近直立特厚煤层冲击危险源辨识及控制研究

为研究乌东煤矿南区近直立特厚煤层在特定区域冲击地压频发的原因,以五一煤矿、大梁煤矿的保护煤柱、大洪沟防洪渠保护煤柱、不同水平分层终采线形成的台阶结构等特定区域为工程背景,采用PASAT M便携式微震仪、ARAMIS M/E微震监测系统,开展近直立特厚煤层特定区域冲击地压致灾的动静载荷源辨识,得到了近直立特厚煤层引发冲击地压的静、动载荷源,针对冲击地压致灾的动载荷源,开展了近直立特厚煤层冲击地压分源控制实践。研究结果表明:特定区域是近直立特厚煤层冲击地压致灾的主要静载危险源,易引起煤体局部高应力集中; B₂-B₃煤层间岩柱活动是近直立特厚煤层冲击地压致灾的主要动载源,围岩活动产生的冲击致灾高能事件,70.4%发生在两煤层之间的岩柱中;采用煤体卸压爆破和煤层注水方法进行冲击静载荷源控制,通过多水平联合岩柱控制方法开展冲击动载荷源控制。实践表明:采取的分源控制方法有效降低了煤岩体应力集中和围岩活动强度,有效减少了近直立特厚煤层冲击地压灾害的发生频次。     

近直立特厚两煤层同采冲击地压机理及防治

针对急倾斜特厚煤层特殊的赋存条件和开采技术条件,基于区域构造应力特征和地应力实测结果,建立了急倾斜特厚煤层水平分段开采两侧采空岩柱的外伸梁力学模型,分析得到了近直立特厚水平分段两煤层同采条件下两侧采空岩柱对煤体的"撬杆效应"构成了冲击地压的力源并获得其表达式,提出了由于该力源作用在煤体上产生的应力随时间的变化率达到或超过煤体的动态破坏应力指数而发生冲击地压的致灾机理。数值模拟结果和现场微震统计结果表明,主要受水平构造应力影响下的两侧采空岩柱在开采水平以下出现了应力集中和能量集中区域。据此提出了在开采水平超前工作面定期通过爆破和高压注水降低岩柱应力集中程度进行冲击地压解危,效果检验表明防治效果显著。     

基于微震监测的近直立特厚煤层冲击危险区域划分

为对乌东煤矿南区近直立特厚煤层工作面冲击地压危险区域进行划分，综合利用地应力测试、煤岩物理力学实验等研究方法确定了近直立煤层冲击地压致灾因素。建立了上分层煤层开采期间的不同微震等级与冲击危险区域的内在联系，同时基于上下分层相似原理划分了+450水平B3+6工作面冲击危险区域。结果表明：近直立特厚煤层同一煤层上下分层开采，冲击地压危险区域具有相似性和反复性。研究结果对近直立煤层冲击危险区域划分有一定的指导意义。     

急倾斜特厚煤层开采冲击地压发生过程监测与分析

为解决急倾斜特厚煤层水平分段开采时的冲击地压问题,采用微震监测系统,确定了两煤层间岩柱中产生的矿震是诱发巷道冲击地压的力源,结合具有高采样频率的冲击地压监测系统进行了冲击震源震波及其响应信号的实测,得出急倾斜特厚两煤层之间岩柱诱发冲击地压的震源信号具有距离工作面近、波形呈现出明显的P波、S波,延时较长,能量较大等特征;震源产生的动载使得煤体应力和锚杆受力瞬间升高,距离震源越近,引起煤体应力变化的幅度越大,煤体垂向应力较水平应力升高更为明显,冲击发生前至少1 h内,煤体应力就已开始发生变化,表现出了一定的冲击前兆特征。研究结果表明,通过震波及其响应信号实测可分析冲击地压发生过程。     

近直立特厚煤层上采下掘冲击地压危险性分析

为了确定新疆乌东煤矿近直立特厚煤层单翼工作面在上采下掘期间防止冲击地压危险发生的合理采掘相向安全距离,采用数值模拟、微震监测和现场实测的方法进行研究。基于数值模拟方法研究了上采下掘期间不同相向距离的应力演化规律和影响范围,根据微震监测和现场冲击地压案例分析了上采下掘与冲击地压危险关系。结果表明:上分层工作面与下分层掘进工作面相向的距离与煤体应力集中和微震事件发生频次呈正相关关系,该条件下上采下掘相向最小安全距离为100 m,上采下掘活动引起的煤体高应力集中和围岩剧烈活动是诱发下分层掘进工作面冲击地压显现的原因,通过采取及时停止下分层掘进的措施,成功地避开了掘进巷道冲击地压灾害,进而验证了分析结果。     

薄煤层动静组合诱发冲击地压的机制

理论分析了动静组合诱发冲击地压的应力条件和能量转化过程,揭示了动静组合诱发冲击地压机制,数值计算分析了工作面应力分布特征与煤厚之间的关系,采用微震监测数据分析了卸压爆破产生的应力波传播规律,并分析研究了薄煤层动静载特征及诱发冲击地压过程。结果表明:薄煤层工作面应力集中程度较厚煤层高,峰值应力区距离煤壁较近,应力梯度较大;采动动载直接与高应力叠加,且开采导致的应力降以及单位体积煤体释放的弹性变形能远高于厚煤层,在动静组合作用下,薄煤层工作面易于达到动静组合诱发冲击地压的应力和能量条件,显著符合动静组合诱冲机制。最后基于动静载组合诱发薄煤层冲击地压的机制,探讨了薄煤层冲击地压防治原则和技术方法。     

乌东煤矿南区近直立岩柱综合治理效果分析

乌东煤矿采用ARAMIS M/E微震监测系统、PASAT-M便携式微震监测系统以及瞬变电磁等手段,开展岩柱的破裂发展、活动强度、应力集中和裂隙发育等方面分析,对南区近直立岩柱处理效果进行技术评价,综合考虑技术效果及经济投入因素,工艺巷爆破对工作面冲击地压防治效果明显,且经济投入相对较少;但随工作面回采工艺巷爆破区域受到扰动后,应力可能再次集中,应在采用工艺巷爆破的基础上,结合实际采用超前预裂爆破进行动态防治。     

冲击地压煤矿井上下微震联合监测技术北大核心

冲击地压煤矿普遍应用井下微震监测系统进行监测预警,但在单一近水平煤层或近直立煤层水平分层开采时,普遍存在由于井下微震台网高差不足导致垂直定位精度不理想的问题,无法有效分析确定冲击致灾关键岩层。以鄂尔多斯矿区某近水平冲击地压煤层开采工作面为例,理论分析了微震定位误差的“垂直高差效应”,研究提出了井上下微震联合监测技术,通过在地面布置专用井上微震拾震器,形成井上下微震监测台网,并在近水平煤层冲击地压矿井应用实践。研究表明:当井下微震传感器布置台网处于近水平状态时,由于垂直最大空隙角过大,造成震源垂直定位误差较大,是微震垂直定位精度不足的主要原因;以ARAMIS M/E微震监测系统为基础,增加ARP专用井上微震拾震器以增大z坐标差距,形成井上下联合监测台网,有效提高了微震监测高度及垂直定位精度。井上下微震联合监测技术在门克庆煤矿应用,揭示了诱发矿震的岩层层位与高度,提升了矿井解决矿震频发的技术水平及采取措施的针对性;红庆河煤矿应用井上下微震联合监测技术,确定了冲击致灾主控岩层层位与高度,揭示了高位厚层顶板冲击致灾性。     

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。     

乌东煤矿坚硬岩层注水软化与效果评价研究

为解决急倾斜煤层开采过程近直立顶底板岩层破坏导致冲击地压现象,针对急倾斜岩层的危险性,在其内部开凿工艺巷,采用高压注水方法对岩层进行弱化处理,并采用微震监测和PASAT-M探测手段进行弱化效果的观测和统计。结果表明:高压注水改变了岩体的内部结构,使岩体初始强度降低;微震监测发现注水后岩柱高能事件减少,低能事件增加,能量积累程度降低,减小冲击危险性; PASAT-M探测显示在高压注水的作用下岩体内部高应力区峰值降低,低应力区峰值上升,但总体应力集中系数减小。注水软化对降低直立岩层应力集中具有明显效果,能够有效地缓解或防治直立岩层冲击地压的发生。     

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。     

近直立特厚煤层应力演化规律研究

为了及时准确的识别工作面走向和倾向应力集中区,进行设计合理的卸压参数和防护措施,降低近直立煤层冲击地压动力灾害的破坏性,采用应力在线监测系统对工作面超前区域的应力演化过程进行连续监测,研究近直立特厚煤层应力演化规律。研究表明：近直立特厚煤层走向方向超前支承压力影响范围为超前综采工作面5～20m,倾向方向应力集中峰值区距巷道壁6～13m|依据获得的应力演化规律,针对影响范围和峰值区采用了煤体卸压爆破和煤层注水方法开展了现场防冲工程实践,卸压工程实施后经检验,煤体应力集中程度明显减小,巷道变形量也得到了有效控制,研究结果起到了较好的指导意义。     

基于地质动力区划的近直立特厚煤层冲击地压危险性评价

基于地质动力区划方法,确定了乌东煤矿冲击地压主要影响因素及其相互作用关系,对乌东井田发生冲击地压的地质动力环境进行了评价。乌东矿区位于博格达断裂带体系中,断裂带北缘处于强烈的压缩状态中,井田受构造活动的影响强烈。地质动力区划方法确定了断裂活动特征与井田构造形式,在分析了近直立特厚煤层原始应力的基础上,建立了近直立特厚煤层冲击地压的危险性评价方法,确定了乌东煤矿南采区冲击地压点主要发生在高应力区和应力梯度区。应用FLAC3D数值计算方法,确定了开采活动对乌东煤矿冲击地压的影响,并对冲击地压危险区域进行了划分与预测。研究表明,在构造应力的影响下,乌东井田围岩能够产生较大的压缩应变,积聚较高的弹性潜能,为冲击地压的发生提供了能量条件,开采活动使工作面所在煤体的弹性能更加接近由稳态向非稳态转变的临界,增大了冲击地压发生的危险性。在南采区的高应力区和应力梯度区应加强冲击地压监测和采取解危措施,避免冲击地压的发生。     

常村煤矿21150综放工作面冲击地压综合防治技术

为解决义马煤田常村煤矿深部开采综放工作面冲击地压灾害防治难题,在采用综合指数法对21150工作面冲击危险程度评价的基础上,将该工作面划分为6个重点冲击地压危险区域,以助于有针对性地采用不同的巷道防冲支护方式;通过煤体应力、微震及钻屑监测进行综合预警,并利用PASAT-M微震CT透射技术对重点冲击危险区域进行煤岩体应力探测,详细标定冲击危险区的分布范围;对重点冲击危险区域采取钻孔卸压、煤层注水、断底爆破等综合防治冲击地压措施,及时利用钻屑法进行卸压效果检验,实现了整个工作面安全顺利回采。     

“见方效应”与“应力击穿效应”联动致灾机理及防治技术研究

为保障工作面推进至接近见方位置时安全回采。以郓城煤矿1301工作面为工程背景,采用现场监测、数值模拟和理论分析的方法,研究了深井、厚表土、厚基岩特厚煤层工作面推进至见方位置时的致灾机理与安全开采技术。得到如下结论:深井、厚表土、厚基岩、特厚煤层工作面仍存在"见方效应",见方时,前方煤体集中应力和集中应力系数达到最大;对厚表土起承载作用的岩层跨度达到极限破坏长度,厚表土载荷将岩层击穿,称为厚表土的应力击穿效应,此时厚表土由静载转化为动载加载至工作面前方煤体,"应力击穿效应"为冲击地压发生的诱发因素;数值模拟结果表明,"见方效应"与"应力击穿效应"相互叠加致工作面前方煤体应力集中的范围在70 m左右,微震监测和应力在线实时监测验证了理论计算的正确性。     

近直立特厚煤层水平分层冲击地压治理效果分析

乌东煤矿南区近直立特厚煤层随分层延伸冲击地压越来越频繁,在+500m水平和+475m水平分层开展了大量冲击地压治理工程,为分析上分层治理工程对下分层的影响及分层治理效果,采用微震监测两分层开采过程围岩活动产生的微震事件能量和频次,开展了同煤层同区域不同分层和同煤层不同分层同区域细化统计分析。研究表明,同煤层同区域+475m水平总的能量释放低于+500m水平,且+475m水平各能量等级的能量及频次亦低于+500m水平;同煤层同区域按50m单元细分的+475m水平各区域的微震事件能量和频次均低于+500m水平,且具有区域性特点。对比分析得到乌东煤矿实施冲击地压治理工程是有效的,降低了围岩活动的强度,且上分层的治理工程对下分层有卸压作用。     

近直立特厚两煤层间岩柱地面爆破效果分析

研究及实践表明岩柱是冲击地压发生的主要影响因素,乌东煤矿为解决岩柱的冲击地压致灾性,现场在550、700、830、975 m位置开展了岩柱地面爆破工程实践。为分析岩柱地面爆破的效果,利用微震监测系统、PASAT-M便携式微震监测系统、瞬变电磁等手段,从岩柱活动强度、岩柱应力集中、岩柱裂隙发育等多角度对岩柱处理效果进行研究。研究表明:地面爆破效果明显,降低了覆岩释放的能量和频次,改变了岩柱活动的强度;降低了岩柱高应力集中影响范围及应力集中程度,地面爆破前,岩柱应力集中影响区域范围较大,应力集中程度较高,而地面爆破后出现多个应力降低区域;改变了岩柱围岩结构的完整性,增加了岩柱的裂隙发育。     

特厚煤层首采面冲击地压监测方案研究

针对具有冲击倾向性的特厚煤层首采工作面冲击地压危险,开展冲击地压监测技术研究。具体采用了微震法、应力在线监测法、钻屑法、矿压监测法等综合手段开展监测工作,提出了各监测手段的具体实施参数,对其他相似条件下特厚煤层首采面冲击地压监测工作具有指导意义。     

特厚煤层中掘进巷道过联络巷期间巷道围岩活动规律研究

针对陕西某矿掘进巷道过联络巷期间发生的矿压异常现象,基于现场异常矿压观测情况,利用FLAC3D有限差分软件对特厚煤层中掘进巷道穿联络巷过程中不同时期巷道围岩应力分布演化特征进行了数值计算分析,并结合SOS微震监测结果对巷道围岩微震活动过程进行了研究。结果表明,在特厚煤层中掘进巷道穿联络巷过程中穿联络巷的巷道围岩冲击危险性呈现"升高—降低—升高—降低"的演化规律,并据此将巷道围岩应力分布演化过程近似划分为5个具有不同应力特点的阶段。     

急倾斜特厚煤层水平分段开采诱冲机理及防治技术

为了研究急倾斜特厚煤层水平分段开采期间工作面冲击地压机理,以窑街三号井LW5521-20工作面工程地质条件为背景,通过现场调研、理论分析、工业性试验、SOS微震监测和钻屑量监测等手段,对LW5521-20工作面开采诱冲机理及防治技术进行了研究。结果表明:急倾斜煤层水平分段开采期间顶板和底板附近的侧面支承应力沿Ox轴呈非对称分布;当覆岩中悬顶破断引起的动载荷和煤体承受的高集中静载荷叠加作用超过冲击临界载荷时,就会发生冲击地压;当工作面附近煤体引起的附加动载荷与液压支架上的初始静载荷叠加作用超过其自身承载能力时,液压支架发生损坏;采用深孔预裂爆破、煤体卸压爆破以及工作面支护优化等措施,可有效防治冲击地压。