基于集中静载荷探测的冲击地压危险性预评价

为了解工作面冲击危险状态,提前采取防冲措施,降低后期防治强度,理论分析了集中静载荷与冲击地压发生的相关性,建立了基于集中静载荷探测的冲击危险性预评价模型,并开展了实践验证。结果表明：集中静载荷在冲击地压启动过程中起主导作用,并可在工作面开采前探测并卸载;区域性集中静载荷可通过地震波法探测得出,基于地震波参数建立的冲击危险性预评价模型能够对工作面危险性做出评价,并且能够指导预卸压工作实施和检验解危效果。     

基于冲击启动理论的深孔区间爆破疏压技术

 通过分析巷道冲击地压启动机制,采用数值模拟方法研究巷帮集中应力分布的爆破效应,提出基于冲击启动理论的深孔区间爆破疏压方法。研究表明：巷帮深孔爆破的区间应为冲击启动区,否则将起到负面作用;加大巷帮煤壁支护强度以疏、降集中应力是有限的;深孔区间爆破疏压方法,一方面疏、降冲击启动区应力或能量集中程度,阻止冲击启动环节发生,另一方面迫使率先冲击启动的区域向煤壁深部迁移,并增加疏压区消耗冲击地压启动后的总能量,降低能量释放速度。研究结果在现场取得较好的应用效果。     

岩浆岩侵入区巨厚煤层掘进巷道冲击地压机制研究

针对岩浆岩侵入区采掘期间冲击地压频繁发生的实际问题,运用理论分析、数值模拟以及工程实践等研究方法,研究岩浆岩侵入区巨厚煤层掘进巷道冲击地压机制。主要结论如下:基于弹塑性理论推导出巨厚煤层巷道围岩应力分布计算公式,由此绘制应力分布等值线图,结果表明最大主应力方向、最大剪应力集中区位置均与煤层倾向相垂直,煤层倾角不能改变最大主应力和剪应力的集中程度,而侧压系数对最大主应力集中程度的影响较大。坚硬岩浆岩顶板在采空区上大面积悬顶导致其附近大面积煤体应力的整体升高,为冲击地压发生提供了静载荷;掘进施工诱发岩浆岩局部侵入带能量的瞬时释放,为冲击地压发生提供了动载荷;综上分析,建立岩浆岩侵入区巨厚煤层掘进巷道冲击地压的力学模型,得出冲击发生判据,进而获得冲击地压发生机制。应用研究成果,较好地分析了矿井实际掘进巷道冲击地压的发生机制,并有效地指导了冲击地压防治实践。     

冲击地压危险源层次化辨识理论研究

 采用理论分析并结合现场案例,指出冲击地压发生前存在潜在危险源,并将广义危险源概念引入冲击地压监测中,定义冲击地压能量积聚至破坏启动的区域为冲击地压危险源,进一步分析冲击地压危险源具有触发因素、潜在危险性和发展趋势3个要素,指出一切冲击地压监测的统一目标为及时、准确地辨识到冲击地压危险源。对冲击地压危险源产生的时空状态进行分析,为不产生盲区,提出对冲击地压危险源进行时空上的层次化辨识,并且建立理论应用模型,在华丰煤矿分别选用微震监测技术、地音监测技术和煤体应力监测技术,分井田范围、工作面范围和局部危险点进行全矿井冲击地压危险源辨识。实践证明该理论可提高现场监测效率、并有效指导现场对于冲击地压显现的预测。     

深井富水工作面“动—静”应力效应诱发冲击地压机理研究

冲击地压的发生是一个多因素诱发的结果。以郓城煤矿1301工作面为工程背景,研究“动—静”应力效应诱发的（“动”指工作面回采时,上覆岩层运动对前方煤体施加超前支承压力及扰动;“静”指水仓突水后,煤层上方相当于开采一个解放层,突水区域上覆岩层部分应力向周边转移,使突水区域周边的静应力升高）新型冲击地压发生的机理,本文采用采用理论分析、现场监测、工程试验、数值模拟等方法研究了冲击地压发生的应力来源、突水造成的煤体岩性改变特征、工作面回采的动态影响等,得出以下结论：①突水打破了原岩应力平衡,使其周边煤体静应力升高,这是冲击地压发生的静应力来源。②煤体浸水30天,使煤体的强度大幅降低,使其在同等应力作用下增大了“蠕变”冲击发生的风险。③1301工作面回采,超前支承压力是发生冲击地压的动应力来源;超前支承压力与高静应力叠加,增大了应力的集中程度,再加上上覆岩层对高应力集中区的动态扰动,使冲击地压发生的风险进一步加大。该方法对于富水工作面的防冲评价具有重要的参考意义。     

深厚表土综放采场断层煤柱整体失稳型冲击地压机制研究

深厚表土综放采场断层煤柱整体失稳型冲击地压具备高隐蔽性、强破坏性、难防护性和长延续性的破坏特征,煤矿现场难以有效预警和防治。以巨野煤田某矿2305S工作面为工程背景,采用理论分析、数值模拟、现场实测等方法,研究深厚表土综放采场断层煤柱整体失稳型冲击地压机制。探讨了深厚表土综放采场岩–土地层初次、周期联动的空间结构和力学特征,设计了深厚表土综放采场断层煤柱承载地层传递载荷、上覆自重载荷和断层构造载荷的估算方法,提出了深厚表土综放采场断层煤柱整体失稳型冲击地压的力学判据。根据模拟应力增速演变规律将断层煤柱回采过程划分为蓄能阶段和临界阶段,其中临界阶段整体失稳冲击危险水平快速提升。揭示了深厚表土综放采场断层煤柱整体失稳型冲击地压机制：断层与沿空面斜交形成的断层煤柱具备高水平的基础应力,当工作面推进至岩–土地层初次联动阶段时,走向地层传递载荷提高了断层煤柱的应力水平,同时连续推采条件下其承载面积不断减小,当载荷量超过弹性承载区的失稳阈值时即发生整体失稳型冲击地压。设计了此类型冲击地压治理方案,包括采前整体冲击危险评估、井地联合区域监测–弹核应力局部预警、分级承载多层卸压设计。     

基于采动顶、底板岩层损伤的冲击地压预测

为探索微震法预测冲击地压的原理和应用技术,在装备高精度微地震监测设备的煤矿,开展采掘过程连续的岩体破裂现场监测,使用自主研发的采动岩体破裂规律分析和冲击地压预测软件MapRAS进行预测研究和工程应用。发现采动过程岩体微破裂在顶板和底板的深度扩散是产生冲击地压的大概率事件;提出采动顶、底板深度损伤是冲击地压成核重要因素的观点。建立应用微震数据辨识顶、底板采动破裂损伤深度的函数关系式和算法。分析显示顶板和底板深度损伤存在联动,与顶板关键层的周期破断及其后效相对应,反映出顶板、底板的加–卸载过程,在华亭煤田多显现为巷道底板破断型冲击地压。经工程应用检验,预测效能较高,应用效果良好。     

冲击地压自发性静–动状态突变机制试验研究

冲击地压自发性静–动状态突变行为是其成灾的关键一步,然而这一动力过程和对灾变的触发机制尚未得到广泛关注和清晰认识。为此,在改进传统煤–岩组合体室内试验方法的基础上,开展准静态位移加载条件下的冲击地压和静态脆性破坏物理模拟试验。通过搭建多源信息监测系统,捕捉了ms级时间尺度上静、动力学数据的瞬态突变,从力学和能量角度研究自发性静–动状态转换的突变过程、形成机制和其在触发冲击地压中的作用,并据此提出冲击地压机制的新认识。研究发现冲击地压灾变过程中的围岩弹性回跳动力行为,并发现这一行为是控制灾害自发性静–动状态突变的关键。在力学方面,这一行为对煤岩产生了冲击荷载,直接触发了动力过程,可被认为是冲击地压的直接原因;在能量方面,这一行为以瞬态做功的形式,将围岩积累的应变能向煤岩汇聚,并缩短了煤岩失稳所需的时间,最终引起煤岩足够大的能量释放速率,可被认为是冲击地压动力灾变的内在原因。     

动静荷载联合作用下冲击地压巷道破坏机制大型地质力学模型试验研究

采用静载模拟巷道初始地应力场,TNT爆炸模拟冲击地压,利用大型地质力学模型试验机对巷道在动、静荷载联合作用下的响应规律进行研究.试验中施加了相当于相似材料单轴抗压强度的最大静压力,荷载侧压比为1/3.在模型内部相同位置依次施加10,15和20 g TNT动荷载,在最后一次爆炸荷载作用下,洞室出现抛掷型冲击地压破坏现象.试验结果表明:巷道冲击地压灾害是动、静荷载联合作用的结果;在冲击瞬间作用下,冲击荷载与已存在静荷载叠加,使得巷道围岩压力迅速增加,叠加后作用力大于围岩承载能力时,引发围岩冲击破坏;围岩产生的冲击变形与巷道开挖后产生的初始变形叠加,形变超出围岩的变形能力时,洞壁首先发生破坏.围岩变形和冲击破坏范围与冲击力的大小及地应力水平相关性显著.     

深井富水工作面“动—静”应力效应诱发冲击地压机理研究

冲击地压的发生是一个多因素诱发的结果。以郓城煤矿1301工作面为工程背景,研究"动—静"应力效应诱发的("动"指工作面回采时,上覆岩层运动对前方煤体施加超前支承压力及扰动;"静"指水仓突水后,煤层上方相当于开采一个解放层,突水区域上覆岩层部分应力向周边转移,使突水区域周边的静应力升高)新型冲击地压发生的机理,本文采用采用理论分析、现场监测、工程试验、数值模拟等方法研究了冲击地压发生的应力来源、突水造成的煤体岩性改变特征、工作面回采的动态影响等,得出以下结论:(1)突水打破了原岩应力平衡,使其周边煤体静应力升高,这是冲击地压发生的静应力来源。(2)煤体浸水30天,使煤体的强度大幅降低,使其在同等应力作用下增大了"蠕变"冲击发生的风险。(3)1301工作面回采,超前支承压力是发生冲击地压的动应力来源;超前支承压力与高静应力叠加,增大了应力的集中程度,再加上上覆岩层对高应力集中区的动态扰动,使冲击地压发生的风险进一步加大。该方法对于富水工作面的防冲评价具有重要的参考意义。     

非均匀围压下矿井断层冲击地压的突变理论分析

 按Mises 增量理论,将提出的均匀围压下矿井断层冲击地压的突变理论分析推广到非均匀围压下的断层冲击地压分析,得到非均匀围压下的断层失稳半错距和弹性能释放量表达式。对由于断层失稳导致围岩产生的荷载、位移效应进行了分析。     

基于覆岩理论的综采面双回撤通道冲击机理研究

以鄂尔多斯某矿综采面末采段过双回撤通道为背景,通过现场实测、数值模拟和理论分析等方法,基于覆岩理论对综采面双回撤通道的冲击机理进行研究。现场实测及数值模拟结果表明,采用双巷回撤方案的的综采面末采阶段主回撤巷与工作面之间的煤柱将承载较高的集中应力,当承载能力达到极限时煤柱冲击危险性最高;根据理论分析结果,综采面双回撤通道冲击机理为“DLZ”及其承载的“SLZ”范围内的高位岩层将传递较高的静态支承压力,达到了回撤巷煤柱发生冲击危险的应力条件,理论分析与模拟、现场研究结果较为吻合。综采面双回撤通道冲击地压控制机理为:确定合理的卸压参数,通过施工大直径钻孔释放煤体积聚能量,补强锚杆支护密度以减少围岩结构破坏程度,同时加强危险区域的监测预警,确保巷道围岩处于“低应力、强支护”状态。     

深埋硬岩矿床岩爆控制研究

冬瓜山铜矿是我国开采的首家有岩爆倾向的深埋硬岩金属矿山，对此开展了岩爆控制研究。应用该矿床典型岩石的变形全过程试验及峰值荷载变形条件下的松弛试验等室内试验结果和现场岩爆调查资料，分析了该矿矿岩的岩爆倾向性和井巷岩爆特性，从岩爆控制角度，采用数值分析方法以能量释放率为衡量指标，对采场结构参数、开采步骤等进行了优化。在此基础上，提出该矿床开采采用控制能量释放、减少能量储存、合理支护和进行岩爆监测等岩爆控制的原则和措施。     

基于静力学理论的地下工程岩爆机制研究综述

基于静力学理论,从强度理论、能量理论、失稳理论等8个方面对地下工程岩爆形成机制进行了研究,比较全面地对岩爆机制进行了具体的阐述,对取得的最新研究成果进行了介绍,最后,对岩爆形成机制各理论观点进行了综合评价,提出了一些建议和意见。     

静荷载理论在岩爆研究中的局限性及岩爆岩石动力学机理的初步分析

对围岩切应力与单轴抗压强度的比值、岩爆事件的空间分布、TBM掘进隧道的围岩稳定及超深井井壁稳定等问题的分析表明，静荷载理论在岩爆研究中的局限性是明显的。对于钻爆法开挖的硬岩隧道，岩爆应该是处于非均匀应力状态的围岩在爆炸加载波、卸载应力波及岩爆应力波多次扰动的情况下，裂纹发生大规模瞬时动力扩展的结果，这可以概括为岩爆的岩石动力学机理。卸载扰动在已开挖围岩表面附近将产生P波、S波和Rayleigh波，对围岩扰动最大的是P波和Rayleigh波。P波和Rayleigh波的性质、分布及衰减规律可以较好地解释地应力量级对岩爆的控制及岩爆事件的空间分布等。     

基于LSTM多变种模型的岩爆微震参数预测研究

岩爆是深地工程和深部资源开采中必须要解决的核心问题之一。基于改进的LSTM神经网络,提出了用于时间序列预测的LSTM微震多参数预测模型,包括单变量时序预测模型和多元平行序列预测模型。并以峨汉高速大峡谷隧道微震监测数据对模型进行验证,同时与多项式回归方法结果进行对比分析。结果表明:单变量预测模型中堆叠式LSTM(S-LSTM)的预测精度最高;多变量预测模型中卷积LSTM(CNN-LSTM)对累积视体积和能量指数具有最好的预测效果,且余下几种LSTM模型仍可准确实现各参数演化趋势的预测,其精度均优于多项式回归分析方法。研究可为正确识别岩爆当前活动及未来状态的危险性提供理论支撑,为及时掌握岩爆未来活动状态提供重要依据。     

华丰煤矿煤柱冲击地压发生规律及防治

煤矿冲击地压是世界采煤国家面临的共同难题，介绍了华丰煤矿煤岩体的地质条件和历年冲击地压的发生情况，描述了华丰煤矿发生的几次煤柱冲击地压的过程，分析了冲击原因和冲击特征，提出了在巷道掘进期间和工作面回采期间防治煤柱冲击地压的措施，并在现场应用中取得了较好的效果。