煤层掘进工作面超高压定点水力压裂防冲机理研究

针对煤层掘进或回采过程中发生的冲击危险,提出了一种新的卸压防冲措施——超高压定点水力压裂技术。理论研究认为,水力压裂防冲是压裂与注水软化煤层、压裂降能、压裂引起应力转移与应力均化共同作用的结果;压裂降能与压裂注水能显著降低煤层破坏时单位时间内释放的能量,从而降低冲击危险程度;注水软化、应力转移与应力均化是一个相对缓慢的过程,实际应用过程中应提前安排施工时间。华丰煤矿现场试验的成功,表明超高压定点水力压裂能起到预防冲击危险的作用。     

煤层钻孔“双低”防冲机理及应用

针对冲击地压工作面煤层卸压钻孔参数设计依据缺乏问题,通过理论研究和现场实测,研究煤层卸压钻孔的防冲机理和参数设计方法。通过实验室试件试验的全应力应变曲线分析,探索了煤层卸压钻孔"低强度-低密度"防冲机理:卸压钻孔可以改变煤体的物理力学性质,通过降低煤体破坏极限强度和密度,降低了煤体的冲击倾向性,增加了煤体的应变率,在一定范围内形成卸压保护带。卸压钻孔深度采用了现场经验孔深,基于有效应变率,针对煤层条件和卸压孔孔径,设计了卸压钻孔密度参数,已在多个冲击地压矿井现场应用,经钻孔应力监测检验,防冲卸压效果良好。     

基于能量耗散率的钻孔防冲效果评价方法

采用理论分析、实验室试验及数值模拟等手段,研究了从能量角度评价钻孔防治冲击地压效果的方法。钻孔前后应力总量计算表明,钻孔对煤岩体的作用在于"调压",并非仅"卸压"。相对于应力角度,从能量角度评价钻孔防冲效果的过程更为简便。不同矿井煤样单轴加卸载试验发现,采用线弹性体弹性应变能计算公式的计算结果要大于实际值,且冲击倾向性越弱,计算误差越大,提出了基于弹性能量指数的修正公式。钻孔围岩弹性应变能的变化受最大主应力的做功特征主导,围岩应力调整过程中,弹性应变能能否积聚与围岩方位及侧压系数有关。在此基础上,提出钻孔耗能率的概念,可定量评价不同钻孔防冲设计之间的优劣,并通过FLAC3D进行数值模拟实现。以钻孔耗能率为评价指标得出,钻孔防冲效果与钻孔孔径呈幂函数关系,与煤层强度呈负相关。与φ100 mm钻孔相比,φ150 mm钻孔耗能效果是其2.9倍,φ200 mm钻孔耗能效果是其6.5倍。     

煤层压裂卸压防冲机制研究

针对彬长矿区高地应力厚煤层开采时冲击动力灾害严重问题,采用理论分析和现场试验等方法,对压裂煤层卸压防冲机制进行了研究。研究表明：煤层压裂破碎后,煤体裂纹扩展表面能降低,产生碎块数量增多,耗散能占比越大,可释放弹性能减小;煤层压裂区应力存在往非压裂区转移现象,巷道侧煤体由压裂前的塑性-弹性2区变为压裂后的塑性-弹性-塑性-弹性4区分布;压裂煤层裂隙发育,应力集中系数降低,塑性区范围显著扩大,煤体弹性能得到释放,有效地预防了冲击地压的发生。     

基于煤层应力的水力致裂防冲机理与试验研究

为了从煤层应力角度研究水力致裂的防冲机理,首先进行了理论分析并提出了空间应力梯度概念来表征冲击地压危险性,随后进行了煤层顶板水力致裂现场试验,利用应力在线监测系统,监测得到了致裂前后及工作面推进过程中煤层应力的变化。水力致裂前后,煤层应力变小。采动影响下,煤层应力不断增加,直至达到应力峰值,随后迅速减小。水力致裂后,煤层应力峰值位置向深部移动,峰值处煤层应力增值下降,开采过程中煤层应力的空间应力梯度最大值也得到降低。结果表明:煤层顶板水力致裂可以降低煤层应力,达到卸压效果;可以减小开采过程中煤层应力的局部集中,降低煤层应力的空间应力梯度。     

一次成孔300 mm煤层大直径钻孔防冲效能试验

为了解决冲击地压煤层卸压钻孔一次成孔孔径小、卸压半径小、防冲效果差等问题,在煤层大直径钻孔卸压作用机制研究基础上,开发了针对冲击地压煤层的一次成孔300 mm大直径钻孔技术装备,开展了300 mm大直径钻孔技术防冲效能工程试验研究。结果表明：研制的ZDY20000LK钻机具有施工一次成孔300 mm大直径钻孔的能力,利用视频监控系统可进行远程操作,大幅提高了钻机施工自动化水平和作业人员安全;从孔径角度来看,300 mm卸压钻孔弱化煤岩体的效果比150 mm卸压钻孔弱化煤岩体的效果提高18.5%;从孔间距角度来看,0.6 m的孔间距弱化煤岩体的效果比1.0 m的孔间距弱化煤岩体的效果提高7%,可见提高孔径可更大程度地提高钻孔卸压的能力;从时间角度来看,施工300 mm大直径钻孔卸压1周后,巷帮围岩支护区外的中等冲击危险性区域基本消失,弱冲击危险性区域所占面积下降89.7%;在支护区内2个弱冲击危险性区域面积分别下降85.8%,91.2%。实践表明一次成孔300 mm煤层大直径钻孔可显著提升防冲效果。     

深孔预裂坚硬顶板技术在冲击地压防治中的应用

坚硬顶板原因引起的顶板型冲击地压,在工作面回采过高冲击危险区时,常规的顶板爆破卸压方法不能有效解危,必须根据现场条件采用深孔预裂顶板技术预裂顶板,提前释放坚硬顶板内储存的弹性能,可以降低冲击危险,能有效地避免冲击地压灾害发生。     

高地应力区域动载扰动诱发深埋巷道冲击致灾机理研究

为了探讨高地应力控制区动载作用下诱发巷道冲击地压机理,基于弹性力学理论,建立了不同侧压系数影响下深埋动载巷道围岩力学模型,推导出了诱发巷道冲击的力学判据,并运用FLAC软件模拟分析动载巷道围岩应力及弹性能演化规律。研究结果表明:深埋巷道冲击受多重因素的共同作用,巷道埋深越大,地应力越大且震源距巷道自由面较近,围岩极易发生冲击;动载巷道围岩应力随着侧压系数的增加发生了明显的变化,巷帮垂直应力较顶板显著增大,且其弹性能量值均在距巷道水平4 m位置处达到最大;由于最大剩余弹性应变能距巷道自由面较近,围岩处于极限平衡状态,动载作用下巷道围岩裂隙进一步扩展贯通,蓄积高弹性能得到释放,易诱发巷道冲击。     

采动影响下强冲击煤层大巷致冲机理及防控研究

针对煤层大巷冲击地压频发的实际问题,采用数值模拟、现场实测、监测分析等方法,对采动影响下强冲击煤层大巷致冲机理开展研究,并提出了防治方法。结果表明,坚硬顶板下特厚煤层开采,单采空区超前应力影响范围约为180 m,同侧双采空区叠加应力影响范围约为240 m,且双采空区叠加影响程度明显大于单采空区。工作面末采期间,受到双采空区叠加影响,煤层大巷区微震能量和频次均呈指数型升高,尤其是当工作面至煤层大巷的距离小于180 m后,升高幅度迅速增大,每15 d释放的能量总和为前15 d的43倍。相邻采空区上覆坚硬顶板形成的悬臂、巷道交叉密集是煤层大巷区静载荷的源头,而回采期间产生的扰动效应以及坚硬顶板突然垮断是煤层大巷区动载荷的源头;由上述因素产生的静、动载荷及其之间的“互馈”效应是导致采动影响下煤层大巷区冲击地压发生的显在原因。而采动影响下煤层大巷围岩内复杂力学系统基本机制的不稳定性,及其对周边环境扰动的敏感性,是其冲击显现的潜在原因。由此,将保护煤柱宽度优化、顶板深孔预裂爆破与煤层解危等方法相结合,开展有针对性的协同防控。现场实践表明,协同防控效果较好,尤其是优化保护煤柱宽度,使其大于双采空区叠...     

宽煤柱沿空巷道顶板侧向预裂防冲技术

部分冲击地压矿井由于受水、火、瓦斯等灾害影响,均留设了较宽的区段煤柱,并由此带来冲击地压威胁。采用顶板侧向预裂能够有效降低煤柱内集中应力,保护沿空巷道的安全。以崔木煤矿留设的35 m区段煤柱为研究对象,分析了采空区侧向顶板悬顶对煤柱应力分布的影响,并利用数值模拟和微震监测对不同顶板预裂位置的预裂效果进行了对比分析。研究表明:当预裂位置向采空区煤壁内错4～5 m时,沿空巷道围岩应力峰值最小,在该位置实施顶板预裂能够充分利用矿山压力,从而达到更好的预裂效果,该预裂方式在崔木矿22305工作面进行了试验,并在下区段22307工作面回采时进行了验证,顶板实施侧向预裂之后的冲击显现情况得到了显著降低。     

深井冲击危险煤层大直径钻孔卸压防冲技术

根据煤层大直径钻孔卸压防冲机理和有关数值模拟等研究成果,结合开采深井冲击危险煤层实际情况,确定钻孔的直径、间距、深度和布置方式。应用表明所选钻孔参数和实施方法适用并具可操作性,是减弱和消除冲击危险的有效手段。同时,总结了存在的不足,提出了改进意见。     

砚石台煤矿六号煤层冲击倾向性研究

选用四项已有的冲击倾向性指标并提出一项修正的冲击能指标W’_(CF),对砚石台煤矿六号煤层的冲击倾向性进行了试验研究;采用模糊数学方法对该煤层的冲击倾向性进行了三级模糊综合评判,结果表明该煤层具有中等冲击倾向性.     

顶板动态法在工作面防冲设计方面的研究及应用

工作面回采期间,随工作面的不断推进,采场上覆岩层应力重新分布,支承压力的峰值及位置也在不断变化。特别是深部开采条件下,支承压力愈是靠近煤壁位置,采场发生冲击地压的可能性就愈大[1]。文章结合赵各庄煤矿实际,采用顶板动态监测法确定工作面超前支承压力峰值及位置,然后采取超前松动爆破的方式解除冲击危险性,收到了良好效果,为邻近矿井的防冲设计提供参考。     

煤岩中弹性能量的表征与冲击地压预测方法研究

分析了煤岩储能区冲击效应现象的发生机理及基本特征,深入探讨了围岩深部原生煤岩体固有的弹性能以及冲击效应的特征;揭示了冲击效应诱发煤岩力学性能及物理性质的变化。基于这些有意义的变化,探讨性地提出了冲击地压的应力监测法和能量型磁电监测法的技术思想,为冲击地压的预测提供了新的方法。     

深孔顶板预裂爆破力构协同防冲机理及工程实践

通过对深孔顶板预裂爆破过程的分析,提出了深孔顶板预裂爆破力构协同防冲机理并对其类型进行划分,模拟分析了不同爆孔布置方式下的爆破岩体Mises等效应力场、塑性破坏区及典型质点有效应力和位移变化规律并进行现场冲击地压防治实践。研究表明,深孔顶板预裂爆破通过强力冲击动载破岩作用、高温高压高速爆轰气体冲击气楔作用和热交换回弹拉伸作用对顶板进行损伤破坏,降低岩体内部结构单元储能能力,促使相邻爆孔之间裂隙的贯通,形成岩层结构破断弱面,使其在矿山压力作用下沿预定位置弯曲破断,具有弱化顶板岩层介质力学属性和优化岩层破断结构的双重作用。相比于直线式和三花式爆孔布孔方式,深浅组合式使得爆破后Mises有效应力在作用范围和作用时间上更加充分,增加了爆破裂隙密度及多向发展的可能性,延长了爆破衰减能量作用岩石的时间,致使塑性破坏区范围更加发育,爆破块度更加碎裂均匀,当工作面由未断顶区域进入断顶区域或者进出相邻不同断顶预裂设计施工区域时,因人为造成上覆顶板岩层结构运动不协调,应力与能量传递不连续,易于诱发冲击地压。当顶板爆破施工区域微震监测出现"缺震"现象时,可将其作为冲击危险典型预测前兆信息。     

距离下保护层开采防冲机理及技术研究

针对七台河矿区某矿煤层群的地质赋存特点,研究了近距离下保护层开采防治冲击地压的机理和技术。利用FLAC 3D软件,分析比较了下保护层开采和非保护层开采的工作面围岩应力应变及塑性范围的分布规律及其差异,揭示了近距离下保护层开采的防冲机理,并讨论了下保护工作面的合理布置。结果表明近距离下保护层开采能取得较好的防冲效果,近距离下保护层开采防冲的机理是：下保护层开采降低了被保护工作面的应力峰值,使应力峰值位置向煤体深部转移;增大了被保护工作面围岩的位移,有利于释放冲击弹性能;被保护工作面的围岩预先产生塑性变形,在掘进、回采中不易再次发生塑性破坏。当被保护工作面布置合理时,能取得防冲和留巷的双重效果。     

深部低孔隙率煤层高压注水防冲技术研究与应用

针对唐口煤矿5304工作面煤层近千米埋深、孔隙率及渗透率低、强冲击倾向性的条件,研究了适合唐口煤矿的高压注水致裂煤体的防冲技术,并运用微震事件监测、应力在线预警等手段,对应用效果进行综合评价分析。结果表明:煤层高压注水后,微震活动能量和频次明显降低、预警次数显著减少,防冲效果良好。     

“顶板-煤层”结构体多场应力控制防冲技术原理及优化设计

以典型的深部强冲击危险矿井为背景,通过对"顶板-煤层"结构体受力状态的分析,建立从区域应力协调到局部应力控制的以"顶板-煤层"结构体稳定性为基础,以应力控制为中心的多场应力控制防冲技术体系,通过数值模拟和理论分析对现场的区段煤柱留设宽度、巷道断面尺寸及布置方法、煤层卸压爆破及大钻孔卸压等区域应力协调和局部应力控制技术手段的相关参数进行优化设计。研究发现,对于强冲击危险工作面,区段煤柱留设宽度在3⁴ m时对冲击地压防治有力;大断面沿顶巷道布置方式更有利于冲击地压的防治,但当断面尺寸增大到一定程度时其应力控制防冲效果趋于稳定。煤层卸压爆破应根据卸压位置的不同在爆孔深度、封孔长度等参数上进行动态调整,大钻孔卸压采用孔深30 m,孔径130 mm,孔间距1.2 m参数时,应力控制防冲效果最为明显。     

“顶板-煤层”结构体多场应力控制防冲技术原理及优化设计

以典型的深部强冲击危险矿井为背景,通过对"顶板-煤层"结构体受力状态的分析,建立从区域应力协调到局部应力控制的以"顶板-煤层"结构体稳定性为基础,以应力控制为中心的多场应力控制防冲技术体系,通过数值模拟和理论分析对现场的区段煤柱留设宽度、巷道断面尺寸及布置方法、煤层卸压爆破及大钻孔卸压等区域应力协调和局部应力控制技术手段的相关参数进行优化设计。研究发现,对于强冲击危险工作面,区段煤柱留设宽度在3~4 m时对冲击地压防治有力;大断面沿顶巷道布置方式更有利于冲击地压的防治,但当断面尺寸增大到一定程度时其应力控制防冲效果趋于稳定。煤层卸压爆破应根据卸压位置的不同在爆孔深度、封孔长度等参数上进行动态调整,大钻孔卸压采用孔深30 m,孔径130 mm,孔间距1.2 m参数时,应力控制防冲效果最为明显。