矿井群冲击地压发生机理与控制技术探讨

大型地质体控制下,相邻矿井开采过程中时常发生冲击地压。为研究大型断层和巨厚砾岩层顶板条件下两个相邻矿井间相邻工作面开采过程中冲击地压的发生机理,以义马矿区跃进矿23070工作面和常村矿21220工作面为实际工程背景,对两工作面回采期间冲击显现特征和微震事件时空演化及能量特征展开现场实测分析,并对井间覆岩结构应力分布开展理论分析和数值模拟。研究结果表明,义马矿区F16逆冲断层的活化运动和巨厚砾岩层的整体控制作用,为冲击地压的孕灾提供了力源条件,井间相邻工作面同时回采期间,采空区上覆岩梁与井间煤岩柱系统构成“非对称T形”结构,21220工作面煤体冲击导致应力转移至井间煤柱和23070工作面,从而诱发23070工作面冲击;井间开采扰动导致应力转移并诱发冲击地压,与滞后开采工作面初始冲击强度及推进长度具有密切关系;基于理论与工程实测结果,提出了以弱化矿井间高应力传递的结构链为核心的井间“弱链增耗”防冲技术。为巨厚砾岩层顶板矿井群开采条件下相邻矿井工作面冲击地压发生机理及控制技术的研究提供理论基础。     

逆冲断层和巨厚砾岩耦合作用诱冲机制研究

为研究巨厚砾岩与大型逆冲断层控制下耿村煤矿13230工作面冲击地压发生机理,对其掘进与回采期间地质特征、微震时空演化、b值及能量特征和地表沉降变化特征展开现场实测分析。研究结果表明：F16断层逆冲滑移运动产生的高水平应力和巨厚砾岩大面积悬顶产生的高垂直应力为冲击地压孕灾提供了力源条件|13230工作面掘进末期、开切眼及回采初期距离F16断层较远,断层滑移运动影响较小而巨厚砾岩运动作用影响较大,煤岩体能量增长式积聚最终诱发剧烈的冲击地压事故|随着13230工作面逐渐向断层靠近,断层滑移运动影响增强,地表抬升现象明显,煤岩体能量均匀性积聚最终诱发集中式较轻微的冲击显现。研究结果为巨厚砾岩和逆冲断层影响下13230工作面冲击地压发生机理的研究提供理论基础。     

巨厚砾岩特厚煤层工作面回采扰动影响范围分析

针对巨厚砾岩下特厚煤层工作面冲击地压防治技术难题，以河南义马矿区耿村煤矿13230回采工作面为例。通过数值模拟和现场实测数据分析，探索了工作面超前扰动影响范围。数值模拟得到，工作面超前支承压力影响范围为305 m。微地震监测数据揭示的13230工作面回采超前扰动影响范围平均为275 m。煤层钻孔应力数据揭示的13230工作面回采超前扰动影响范围平均为265.4 m。综合数值模拟结果和现场实测数据的分析结果得出，在13230工作面回采过程中超前工作面300 m范围内实施卸压措施，提高了冲击地压防治效率，保障了工作面的安全回采。     

巨厚砾岩下薄保护层开采应力控制防冲机理

以典型巨厚砾岩影响的冲击危险矿井为背景,运用理论分析和数值模拟相结合的方法,对薄煤层作为保护层开采的区域应力控制防冲机理及防冲效果进行分析研究。研究结果表明,在保护层与被保护层距离一定的前提下,被保护层的卸压梯度和范围与保护层的开采范围呈正比。保护层开采范围越大,上覆岩层内的高应力释放的空间越大,被保护层回采工作面及其区段煤柱仅承受本区段开采产生的采动应力,使"顶板-煤层"结构体处于低应力环境中,冲击地压得到控制。     

冲击地压应力流思想及其控制理论初探

采动应力在时间和空间上动态演化过程称为煤矿开采的应力流.为了研究煤矿应力流动特征,分析矿区开采过程中的煤岩结构特征,理论求解缓倾斜单一煤层相邻工作面开采后的应力流动方向和应力流发生的临界条件.基于义马矿区实际条件,建立7种地质因素和开采因素影响下的邻面开采数值模型,研究不同因素下的应力流主控条件,得到相邻工作面布置原则及最优参数.结果表明:多采场区域覆岩结构单元包括两近距离工作面范围内的采空区、中间煤柱和未垮落岩层;缓倾斜单一煤层开采时,先采工作面开采后应力流向中间煤柱,后采工作面开采后应力流向先采工作面或中间煤柱;义马矿区相邻工作面布置原则应满足:工作面优先布置在煤厚和巨厚砾岩厚度较小的区域,增大邻面煤柱宽度,减小工作面的倾向长度,增大邻面的垂直错距,增大先采面的先采长度,后采面朝着靠近先采面采空区方向回采.研究结果可为巨厚砾岩控制下的冲击地压发生机理和防治提供理论基础.     

区域多工作面协调开采防治冲击地压实践研究

矿井多工作面之间的开采扰动会诱发煤矿冲击地压灾害，区域工作面协调开采是此类冲击地压防治的关键手段之一。为了工程验证区域多工作面协调开采防治冲击地压的合理性和有效性，以冲击地压多发的义马矿区为例，基于模拟得到的协调开采原则及参数取值，制定了跃进-常村井间区域协调开采方案，通过对比不同协调开采程度区域的应力转移特征和冲击事件特征，评估了工作面协调开采效果。结果表明：跃进-常村井间区域中，跃进23092工作面和常村21162工作面煤层厚度和巨厚砾岩厚度较小，23092-21162工作面组和21170-21162工作面组开采时工作面之间煤柱宽度较大、两工作面水平距离和垂直错距较远，井间23092工作面和21162工作面为最优的接续工作面；跃进-常村井间区域协调开采程度高于耿村-千秋井间区域，协调开采使工作面之间由冲击和开采引发应力转移的频次和强度均明显降低，应力转移范围明显减小，协调开采效果明显。     

跃进矿上覆巨厚砾岩对采动应力场分布及冲击矿压影响

跃进煤矿23110工作面回采期间,运输顺槽曾发生多起冲击矿压现象。为研究工作面上覆巨厚砾岩对采动应力场及冲击矿压的影响,采用FLAC数值计算不同厚度的坚硬砾岩层对23130工作面回采期间的采动应力场演化规律。结果表明,工作面回采采动应力影响范围随砾岩厚度增加而增大,相邻工作面回采巷道区域承受高应力达到临界值,易发生冲击矿压。工作面回采后,相邻工作面一次实体煤最大垂直应力与采空区中线距离随砾岩厚度增大而减小。巨厚砾岩条件下,先前工作面的开挖对后续工作面的应力分布有重要影响。23130工作面下巷开挖之前已经处于高应力区域,造成其掘进时的冲击危险性大大增加。     

上覆巨厚砾岩对采动应力场分布及冲击矿压的影响研究

跃进煤矿23110工作面回采期间,运输顺槽曾发生多起冲击矿压现象。为研究工作面上覆巨厚砾岩对采动应力场及冲击矿压的影响,采用FLAC数值计算不同厚度的坚硬砾岩层对23130工作面回采期间的采动应力场演化规律。结果表明,工作面回采采动应力影响范围随砾岩厚度增加而增大,相邻工作面回采巷道区域承受高应力达到临界值易发生冲击矿压。工作面回采后相邻工作面一次实体煤最大垂直应力与采空区中线距离随砾岩厚度增大而减小。巨厚砾岩条件下,先前工作面的开挖对后续工作面的应力分布有重要影响。23130工作面下巷开挖之前已经处于高应力区域,造成其掘进时的冲击危险性大大增加。     

巨厚坚硬岩层下基于防冲的开采设计研究与应用

在我国多个分布有巨厚坚硬岩层的矿区,巨厚坚硬岩层运动导致的强矿震和强冲击地压致灾后果严重,治理难度大,已经成为这些矿区矿井安全生产的主要障碍。通过分析巨厚坚硬岩层下冲击地压的发生规律,提出了此类矿井冲击地压存在“关键工作面效应”、“震动诱冲效应”和“冲击震动效应”3个共同特点。“关键工作面”是指该工作面在开采时会导致巨厚坚硬岩层发生断裂和强烈运动,并开始出现强烈的矿震或冲击地压;“关键工作面效应”是指“关键工作面”开采过程中发生的强动力灾害;“震动诱冲效应”是指巨厚坚硬岩层断裂震动在地层中产生的动应力传播到处于高应力状态的煤体上后,诱发的冲击地压灾害,其显现特点是“震源与冲击显现位置不一致”;“冲击震动效应”是指当开采到关键工作面位置后,巨厚坚硬岩层的传递压力将急剧增加,当部分煤体达到发生冲击的条件时即可发生冲击,同时引起能量巨大的震动,这类冲击的显现特点是“震源与冲击显现位置一致”。采用覆岩空间结构理论、地表沉陷观测、微震和应力监测数据,提出了辨识关键工作面的方法;阐述了山东能源集团3个不同类型巨厚坚硬岩层冲击地压矿井采用保护层开采、负煤柱设计、关键工作面确定与参数设计、避开震动损害边界开采设计、小煤柱设计和顺序开采工作面参数优化设计等综合方法,实现防冲安全的具体做法。     

深部巨厚砾岩层下高应力煤柱冲击地压防治技术

为解决深部巨厚砾岩层下高应力煤柱附近工作面冲击地压防治问题,以华丰煤矿2410工作面和2409工作面遗留煤柱为研究对象,从采掘布置、原岩应力和采动应力等方面分析其对诱发冲击地压的影响。结果表明:2410工作面过2409煤柱期间冲击危险性较高,局部具有高冲击危险性,该条件下的冲击地压主因以遗留煤柱或区段煤柱周围形成的高应力冲击地压为主,同时伴随着煤柱失稳或采动引发巨厚砾岩层运动产生矿震诱发冲击地压。据此提出在掘进期间采用煤层大直径钻孔卸压为主的边卸压边掘进的防冲措施和工作面回采期间煤柱多轮大幅度卸压的防冲措施,与此同时采用煤粉监测、微震监测等方法进行冲击地压综合监测,从而降低了冲击地压危险性。     

巨厚砾岩与逆冲断层控制型特厚煤层冲击地压机理分析

以某典型冲击地压事故为背景,通过理论研究和现场勘查,研究了巨厚砾岩与逆冲断层控制下特厚煤层工作面冲击地压致灾机理和防治方法。通过对地层结构与开采形成覆岩空间结构的研究,建立了侧向静态支承压力估算模型,得到了21221工作面上覆岩层空间结构与应力分布规律;估算了巨厚砾岩传递应力、自重应力与F16逆冲断层及相变带构造应力的叠加总应力,该应力超过了该矿的临界冲击应力;特厚煤层在叠加应力作用下发生塑性滑移,逐渐形成滑移线场,并产生塑性膨胀,导致巷道围岩应力增加,在外部扰动应力作用下,煤体发生瞬间大范围滑移是发生冲击地压的主要原因。针对这类冲击地压的致灾机理,通过合理设计巷道平面位置以避开传递应力峰值区域、采用半煤岩巷道以减小滑移线场范围和合理设计煤层大直径卸压孔参数以改变煤体滑移方向等措施,有效治理了该类冲击地压。     

巨厚上覆砾岩厚度对采动围岩应力演化影响规律数值模拟研究

针对受巨厚砾岩影响的跃进煤矿23130工作面下巷多次发生冲击矿压现象,研究了上覆砾岩的厚度对采动围岩应力演化影响规律。运用FLAC2D数值模拟研究了在上覆不同厚度砾岩条件下23090和23110工作面回采过程中对相邻工作面煤体应力场分布,以及23130工作面下巷开挖过程中应力演化的影响规律。研究表明:上覆砾岩厚度越大,回采后影响范围越大,使相邻工作面煤岩体的最大应力值越大。23130工作面下巷开挖过程中随着砾岩厚度的增加,垂直应力降低幅度越大,应力差越大,底板塑性破坏越严重,越容易发生冲击矿压。     

孤岛工作面防冲安全开采论证方法研究与应用

为便于执行《煤矿安全规程》和《防治煤矿冲击地压细则》中关于开采冲击地压煤层孤岛煤柱应进行防冲安全论证的规定,提出一种孤岛工作面防冲安全开采论证方法,并进行工程应用。结果表明:孤岛工作面防冲安全开采论证包括冲击地压矿井属性论证,孤岛工作面冲击类型论证,孤岛工作面冲击危险等级评价,矿井防冲能力论证;依据煤层冲击倾向性鉴定结果和煤层冲击危险性评价结果论证煤层冲击地压属性,进而得到冲击地压矿井属性;对于冲击地压矿井,根据孤岛工作面支承压力分布论证冲击地压类型;在开展冲击危险因素排查和冲击危险性评价的基础上,计算防冲工程量;依据矿井防冲机构与人员配备情况、监测系统覆盖能力、卸压机具配备情况,论证矿井防冲能力;最后,综合冲击地压类型、冲击危险等级及防冲能力与防冲工程量之间的关系,得到能否保障安全开采的结论。     

防冲煤柱对高位巨厚岩层下开采动力灾害的防治研究

高位巨厚关键层下开采,采动应力异常集中,极易诱发冲击地压、矿震等动力灾害。采用三维数值模拟,研究了防冲煤柱对巨厚岩层的控制作用和抑灾效果。结果表明,与完全垮落法相比,留设防冲煤柱可大幅度降低回采期间工作面的支承压力,使工作面整体处于较低的静载水平。留设防冲煤柱时,上覆巨厚关键层可保持稳定,避免巨厚关键层大范围破断运移对工作面造成冲击,减少工作面动力灾害的发生。     

冲击地压煤层如何实现安全高效智能开采

冲击地压煤层如何实现安全高效智能开采是一项重大的产业技术难题,系统分析了我国冲击地压矿井分布特征、开采现状及冲击地压发展趋势,深入剖析了冲击地压矿井面临的主要开采难题。从区域地应力监测反演、矿井开拓布局优化、煤柱尺寸优化、井上下联合卸压、置换充填开采、高层位离层注浆等方面,全面阐述了冲击地压矿井全生命周期防控技术发展现状。针对巷道冲击地压防治难题,研发了冲击地压巷道全巷协同智能自适应抗冲击支护技术与装备,利用吸能防冲液压支架实现了正常状态对巷道围岩进行强支护、冲击过程迅速让位吸能的效果,结合支架智能运移装置、支架监测预警系统及全巷协同自适应抗冲击支护智能设计方法,构建了冲击地压巷道智能化吸能支护防控体系。分析了采煤工作面智能开采系统防冲原理,提出通过对围岩采动应力、覆岩断裂结构等进行监测分析,基于三维地质模型、大数据算法等对冲击地压发生位置、概率进行预测预警,并通过智能开采系统对液压支架的支护姿态与支护力、采煤机割煤速度等进行智能联动控制,实现采煤工作面智能开采与冲击地压智能防治。从采场应力与覆岩结构智能监测、冲击地压灾害数据库构建、冲击地压灾害分类预测预警等方面,分析了冲击地压智能防...     

孤岛工作面围岩运移及冲击破坏数值模拟研究

针对孤岛工作面"T"型覆岩结构特征,采用数值模拟方法分析孤岛工作面回采过程中覆岩屈服破坏特征、应力分布规律,研究了孤岛工作面覆岩破断产生强冲击动载荷条件下巷道应力、加速度、位移以及变形速度的变化规律。结果表明:回采初期围岩塑性破坏主要集中在工作面顶板,回采后期覆岩的塑性区逐渐向上覆岩层发展,呈"弧形"对称分布形态;在矿震动载作用下,孤岛工作面巷道左、右帮变形量小于顶、底板变形量,巷道右帮和顶板的变形速度变化较大,且顶板的下沉量最大,左右两帮的垂直应力比顶底板的垂直应力大。研究得出的孤岛工作面覆岩运移、冲击破坏规律,可为工作面防冲工作提供理论指导,以制订针对性的防冲措施,确保工作面安全回采。     

基于应力在线-微震监测系统的厚煤层掘进面防冲优化

为优化矫正巨厚砾岩下厚煤层掘进面的防冲卸压措施,采用理论分析、力学计算及现场验证相结合的方法,探讨了巨厚砾岩下厚煤层掘进面冲击地压机理,提出了应力在线-微震监测方案,现场试验结果表明:在相向相邻井田采空区掘进时,可根据微震监测数据得到岩石破裂角对工作面宽度及开切眼位置进行优化处理,同时基于应力监测数据可对钻孔卸压参数进行优化。常村煤矿21220掘进工作面优化后煤柱宽度不小于150 m,工作面宽度取265 m,帮部卸压孔深度优化为25 m,掘进头卸压孔深40 m,卸压孔直径大于150 mm,成功应用于现场并取得了良好效果,验证了结论的可靠性,为相似条件下掘进工作面的防冲措施提供技术支撑。     

不规则工作面开采矿震活动规律及其致冲风险控制研究北大核心

针对不规则工作面开采期间矿震频繁问题,以陕西某矿21306工作面为工程背景,采用理论分析、数值模拟和现场实践等方法,分析了21306工作面上覆岩层破断特征及开采期间围岩应力分布特征,研究了不规则工作面开采矿震活动规律,优化了降载释能的矿震致冲风险控制方案。结果表明:35 m的区段煤柱可一定程度上制约两工作面覆岩协同运动,21306工作面开采期间覆岩结构呈“O-X”型破断结构,与相邻采空区形成对称长臂T型结构;工作面推进过程超前区域及运输大巷侧应力影响范围不断扩大,以区段煤柱区域应力集中程度最大,回采至480m时垂直应力最大,已达到54.67 MPa,约是回采前垂直应力的1.41倍;随着工作面推进形成“刀把型”不规则结构,工作面缩面拐角区域应力集中程度明显较高,工作面缩面后降低了对运输大巷的影响;工作面开采期间震源事件主要分布于回采工作面前方,强矿震主要集中在工作面开采缩面区域、见方区域,且强矿震主要发生在工作面前方50 m及底板上方22~74 m范围内;强矿震诱发力源主要由关键层破断引起;实施了降载释能的矿震致冲风险控制优化方案,有效降低了强矿震的发生频次,保障了工作面后期的安全回采。     

复杂开采条件下高冲击危险区巷道支护技术研究

为解决深部复杂开采条件下面临的巷道冲击地压问题,通过采场覆岩结构理论研究,得到了工作面支承压力分布特征,采用数值模拟分析了工作面围岩应力分布规律,并根据冲击地压发生机理,预测出了巷道冲击地压发生危险区。在高冲击危险区采取了大直径钻孔卸压和深孔卸压爆破两种防治措施,同时,又采用了以防冲让压锚杆为核心的防冲让压巷道支护技术。工业性试验效果表明:防冲让压支护技术有效解决了复杂开采条件下巷道冲击地压问题,保证了矿井安全高效生产。     

离层注浆技术在冲击地压防治中的应用

针对华丰煤矿巨厚砾岩覆岩运动引起的冲击地压灾害现状,分析了离层注浆控制覆岩运动的作用机理,并结合矿井离层注浆工程实例,探讨了离层注浆技术在冲击危险矿井中防灾减沉的作用效果.覆岩离层通过注浆充填,可使地表减沉率达50％以上,能有效地控制离层上覆岩层的垮落运动,大大减轻了因巨厚砾岩断裂引起的冲击地压危险.作为一种积极主动治理矿井灾害的方法,离层注浆技术实现了煤矿安全绿色开采,取得了明显的经济效益和社会效益.