,结构的失稳源于块体沿着接触面的剪切滑移,故借鉴块体理论的思想,用矢量分析法建立上行开采层间岩层关键层结构中块体的参量矩阵并计算相应的判别矩阵,判定层间岩层关键层结构的可动块体,进而通过虚设切向“净滑动力”的方法探索上行开采层间岩层控制关键位置的具体判定方法,为上行开采层间岩层结构以及上行开采技术体系的进一步深入研究奠定理论基础。     

深部的概念体系及工程评价指标

随着开采深度的增加,岩爆、瓦斯突出、流变、底板突水等非线性动力学灾害现象日趋增多,严重影响了深部资源的安全高效开采。深部开采工程中产生的岩石力学问题成为目前国内外采矿及岩石力学界研究的焦点。针对深部工程所处的特殊地质力学环境,通过对深部工程岩体非线性力学特点的深入研究,建立了深部的概念体系,指出进入深部的工程岩体所属的力学系统不再是浅部工程围岩所属的线性力学系统,而是非线性力学系统,传统理论、方法与技术已经部分或绝大部分失效。以难度系数及危险指数作为深部工程围岩稳定性控制难易程度的评价指标,能够综合反映深部工程岩体的力学特性与工程特性。     

凡口铅锌矿多通道微震监测系统及其应用研究

微震监测技术是深部矿床地压监测的重要手段。简要概括了凡口铅锌矿深部矿床赋存条件、地压特征、地压灾害以及建立微震监测系统的必要性;对建立的16通道微震监测系统的组成、监测系统的性能、微震监测范围进行了详细介绍;通过对传感器布置优化分析,绘出传感器布置的一个优化分析结果的震源定位等值线实例图。采用人工放炮产生的震源对微震监测系统的震源定位性能进行测试,绘出测试结果和系统监测定位图,并比较实际测量和系统监测分析结果,两者结果对比表明,在传感器阵列内的震源定位误差不大于5m时,监测系统对震源具有较高的定位精度。采用该套系统对深部采区的大爆破余震进行监测发现,余震事件大多发生在数分钟之内,这表明目前采区围岩的稳定性较好。     

大同煤田东部石炭系煤层开采的矿井水防治

结合煤田东部矿井，对水文地质特征作了分析，介绍了侏罗纪采空区积水的防治措施，并提出开采石炭系煤层应注意的问题，从而确保矿井的安全开采，以提高效益。     

深部矿区煤岩体强度测试与分析

 基于钻孔触探法原理,开发出小孔径井下煤岩体强度测定装置。在实验室对34个煤岩样品进行试验：在煤岩块上钻取标准试件,测量单轴抗压强度;在留下的钻孔中,用煤岩体强度测定装置测定探针临界载荷,分析探针破坏钻孔壁煤岩的形态;然后确定煤岩块单轴抗压强度与探针临界载荷的关系。试验表明,探针破坏钻孔壁煤岩的形状、深度及范围与煤岩性质密切相关。煤岩体强度越高,破坏范围、侵入深度越小,破坏形状越规则。结合井下实测数据,回归得出描述探针临界载荷与煤岩体单轴抗压强度关系的公式。同时,分析临界载荷的离散性及控制措施,讨论结构面对煤岩体强度的影响及测试分析方法,并在典型的深部矿区——新汶矿区进行井下原位测试。新汶矿区巷道顶板不同岩性的岩层强度相差很大,不同矿井的岩层强度也存在明显差别。煤层强度由于煤帮出现破碎区、煤层性质不均匀、煤层结构面分布不均匀等原因变化较大,出现明显的波动。基于井下煤岩体强度实测数据的巷道支护设计,符合井下环境中的煤岩体条件,设计的合理性与可靠性显著提高,巷道围岩稳定性与支护状况得到明显改善。最后分析钻孔触探法存在的问题,并提出改进建议。     

矿井涌水水源识别的MMH支持向量机模型

 提出一种新的多水源判别的H支持向量机模型。推导H支持向量机的理论推广误差公式,发现确保高优先级节点的推广性能是提高H支持向量机性能的有效途径;设计基于SVM最大间隔逐层分类、最小间隔逐层聚类构造H支持向量机的新方法,以各支持向量机节点的分类间隔为分类、聚类指标,通过TopDown,BottomUp两种方式混合构造H支持向量机,即MMH支持向量机。实验效果表明,MMH支持向量机结构简单、泛化能力强,不仅能正确区分各类水源,而且其层次结构能很好地反映各水源的层次关系。判别函数的法向量还可以指示各含水层水质化验指标的权重,为矿井涌水水源识别提供了新的科学方法。     

矿井不明水体突出过程的微震辨识技术

 以采动岩体微破裂产生的弹性波为信息源,应用弹性波与岩体破裂的相关理论与技术,探索地下采空区不明水体的蓄积和成灾过程。经研究发现,在突水灾害前存在确切的弹性波波速比VP/VS低值异常、振幅比VSH/VPH高值异常、震动主频低值异常、波形变异以及隔水岩墙主破裂发生前的微震频度异常。由此提出应用地面微震遥测技术,通过在线监测和分析采动岩体破裂被动震源或增设爆破主动震源所携带的信息,预测矿井不明水体突出灾害的技术思路,达到空间上控制全矿井范围的宏观监测、时间上在线连续监测和远离危险源的安全监测之目的。     

冲击地压机制的细观实验研究

在国内外现有研究成果的基础上,总结冲击地压发生特征,结合我国最新冲击地压案例,分析冲击地压的诱发因素。基于非平衡态热力学和耗散结构理论,阐述冲击地压孕育过程中“煤体-围岩”系统内能量集聚及耗散特征：同时,研究煤体细观结构参数及有机组分分布等因素与煤体冲击倾向性的内在关系。通过煤样断裂过程的细观实验,探讨煤岩体在采动等外界因素影响下内部微裂纹快速成核、贯通、扩展进而诱发煤体整体失稳的机制。     

煤岩结构多尺度各向异性特征的SEM图像分析

 多孔介质微、细观结构的非透明一直是阻碍深入认识深部条件下岩体损伤及煤与瓦斯突出机制的难题。为此,基于小波多分辨分析,提出一种复杂孔隙介质微、细观结构的可视化及多尺度、各向异性的精细描述方法。为验证方法的可行性,对不同地区的6种煤岩试样进行扫描电镜观测;应用小波多尺度变换、图像分割、以及图像重建技术对煤样的SEM图像进行“亚像素”尺度分析;利用小波细节系数重建煤基质的水平、垂直、对角占优的微观孔隙图像;计算微孔的孔喉、孔穴随特征尺度的分布密度,以及微孔与节理的孔隙度与分形维数。用小波多分辨分析方法分割的宏观孔隙具有微米量级,微孔具有纳米尺度。各煤样的宏观裂隙的孔隙度与分维数均大于微观孔隙;孔喉特征尺度分布均具有相似的单峰形式,峰值点决定流体运移的阻力;孔穴的特征尺度分布呈现出单峰、或多峰形态,代表流体的储存能力。研究成果为深入认识复杂孔隙结构对岩体非线性力学行为的影响,提供几何边界、结构参数基于显微图像分析的可行方法。     

煤矿安全监测监控系统的应用及发展

对煤矿安全监测监控技术在我国的发展应用进行了介绍,分别阐述了煤矿安全监测监控系统的应用现状、作用、结构形式、选型原则等内容,并对其未来的发展趋势进行了展望,提出了相应的改进建议,以促进我国煤矿安全监测监控技术的发展。     

非线性科学在矿山灾害及控制研究中的应用——国家自然科学基金矿业学科资助项目分析

回顾国家自然科学基金委员会工程与材料科学部工程科学一处近6a资助非线性科学在矿山灾害与控制中应用项目的基本情况,该类基金资助项目的主要研究内容为岩体结构稳定性分析、灾害预测预报、灾害系统协同演化和煤、岩体结构分形。依据非线性系统科学基本观点,探讨矿山灾害的非线性性质、非线性演化全过程以及描述和求解方法等方面的研究趋势。     

管片衬砌配合碎石可压缩层的斜井支护结构型式及其应用

 提出一种适用于TBM工法修建高地应力深部斜井的管片衬砌配合碎石可压缩层的让压支护技术。结合台格庙矿区TBM施工的长距离斜井工程,采用有限差分与离散元的耦合计算方法,从围岩塑性区发展、管片衬砌接触力、管片衬砌弯矩和轴力分析碎石可压缩层的让压效果,从碎石可压缩层的压缩变形路径和颗粒移动特征角度揭示碎石可压缩层的让压机制。研究结果表明：碎石可压缩层的密实度和地层的地应力分布情况影响其让压效应,密实度主要影响接触力的大小,而地应力条件主要影响接触力的形状,从而影响管片衬砌的内力分布形状和大小;碎石可压缩层的让压机制由相互嵌挤作用和错动移位作用两部分组成。不同地应力组合和不同的密实度时,嵌挤作用和错动移位作用各自发挥的程度不同,从而引起碎石的压缩变形路径差异,最终导致不同的让压效果。研究结果对未来TBM工法修建深部斜井的支护结构型式设计具有一定参考价值。