均匀围压下圆形巷道开挖孕冲能量分析

为了探讨巷道发生冲击矿压的能量机制,对巷道开挖及形成支护结构后煤体内的能量变化进行了研究.基于弹性理论,分析了均匀围压下圆形巷道松动区、弹性区及原岩应力区的能量积聚、释放及转移情况,探讨了巷道冲击的内在机制和远场震源的扰动影响,提出了巷道冲击的状态方程和能量判据.研究结果表明：均匀围压下圆形巷道开挖后随着松动区半径的增大,弹性区煤体始终在吸收能量;巷道松动区煤体塑性变形和破坏是巷道冲击的内在机制,远场震源起扰动作用.结合研究冲击状态方程和能量判据提出了巷道远、中、近的立体防冲体系并在现场得到了运用.     

矿震诱发巷道冲击地压力学机制及判别准则研究

针对目前矿震诱发巷道冲击地压机制不清晰、理论研究不完善的问题,建立圆形巷道弹塑性软化力学模型,基于巷道围岩软化区能量和矿震波能量,提出矿震诱发巷道冲击地压的软化区能量极值判别准则。将软化区外边界矿震波能量与临界软化区能量之比定义为统一能量指数,并作为矿震能否诱发巷道冲击地压的判别依据,当统一能量指数小于等于1时,表明没有多余能量推动软化区煤体冲向巷道内,即矿震不会诱发巷道冲击地压;当统一能量指数大于1时,表明有多余能量迫使软化区煤体冲向巷道内,即会诱发巷道冲击地压。冲击地压发生时,用巷道快速收缩位移表征冲击地压破坏程度,且巷道快速收缩位移随着围岩临界软化区能量呈指数下降,随着软化区外边界矿震波能量呈线性上升。通过相似模拟试验和数值模拟,验证了理论分析的合理性和正确性。     

动力挠动对回采巷道冲击危险的数值模拟

煤矿开采过程中,顶板断裂等动力挠动常会导致冲击矿压等动力现象的发生.根据弹性力学理论,探讨了扰动波诱发煤层巷道冲击的机理.采用有限差分软件FLAC20模拟程序中动态模块,研究分析了挠动波在不同加载水平、挠动波强度以及频率影响下,从巷道一侧上方传入时内、外帮围岩的应力和塑性区动态响应变化情况,对开采工作面巷道内帮易发生冲击的现象进行了分析和解释.研究表明:动力扰动不仅使巷道周边煤体发生层裂破坏降低其侧向约束阻力,而且在煤体中形成了高应力.处于工作面支承压力带内的巷道内帮煤体,相比外帮而言,受到动力挠动时其最大垂直和水平应力上升较快,开采过程中更易发生冲击.     

煤矿冲击地压巷道三级支护理论与技术

建立了冲击地压巷道"应力-围岩-支护"力学模型,得到了考虑巷道支护作用下冲击地压启动应力条件为远场应力大于临界应力,停止的能量条件为近场围岩吸收能量和支护吸收能量大于远场释放能量。基于巷道围岩与支护体动力响应分析发现,冲击地压发生过程中围岩阻尼特性、锚固岩体的抗冲击吸能特性及巷内支护体的阻尼及刚度对冲击载荷作用下巷道围岩的稳定性具有重要影响。提出巷道冲击地压防冲支护应从静-动力学两个角度,同时考虑"启动—破坏—停止"全过程。①在冲击启动前,依据冲击启动的应力条件降低煤体应力,减少弹性能积聚,提高支护阻力,增加启动难度;②依据冲击停止的能量条件,在冲击过程中,通过改变煤岩体结构与介质属性,吸收或消耗冲击能;③在冲击应力波传播的末端,通过提高巷内支护结构阻尼吸收剩余冲击能,减弱冲击应力波对巷道支护结构的破坏。提出冲击地压巷道支护结构应具有让压可缩与吸能特性,防冲支护应根据冲击地压能量特性进行分级设计。研发了吸能锚杆索、吸能O型棚、吸能液压支架等吸能支护装备,利用吸能构件的结合及功能互补特性建立了三级吸能支护体系,三级吸能支护系统具有径向让位、环向可缩以及轴向稳定特性,实现了冲击地压巷道三维立体吸能支护。     

煤矿褶皱构造区冲击矿压震源机制

为实现对褶皱构造区冲击矿压震源机制的有效分析,基于震源机制矩张量反演方法,在优化震动波远场位移及破裂面产状求解方法的基础上,对甘肃华亭矿区砚北煤矿250204工作面回采期间冲击矿压震源破裂类型、破裂面产状及视应力等地震学参量进行系统分析,揭示了砚北煤矿褶皱构造区冲击矿压震源机制。研究结果表明:工作面回采扰动影响下,褶皱构造区冲击矿压震源破裂类型以拉张破裂为主,其矩张量以非双力偶部分占主导,表现为水平挤压构造应力、超前支承压力共同作用下煤岩体的应力释放;震源破裂面产状有明显分化趋势,小倾角(35°)震源破裂面走向多垂直工作面推进方向,而大倾角(35°)震源破裂面走向多平行于工作面推进方向且倾向实体煤一侧;褶皱构造区冲击矿压震源辐射能量和地震矩基本分布在一包络线内,随震源辐射能量增大,其地震矩大小分布更加集中;通过震源视应力计算,得到了回采扰动下工作面及其周边应力演化情况,与冲击矿压震源时空分布及巷道冲击显现结果基本吻合。     

深部巷道群高静载低扰动冲击矿压发生机制及防治技术

针对深部巷道群高静载低扰动下突发性冲击矿压的难题,以某煤矿一盘区大巷为工程背景,通过力学分析和数值模拟研究了深部巷道群高静载低扰动诱发冲击矿压的发生机制。结果表明：大巷之间相互影响,导致巷道间煤柱区域应力叠加,高能量积聚在巷道顶底板内;巷道围岩蠕变使得围岩的长期强度降低,引起诱发冲击矿压的临界应力值降低,进而高静载水平下较小的动载扰动即可使叠加应力达到岩体承载极限,在能量达到岩体破坏的最小所需能量时,岩石产生自发性破坏,破坏后巷道围岩系统中的弹性余能转化为动能,造成巷道群冲击矿压发生。根据一盘区巷道群应力和能量分布区域和集中程度,采用大直径钻孔卸压和爆破卸压措施后,降低了应力和能量集中水平,卸压效果明显。     

震源扰动型巷道冲击矿压破坏力能准则及实践

针对震源扰动型巷道冲击矿压破坏机理进行研究,建立了巷道围岩冲击震源扰动型冲击破坏的动力分析模型,推导了巷道围岩承载结构在“静载+动载”组合作用下动力破坏的应力判据和能量准则。基于该力学模型及其机理分析,提出合理设置弱结构消波吸能的防冲理念,并从理论角度分析了弱结构消波吸能的作用机理。最后通过工程实例,应用能量准则进行了冲击煤层巷道的支护设计及其防冲性能核算,理论研究成果初步得到了应用和检验。     

坚硬顶板回采巷道冲击地压的卸载滑脱机制

冲击地压严重威胁煤炭安全高效开采,研究冲击地压发生机制具有重要意义.首先对矿井回采巷道冲击地压显现特征进行了归纳和总结,认为坚硬顶板和坚硬煤体是回采巷道发生冲击地压的关键地质特征,水平应力是冲击地压力源,巷帮煤体滑脱是回采巷道冲击的破坏特征.基于弹性地基理论,分析了坚硬顶板条件下回采工作面前方和临空侧顶板向上挠曲、导致...     

深部开采沿空巷道冲击危险性的工程判据研究

为研究深部开采沿空巷道冲击地压的发生条件,以沿空巷道应力场分布为切入点,建立了相应的工程力学模型,分析得到沿空巷道围岩高应力区附近的高应力差区是发生冲击地压的主要区域。以高应力差区的煤体为研究对象,分析得到了沿空巷道冲击地压发生的应力条件、应力梯度条件及煤体的冲击倾向性条件,并推导了冲击危险性的工程判据。结果表明：决定冲击地压危险性的关键因素是高应力差区域的应力峰值、应力差值、应力梯度和煤岩体强度以及冲击倾向性;通过调整沿空巷道实体煤巷帮与高应力峰值位置的间距,合理布置沿空巷道位置,可以有效控制沿空巷道的冲击地压灾害。     

考虑塑性区强度参数劣化的圆形巷道冲击地压临界条件研究

针对大量冲击地压事故发生于巷道的实际情况,综合考虑开挖面空间效应、中间主应力效应、塑性区剪胀特性、塑性区强度和变形参数的变化5个影响因素,得到了巷道围岩应力与位移分布规律,基于统一强度理论和塑性软化本构模型,应用扰动响应判别准则,建立圆形断面巷道冲击地压发生的临界条件,结合试验模拟验证分析,结果表明:巷道冲击地压的临界条件与围岩支护方式、初始强度参数及塑性区强度参数的变化密切相关;临界塑性半径、临界载荷均随支护力的增大而单调增加;在开挖面附近,虚拟支护力较大,巷道围岩以发生弹性变形为主,发生冲击地压概率较低,只有在距开挖面一定距离位置处,虚拟支护力逐渐降低,巷道围岩出现塑性区,且塑性区达到一定值时,冲击地压才具有发生的可能性;临界塑性半径随初始黏聚力增大而降低,临界载荷随初始黏聚力增大而增加;当塑性区黏聚力劣化较快时,容易发生冲击地压。     

构造应力场煤巷掘进冲击地压能量分区演化机制

在新建深部矿井,原岩应力区煤巷掘进冲击地压问题日益突出,且现场破坏具有区间性和方位性特征,为揭示这一机制,针对深部构造应力场条件下的煤层掘巷,基于数值模拟和理论分析研究,建立不同掘进速度下围岩弹性能空间分区演化模型,划定能量非稳态释放边界,分析其分布形态与能量特征,结论与现场实际破坏情况较为吻合。研究结果表明:依据弹性能所处状态及变化特征的不同,构造应力场煤巷掘进围岩在空间上可划分为6类区间,顶底板内同时分布能量积聚区和释放区,而巷帮仅存在能量释放区,这与最大主应力的做功特征密切相关。掘进速度增大时,围岩弹性能释放区的走向范围将同时向两端扩展,非稳态释能边界沿走向不断拉长,具有冲击风险的范围不断扩大。构造应力场中,巷帮潜在冲击启动区位于工作面附近,其冲击发生必要条件包括高原岩应力和快速掘进。巷帮和工作面潜在冲击启动区均位于围岩浅部。由于滞后区顶底板能量非稳态释放前积聚水平更高,加上顶板和帮部支护作用,导致底板滞后区冲击破坏强度要大于工作面附近顶底板和巷帮冲击破坏强度。研究结论与构造应力场现实冲击案例较为吻合,对构造应力场煤巷掘进冲击地压监测预警及解危方法的研究具有参考意义。     

煤矿冲击地压与冒顶复合灾害研究

随着煤矿向深部发展,矿井动力灾害既表现出冲击地压的部分特征,又表现出冒顶的部分特征。2种典型的灾害打破以往冒顶与冲击地压的发生具有一种互为逆向性的认知规律,在深部高应力煤巷,特别是留顶煤巷道中出现了相互诱导、复合发生的新灾害类型。在总结山东、山西和新疆矿区典型巷道冲击致顶板(顶煤)动力灾害特征的基础上,提出了深部巷道冲击地压与冒顶复合灾害的概念、机理与分类,指出复合灾害机理关键点在于揭示巷道整体系统和破碎区子系统的稳定原理及其2者间的相互影响。建立了巷道发生复合灾害的力学模型,根据扰动响应失稳判据,提出并得到了巷道发生复合灾害的临界应力Pcr、临界软化区半径ρ_cr和最大容许采扰应力增量σ_max,厘清了灾害发生的主控因素,分析了煤岩冲击倾向指数K、支护强度ps、巷道半径ρ₀、煤岩强度σ_c等对灾害发生的影响规律,同时阐明了围岩塑性软化、破碎深度随地应力增加的发育规律。研究结果表明,破碎发育巷道的动力失稳主体为弹性区、软化区与破碎区构成的不稳定系统,垮落主体为破碎区;稳定的破碎区提升了巷道冲击启动临界值,使其启动难度增大,但破碎区的发育又易引起顶煤垮落;巷道稳定支护是解决复合灾害的关键,科学合理支护既能有效调控围岩破碎防冒,又能提升冲击启动临界值。通过理论研究,揭示了巷道冲击地压与冒顶复合灾害的发生机理,阐明了巷道软化与破碎区及其稳控支护对深部破碎发育巷道动力灾害防治的重要性。     

错层位外错式沿空掘巷机理及相邻巷道的立体化联合支护技术

针对特厚煤层中应用错层位外错式沿空掘巷与相邻巷道的立体化联合支护机理展开研究。首先理论分析了错层位外错式沿空掘巷布置特点,发现:① 沿煤层顶板及起坡下方的三角煤体保持稳定且对实体煤提供侧向支承应力σx作用,因此一侧采空情况下实体煤从上至下出现了新的变化,即侧向支承应力从0增加至σx;② 依据巷道布置层位与侧向支承应力的不同,将特厚煤层从上至下进行了分区,分别为一侧采空实体煤分区、过渡区与弹性区;③ 布置接续工作面沿空掘巷时,其围岩处于弹性状态,巷道顶部属于一侧采空实体煤内的破碎区、塑性区,因此承载小,也即实现了围岩稳定与载荷低二者之间的统一。利用相邻两条巷道高、低不同这一立体化空间关系,提出相邻巷道的立体化联合支护技术,分析其特点包括:① 沿煤层顶板布置巷道,主动支护可打入深部稳定岩层内;② 通过加强一侧采空实体煤内的加固作用,为相邻沿煤层底板巷道提供锚固点;③ 底板沿空掘巷顶部支护体可深入顶板岩层、联合锚固区与过渡区,可实现全长锚固以更加充分发挥支护作用。为了验证前述理论成果,采用数值模拟进行计算分析,发现:① 采用错层位外错式沿空掘巷技术,显著改善了沿空巷道围岩性质与应力分布现状,实现了低应力与围岩稳定二者的统一,且验证了前述对错层位外错式沿空掘巷特厚煤层纵向分区的成果;② 零原岩应力场条件下联合支护效果较为明显,沿顶巷道顶板锚索深入基本顶段、巷帮一侧锚固段、沿底巷道顶板锚索深入岩层内与联合锚固区均出现应力集中作用,显著改善了沿底巷道单巷支护受顶煤厚度限制无法形成有效锚固点的现状;③ 在对实际工程背景的数值计算发现,与沿底巷道围岩大范围破坏且无法控制相比,采用错层位外错式沿空掘巷相邻巷道联合支护技术可显著控制沿空巷道围岩破坏范围。     

巷道冲击矿压的锚杆支护机理及实践

煤体破坏失稳而发生冲击矿压的巷道，采用锚固技术，能够增加锚固围岩的力学性质，改善锚固围岩的应力状态，防止基本顶的离层，充分调动和增加围岩的自承性能，减少顶板的下沉量和下沉速度，降低顶板突然下沉的可能性，增加夹持煤体释放能量的难度。     

均质圆形巷道蝶型冲击地压发生机理及其判定准则

从均质圆形巷道围岩塑性破坏区的产生、发展和爆炸式破坏的力学机制入手,揭示了巷道蝶型冲击地压的发生机理:在一定的应力和围岩环境中,由于触发事件的诱导作用,使巷道区域应力场突然发生某种改变,导致围岩蝶形塑性区瞬间出现急剧、跳跃式扩展,并以震动、声响和煤岩体抛出的形式释放存储于体内和围岩系统中的大量弹性能,出现爆炸式破坏的动力现象。巷道蝶型冲击地压理论阐明了冲击地压的发生条件,给出了"蝶型冲击三准则",为巷道冲击地压的预测、预报及其防治提供了新的思路。     

非静水压力条件下巷道围岩偏应力场分布特征与围岩破坏规律

通过理论分析对受三向应力非静水压力条件下的巷道围岩偏应力场与应变能密度分布规律进行了深入研究,以此来探究巷道围岩破坏规律,巷道塑性区数值模拟结果与现场工程实例验证了理论结果的正确性。研究结果表明:①非静水压力条件下,不同的主导型应力场中,巷道围岩偏应力场分布规律差异较为明显。σ_x主导型应力场中,巷道顶底板偏应力大于两帮;σ_y主导型应力场中,巷道顶底板与两帮偏应力大小差别不大;σ_z主导型应力场中,巷道两帮处的偏应力大于顶底板。主导应力值的变化会引起巷道围岩偏应力分布数值上的变化,不引起偏应力分布形态的改变。②等p、等q时,在σ_x与σ_y主导型应力场中,巷道顶底板应变能密度大于两帮,而在σ_z主导型应力场中,巷道两帮应变能密度大于顶底板。等p、不等q情况下,3种主导型应力场中,巷道顶底板与两帮应变能密度均随偏应力比M的增大而增大;等q、不等p情况下,巷道顶底板与两帮应变能密度均随偏应力比M的减小而增大。③三向应力状态下,巷道围岩应变能密度分布规律可以反映塑性区形态。M<1时,任意主导型应力场中,巷道围岩应变能密度呈椭圆形分布,M>1时,巷道围岩应变能密度呈“8”字形或“X”形分布。处于σ_x主导型应力场中的巷道需注重巷道顶底板的支护;对于σ_y主导型应力场,巷道在围岩条件较差时,应注重全断面支护;对于σ_z主导型应力场,需注意围岩塑性区出现“X”形扩展。④回坡底1021巷围岩偏应力场与应变能密度均呈倾斜的“8”字形分布,工程现场与巷道围岩偏应力场及应变能密度分布规律相互验证。基于理论分析结果,对回坡底1021巷提出非对称性支护技术,现场应用效果良好。     

采动诱冲动能估算及冲击危险性评价

能量积聚与释放作为煤矿冲击地压发生的基本力学机制,成为近些年来学术界与工程界关注的热点之一。如何突破传统的以应力-应变曲线为基础的形变能诱灾机理现状,探讨动能驱动诱冲机理是科学解答冲击地压的瓶颈。根据回采工作面开采所引起的支承分布压力变化,基于开采扰动原理,推导了因采动导致煤体内产生动能计算方法,得到了不同深度、不同塑性区宽度、不同推进度与所产生动能之间关系,提出了冲击危险性动能评估指标。研究表明,工作面超前支承压力集中区产生的高变形能的释放是煤体破坏的必要条件,而支承压力变化促使变形能释放转化形成的动能是驱动煤体动力破坏失稳的充分条件;通过对开采进尺小于和大于塑性区宽度时支承压力变化所引起动能计算发现,当开采进尺大于0.8倍的塑性区宽度时将开始产生动能;当开采进尺一定时,塑性区宽度越大,产生的动能就越小,因此松动爆破、大直径卸压钻孔等手段增大塑性区宽度有利于动能的降低;若开采进尺越大,则产生动能就越高,因此,降低推采速度减少进尺有利于降低产生的动能,基于获得的开采进尺与动能量级的关系,可以定量给出满足防冲要求的安全开采进尺,这为解答如何确定不同冲击地压煤层容许进尺提供了定量方法;根据单位体积煤体所承受动能与单位体积煤体所能够贮存的弹性能的比值,定义冲击危险性动能评估指标,强调动能驱动机制,这将更有利于判断冲击危险性程度。     

断层破碎带煤巷锚杆支护技术及应用

分析了断层破碎带煤巷围岩变形破坏的原因,并提出了高强高预紧力锚杆支护、大延伸率锚杆支护、锚索加强支护等断层破碎带煤巷围岩控制技术。采用该支护技术在2401工作面回采巷道进行了工业性试验,取得了较好的围岩控制效果。     

软岩巷道弹性恢复变形计算研究

分析了弹性恢复变形机理,采取弹性力学中均匀压力作用下厚壁圆筒的位移计算方法得出弹性恢复变形量计算方程,结合典型软岩工程——龙口海域巷道实际地质资料,计算了首采面运输巷开挖后,无支护条件下因围岩应力峰值点转移引起的弹性恢复变形量。     

软岩巷道二次支护时机研究

为了准确地确定二次支护时机，基于软岩巷道工程支护原理，分析了软岩巷道支护过程中围岩应力与强度调整过程，结合软岩巷道流变数学力学模型，并以弹性区、塑性区、破裂区的力学行为与岩石全应力－应变的对应关系作为基础，最终确定了二次支护最佳时间的理论公式。分析了二次支护最佳时间的影响因素及规律，并将二次支护时机理论公式应用于工程实践。结果表明，按照该理论公式设计二次支护时机能够较好地控制巷道围岩的稳定性。