鹤岗矿区矿震发生类型、原因及诱冲机制

矿震主要发生在井下,具有突发性、连锁反应的特点,给井下安全生产带来很大危害,也对地面设施构成破坏和威胁。冲击地压是矿震的一种形式,每一次冲击地压的发生都与岩体震动有关。矿震诱发的冲击地压灾害是鹤岗矿区主要灾害之一,统计分析鹤岗矿区权属矿井发生的数十起冲击地压及伴随的矿震,可分为煤体应力型矿震、煤柱失稳型矿震、构造诱发型矿震和厚硬顶板断裂型矿震,不同类型矿震产生的原因及其诱发冲击地压机制各不相同。矿震形成的动载是冲击地压发生的重要力源,动载扰动对煤岩体的致裂、闭锁作用以及与煤岩体自身的静载共同作用诱发煤岩系统发生冲击破坏。     

坚硬顶板工作面高静载型冲击地压防治研究

为研究坚硬顶板综放工作面冲击地压的主控因素和防治技术,采用微震监测系统和冲击地压应力监测系统通过分源监测分析,研究了工作面冲击地压发生的主控因素,并针对主控因素开展了防冲击地压实践。结果表明:冲击地压主控因素为高静载、强矿震和低支护强度。实体煤侧静载为30.16～84.48 MPa、煤柱静载为27.84～41.04 MPa,易达到发生冲击地压临界载荷;顶板破断前后,常引起高能事件的发生,以动载的形式作用,加剧煤体的应力集中;多因素使得发生冲击显现的巷道变形区域的支护强度比较低。开展了现场控制实践,煤体卸压分阶段多轮动态卸压,对顶板进行深孔预裂爆破,采用锚索梁加强支护,措施实施后大能量矿震发生时,提高了巷道抵抗冲击能力,降低了矿震诱发巷道变形的频次和强度。     

大范围顶板岩体垮落冲击动载对 采场底板破坏的影响研究

为研究大范围顶板岩体垮落产生的冲击载荷对采场底板的破坏作用及其对底板突水的影响,本文基于动力基础半空间理论,将底板岩层等效为半空间无限体,建立顶板岩体垮落冲击采场底板的理论分析模型,推导出最大冲击动载应力的计算公式;并利用FLAC3D模拟分析了顶板垮落产生的冲击动载在底板中的传递规律以及底板岩层的动力响应特征。研究结果表明:顶板岩体垮落撞击采场底板,会产生远大于垮落岩体静态自重的冲击动载应力作用在底板上;冲击动载荷以应力波的形式在底板中传播,与采动应力叠加产生动态应力集中现象,会导致采场底板发生二次破坏,造成底板破坏深度显著增大,有效隔水层厚度减小,从而增加底板突水的危险性。     

动静载作用下煤岩多场耦合冲击危险性动态评价技术

深部开采冲击地压灾害孕灾过程中既有静态基础量又有动态变化量,剧增的原岩应力与覆岩断裂、井下爆破等引起的动载扰动是诱发冲击地压灾害的源头,因此实现冲击危险性快速、高精度评价必须综合考虑动静载作用。笔者开展了典型煤岩霍普金森压杆试验及数值模拟,分析了动载对煤岩体破坏作用以及对应力场的影响,针对应力变化可以直接引起介质中震动波波速变化,且波速变化前的幅值与变化幅度均受应力场影响这一特性,掌握了震动场与应力场的耦合关系,建立了多场耦合冲击危险性动态评价技术:以原岩应力场表示煤岩孕灾过程的静态基础量,以采动应力场和震动场表示煤岩孕灾过程的动态变化量,以波速异常指数、波速梯度指数、应力异常指数、应力梯度指数为评价指标可实现煤岩冲击危险性动态评价。研究结果表明:动载作用下能量以震动波形式传递,造成应力场的重新分布,应力呈现分区传递特点,并且在能量达到某一阈值后引起煤岩损伤破坏,但无论动载直接作用在岩石上还是煤体上,岩石是能量传递路径,煤层是能量耗散、释放主体,破坏主要发生在煤体中。多场耦合冲击危险性评价技术在某工作面经现场应用,在工作面逐渐揭露断层过程中冲击危险性由强冲击危险性降低到中等冲击危险性,现场监测数据表明评价结果与现场实际相符。     

综放大煤柱临空侧巷道密集区冲击地压机制研究

冲击地压矿井临空侧采动巷道大多存在冲击危险,针对综放大煤柱临空侧巷道屡次冲击的工程难题,结合"两带"高度,建立考虑开采沉陷参数的临空侧向覆岩结构模型,理论估算侧向支承压力大小,明确临空巷静载力源及控制矿压的亚关键层;根据采动矿压监测的顶板破断动载特征,利用理论和数值模拟揭示破断动载叠加多因素静载后临空侧巷道应力和能量的激增机制,得出结论:侧向覆岩结构传递的增压载荷导致侧向煤柱区域应力、能量基础值大幅提升,多因素累积叠加后易诱发冲击;坚硬顶板破断动载与多因素静载叠加后,超前距20～40 m内回风巷帮部垂直应力峰值陡升至56～63 MPa,相比纯静载提高约23％,弹性能密度峰值激增至3.0～3.5 MJ/m3,相比纯静载提高约40％,动载对能量的增益作用大于应力;动静载叠加后超前距0～40 m范围内回风巷帮部冲击驱动区发生了卸荷释能,证明帮部煤岩体发生冲击破坏,与实际现场相符.基于冲击机制,提出并论证了针对动静载荷的优化防治措施,为相似工程防冲难题提供借鉴.     

综放大煤柱临空侧巷道密集区冲击地压机制研究

冲击地压矿井临空侧采动巷道大多存在冲击危险,针对综放大煤柱临空侧巷道屡次冲击的工程难题,结合"两带"高度,建立考虑开采沉陷参数的临空侧向覆岩结构模型,理论估算侧向支承压力大小,明确临空巷静载力源及控制矿压的亚关键层;根据采动矿压监测的顶板破断动载特征,利用理论和数值模拟揭示破断动载叠加多因素静载后临空侧巷道应力和能量的激增机制,得出结论:侧向覆岩结构传递的增压载荷导致侧向煤柱区域应力、能量基础值大幅提升,多因素累积叠加后易诱发冲击;坚硬顶板破断动载与多因素静载叠加后,超前距20～40 m内回风巷帮部垂直应力峰值陡升至56～63 MPa,相比纯静载提高约23％,弹性能密度峰值激增至3.0～3.5 MJ/m3,相比纯静载提高约40％,动载对能量的增益作用大于应力;动静载叠加后超前距0～40 m范围内回风巷帮部冲击驱动区发生了卸荷释能,证明帮部煤岩体发生冲击破坏,与实际现场相符.基于冲击机制,提出并论证了针对动静载荷的优化防治措施,为相似工程防冲难题提供借鉴.     

新街矿区深部开采邻空巷道受载特征及冲击失稳规律分析

随着我国煤炭资源开采战略西移,西部部分矿井已进入深部开采阶段,邻空巷道冲击失稳频繁发生,严重威胁煤矿安全生产。以新街矿区红庆河煤矿为工程背景,综合运用现场调研、理论分析和数值模拟等方法对新街矿区深部开采邻空巷道受载特征及冲击失稳机制进行研究。建立了初次来压、充分采动阶段工作面前方邻空巷道动静载叠加力学模型;通过精细描述不同阶段静载及扰动动载,提出了基于采空区侧向静载、超前静载及扰动动载的邻空巷道"三载荷"动静叠加原理,并给出了发生冲击失稳的应力判据;揭示了邻空巷道围岩受"三载荷"叠加诱冲机制,即高应力、能量经巷道"顶—帮—底"传递,巷道围岩形成应力集中,能量积聚,达到煤岩体冲击失稳临界值时,诱发邻空巷道冲击失稳。针对工作面上覆厚硬岩层的邻空巷道冲击地压灾害,提出了"切断动载源、降低集中静载应力和恒阻大变形吸能锚杆锚固"的防治措施。研究结果表明:邻空工作面初次来压阶段相邻双工作面采空区顶板形成非对称"T"型结构,亚关键层Ⅰ破断,亚关键层Ⅱ未破断,工作面来压较缓和,邻空巷道围岩所受静载较大,扰动动载较小;周期来压(充分采动)阶段相邻双工作面采空区顶板形成对称"T"型结构,两组亚关键层均破断...     

深部双煤柱巷道冲击地压发生机制

针对红庆河煤矿深部双煤柱工作面临空巷道冲击地压显现强烈、破坏范围大、影响因素复杂的特征,采用地表观测、煤体应力监测、微震监测的方法,分析了影响静载荷的埋深、双宽煤柱留设和采动影响,以及影响动载的厚层顶板岩层结构和垮冒不充分的相邻采空区,研究了冲击地压发生的静载荷、动载荷演化过程,揭示了深部双煤柱巷道冲击地压发生机制。研究表明:深部双煤柱引起3-1103新辅运静载荷的组成包括基础载荷、采动应力及煤柱的侧向应力,叠加后的静载荷达到垂直应力的1.4～4.5倍,静载荷达到24.9～80.1 MPa,接近或超过煤体发生冲击地压的临界载荷;煤柱上方岩层结构向煤柱深部破坏失稳,释放弯曲下沉过程积聚的弹性能,引起煤柱的煤体应力升高,煤岩体的应力向深部转移,破坏位置距离3-1103工作面越来越近,从而诱发具有高应力集中的煤岩体失稳。     

深部仰采孤岛工作面初采期间冲击地压防治

以霄云煤矿1310工作面为工程背景,通过计算判断悬顶初次破断失稳位置,分析坚硬顶板破断时释放的大量弯曲应变能,并利用FLAC3D数值模拟分析深部仰采孤岛工作面初采阶段的采动应力变化;基于悬顶破断释放的能量和初采期间应力集中系数超过发生冲击地压的临界值,判断深部孤岛工作面初采期间发生冲击地压的可能性较大;通过采取大直径钻孔卸压结合顶板深孔预裂爆破等综合卸压措施对初采阶段冲击危险性进行防治。结果表明：卸压钻孔形成的弱化带破坏了煤体承载结构,使靠近巷道的浅部煤体应力明显下降,且应力峰值向煤体深部转移;爆破对顶板进行损伤破坏,提前释放或转移了坚硬顶板积聚的弹性能,从而降低孤岛工作面初采阶段发生冲击地压的可能性。     

急倾斜特厚煤层水平分段开采冲击机理及防治

为了防治急倾斜特厚煤层水平分段开采冲击地压灾害,以甘肃窑街三矿为工程背景,提出了急倾斜特厚煤层工作面冲击地压的动静载叠加诱发机理以及针对性的防治对策。结果表明:由采动应力非对称分布引起的夹持煤体高集中应力是急倾斜煤层冲击的静载力源,而覆岩破断及结构失稳所形成的强动载是冲击的主要动载力源;在动静载叠加作用下,当应力达到急倾斜煤岩大范围失稳临近载荷则诱发冲击灾害。基于急倾斜煤层开采诱发冲击的动静载力源特征,建立了综合采用顶板深孔预裂爆破控动载、巷帮与底煤爆破或大直径钻孔卸静载的三位一体冲击地压防治技术体系,并成功应用于窑街三矿五采区工作面。     

动静载作用下冲击地压启动条件及防治技术

基于冲击地压的能量机理,提出了冲击地压启动的2种形式,一种是发生冲击地压所需能量在静载的缓慢作用下达到,在外界扰动下发生;另一种是处于准静态平衡的煤岩体,在强烈动载的帮助下瞬间达到,同时释放大量能量。根据冲击地压应力来源及加载方式,提出了有针对性的防治技术,即:对于静载起主导作用的冲击地压,应以煤层卸压为主,而对动载起主导作用的冲击地压,则更应侧重于顶板弱化等降低煤岩冲击动载的防治技术。     

典型近直立煤层群冲击地压机理及监测预警研究

近直立煤层群由于特殊的煤岩赋存和开采方式,覆岩破断运动及其导致的围岩静载应力分布和动载扰动特征与缓倾斜煤层有较大差异,已有冲击地压灾害在近直立煤层群开采矿井(SICS)发生。为指导类似赋存矿井冲击地压防治,以乌东矿南采区典型近直立煤层群为工程背景,从诱冲机理、监测预警及防治技术方面展开了系统研究,揭示了近直立煤层群压撬型冲击地压机理,建立了适用于近直立煤层的预警指标体系,提出了近直立煤层降载减撬冲击地压防治技术。结果表明:近直立煤层群综放开采下冲击地压显现具有巷道顶底板侧不对称和岩体压撬显现特征;煤体所受顶板和岩柱的压撬作用是诱发冲击的基础静载力源,悬顶和层间岩柱破裂产生的动载扰动对冲击显现有重要诱发作用,近直立煤层群综放开采冲击地压是顶板和岩柱压撬效应耦合作用结果;各预警指标对冲击地压和大能量矿震均具有一定的响应,各维度和各系统预警指标综合预警可综合各自优势实现互补,提高预警准确性;深浅孔交替爆破可削弱对煤体的压载荷和撬动效应,现场实施后,微震日总能量和频次明显减少,顶板和岩柱每米能量104J以上微震事件较实施前平均减少了96%,卸压效果明显,冲击危险性降低。     

厚硬顶板冲击地压发生机理及防治实践

基于鄂尔多斯地区冲击地压矿井厚硬顶板加坚硬煤层的特征，对宽煤柱开采条件下冲击地压发生过程进行分析，揭示了该区域冲击地压是由厚硬顶板破断引起煤体高应力区动力系统失稳产生震动、激发应力波，应力波与塑性区煤体相互作用而产生的；以巴彦高勒煤矿为例，采用深孔爆破对巷道顶板进行卸压。结果表明：在未断顶区域，顶板发生极限破断引发大能量微震事件，能量释放集中在沿空巷侧，现场存在动压显现现象；在正常断顶区域，微震活动比较平稳，能量集中区未对巷道形成直接影响；工作面来压周期平均2.4 d，来压步距14.5 m，未出现持续性高强度来压；顶板观测孔裂隙发育良好，有效半径可达4 m。     

坚硬厚顶板煤柱型冲击地压防治技术研究#br# #br#

为了对坚硬厚顶板这种特定地质条件下的冲击地压防治技术进一步细化研究,分析了宽沟煤矿I010203工作面开采过程中上覆坚硬厚顶板冲击地压过程,提出了相应的防冲技术措施,并基于工作面卸压防冲前后微震事件时空变化规律对防治技术进行了效果检验,研究结果表明：B2煤层开采后上覆坚硬厚顶板易在I010203工作面采空区及相邻I010201采空区之间的煤柱区域产生悬顶,不但会造成煤体静载应力集中,而且造成能量积聚,从而产生大量动载,悬顶长度过长时会发生垮落、破断等强动载扰动,当动载荷和静载荷叠加超过临界值时便会造成冲击显现,煤柱集中静载和坚硬顶板破断动载是冲击地压主控因素。根据上述冲击地压分析结果,设计了顶板断顶预裂和煤体超前爆破两种卸压技术措施,并选取卸压前后稳定生产期间的微震事件进行卸压效果对比分析,卸压后微震日总能量和日总频次明显降低,103～104J以上微震事件明显减少且微震的空间分布较为分散,顶板附近微震事件明显减少,说明采取的卸压措施效果明显,可有效降低冲击危险性。     

煤矿深部开采冲击地压应力控制技术理论与实践

随着煤矿进入深部开采冲击地压显现愈发严重,我国现已成为受冲击地压灾害最为严重的国家。根据深部开采的特点划分冲击地压类型,制定高效合理的冲击地压防控方案,指导现场防冲工作成为亟待解决的问题。以深部开采煤岩体所处的应力状态为基础,提出了深部典型冲击地压和非典型冲击地压的划分方法,并对深部开采冲击地压的影响因素进行深入分析。基于理论分析、数值模拟、现场实测等方法,确定了深部开采较浅部开采具有明显差异,即:深部开采原岩应力水平更高,煤岩体所受三向应力差异更大;采动超前应力集中程度与超前应力影响范围均明显增大;煤岩体更易受到外部扰动发生失稳破坏。结合地质因素和开采因素综合分析,明确了深部典型冲击地压发生的必要条件是高原岩应力与强烈的采动应力,深部非典型冲击地压发生的必要条件是较高的原岩应力、强烈的采动应力与外部应力扰动。基于应力控制理论,建立了深部开采冲击地压防控技术体系。提出了"煤体大范围卸压、顶底板适当处理、强力支架支护"的深部典型冲击地压防控策略和"煤体局部卸压、顶板大范围处理、加强支护"的深部非典型冲击地压防控策略。针对2类矿井分别开展了现场工程实践,实现了冲击地压的高效防控,为深部冲击...     

卸荷煤岩体冲击破坏特性数值模拟研究

为了探讨卸荷煤岩体在不同类型载荷作用下的围岩稳定性规律,对卸荷煤岩体在静载、动载和动静载下的冲击特性进行了数值模拟分析。研究结果表明:冲击动载对卸荷煤岩体冲击破坏的影响主要在于冲击波的循环扰动作用,冲击波的循环扰动作用不仅使巷帮煤层发生层裂破坏,而且造成顶部大范围的劈裂破坏;载荷作用的速率对卸荷煤岩体的冲击特性影响作用明显,主要体现在卸荷煤岩体的破坏载荷峰值、破坏区域和破坏类型等方面的显著不同;动静载耦合作用对卸荷煤岩体冲击特性的影响远高于单一的静载或动载。     

冲击地压矿井不同采动强度下的开采扰动特征及其产能

开采扰动是导致深部煤岩体发生变形、冲击、失稳的根本原因,而开采扰动特征与采动强度密切相关。进入深部开采后,冲击地压矿井数量随采动强度的增大而不断增多,研究冲击地压矿井不同采动强度下的开采扰动特征,进而根据采动煤岩力学响应特征确定合理的采动强度对冲击地压防控具有重要意义。以典型冲击地压矿区彬长矿区为例,利用数值模拟及理论分析根据不同采动强度下煤岩采动应力、能量释放及覆岩垮落结构特征,分析了不同推进速度、不同采厚下的开采扰动特征,评估了不同采动强度时采动煤体的冲击危险性,并探讨了开采扰动特征在矿井产能调控及开采方法优选等方面的应用。研究结果表明:(1)煤炭年产量与冲击地压矿井数量呈正比例关系,且深部矿井发生冲击地压的可能性明显高于浅部矿井;(2)整层开采的顶底板应力、超前支承压力及冲击危险性均大于分层开采,且前者存在明显的应变能峰值前移现象;(3)工作面采厚增加将会引起关键块的回转角及断裂度增大,提高了滑落失稳及回转失稳的可能性,推进速度加快将会提高回转失稳的可能性,更易诱发上覆岩层破断及能量大量释放,从而提高冲击危险性;(4)揭示了不同采动强度下的深埋煤层工作面的开采扰动特征,提出了根据...     

峻德煤矿倾斜煤层开采沿空侧巷道诱冲机理研究

针对峻德煤矿倾斜煤层开采期间沿空侧巷道冲击地压频发的问题,采用现场调研、微震监测、物理相似模拟和数值模拟相结合的方法开展了研究,结果表明:倾斜煤层工作面开采期间靠近沿空侧巷道的覆岩关键层更容易破断产生剧烈动载扰动;随着煤层倾角减小,沿空侧巷道煤柱帮应力集中程度减小,实体煤帮应力集中程度增大,应力集中由煤柱帮内向实体煤帮内转移;在动静载叠加作用下导致巷道两帮煤体失稳破坏诱发冲击地压,且不同倾角煤层冲击启动区域不同。研究结果对倾斜煤层工作面后续回采阶段卸压防冲工作具有一定的指导作用。     

采动巷道侧向高低位厚硬顶板破断模式试验研究

陕蒙地区冲击地压显现大多发生在二次采掘扰动影响下,煤层上方厚硬岩层结构破断诱发工作面采场附近动压显现已成为煤矿生产中重大安全隐患。为阐明采动巷道上覆高低位厚硬岩层破断对区段煤柱受力以及巷道围岩稳定性的影响,建立高低位厚硬岩层破断结构的力学模型,得到破断扰动影响下区段煤柱结构变形特征及应力分布特征,以巴彦高勒煤矿11盘区煤样试样为研究对象,利用自行设计的高位岩层模拟加载装置,借助非接触式全场应变测量系统的数字散斑相关分析方法,对高低位厚硬岩层在区段煤柱上方不同破断位置组合下区段煤柱及低位岩层的应力变形特征进行了试验研究。分析了上覆高低位厚硬岩层侧向不同断裂位置组合下区段煤柱受力特征及应力传递机制,建立了巷道上部厚硬顶板不同断裂位置与结构整体失稳荷载的力学模型。结果表明:高低位厚硬顶板岩层破断将会引起煤柱采空区应力集中,高低位厚硬岩层不同的破断位置组合,对下部岩层的运动变形和区段煤柱应力分布和巷道围岩稳定影响显著。区段煤柱整体结构稳定性与破断点位置密切相关,煤体在回转作用下破坏所需的应力大小与高位岩层顶板破断点对采空区顶煤的力矩负相关。随着破断点远离区段煤柱,区段煤柱受力由压剪逐渐转化为采空区煤顶传递的压弯作用。高低位厚硬岩层顶板破断的相对位置影响低位顶板的破断情况,当低位破断点处于高位破断点以内,低位顶板随高位顶板破断1次,反之则低位岩层顶板将会随着高位岩层破断回转发生2次破断。随着高位顶板的破断,采动巷道及煤柱上覆岩层应力减小,区段煤柱稳定性下降,冲击地压风险增大。试验研究为陕蒙地区深部厚硬顶板条件下采动巷道动力灾害防治和区段煤柱设计优化提供了参考。     

基于动静载冲击地压危险叠加的综合预警方法

冲击地压是在煤岩体内动静载叠加下超过其极限应力条件下诱发产生的,因此综合评价研究区域内动静载水平可高效评估其冲击危险程度。本文研究了矿震震动波传播过程中能量衰减特性,特别讨论了由大尺度破断引起的强矿震衰减特征,提出了以实时微震监测数据为基础的震动效应指数(SEI),用于定量评价矿震事件群对工作面附近煤岩体引起的动载扰动程度;将震动效应指数与震动波波速层析成像技术结合,基于动静载叠加原理建立了冲击危险性的综合预警方法及指标CAI。徐庄煤矿7197工作面工程应用表明:1)震动波波速层析成像结果可较准确评价由构造应力异常和工作面结构引起的静载应力集中,难以有效评估由动载引起的冲击危险性升高;2)震动效应指数描述了工作面回风巷侧和断层区域动载扰动引起冲击危险上升;3)综合预警指数CAI所反映的较高冲击危险性区域与强矿震分布及矿震活动集聚区域有较高程度吻合,验证了CAI评价指标的可靠性。论文研究可为冲击地压灾害监测预警提供依据及参考。