充填弱化坚硬覆岩冲击地压灾害机制研究

坚硬覆岩作为诱发冲击地压的主要因素之一,已经严重威胁煤矿安全高效开采。通过分析坚硬覆岩条件下冲击地压灾害的灾变过程及诱冲关键层能量的关键控制因素,给出诱冲关键层的判定方法,提出利用采空区充填和离层注浆充填弱化诱冲关键层致灾能量的思路,以2个典型煤矿坚硬覆岩下工作面采矿地质条件为背景,研究不同充填条件下诱冲关键层变形规律及致灾能量演化规律,揭示充填弱化坚硬覆岩致灾能量作用机制并给出相应的工程设计方法,最后通过现场实测分析进行验证。研究结果表明,坚硬覆岩形成的诱冲关键层变形产生的能量积聚、释放和传递是诱发冲击地压灾害的关键,采空区充填和离层注浆充填能够有效控制诱冲关键层变形,降低致灾能量的积聚程度和释放速度,同时,充填体可吸收部分能量并降低致灾能量的传递效率,进而实现弱化坚硬覆岩诱发冲击地压灾害危险性的目的。     

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。     

构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道冲击地压机制研究

 冲击地压是煤矿开采中因采动或动载诱发煤岩体变形能剧烈释放,并伴随地下采掘空间煤岩体突然、急剧和猛烈破坏的现象。随着煤矿开采深度和开采强度的持续增加,地下开采面临的构造地质条件日趋复杂,我国越来越多的煤矿开始出现冲击地压现象,破坏性冲击地压频繁发生且日益严重。冲击地压的孕育和显现是构造特征和地层特征在采掘动态平衡过程中能量稳定态积聚及非稳定态释放的结果,是煤岩体性质、地质特征和开采技术条件的综合反映,同时该问题具有明显的时空演化特征。 义马矿区是冲击地压的高发矿区,且冲击地压多发生在回采巷道,巷道冲击地压的本质是巷道围岩在高应力作用下的突然失稳、变形和破坏。向斜构造应力、断层构造应力、上覆巨厚砾岩局部离层断裂垮落造成巷道的非均匀应力和开采扰动是义马矿区回采巷道冲击地压发生的主要影响因素。运用现场调研、相似模拟试验、数值计算和现场工业性试验相结合的方法,深入研究构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道冲击地压机制及防治技术。主要工作与创新点如下： (1) 针对义马矿区11个典型工作面发生的89次冲击事件进行统计分析,得出了义马矿区冲击地压以回采巷道冲击地压为主,冲击引起的回采巷道变形破坏以底鼓为主。 (2) 设计了具有义马矿区向斜、断层和巨厚砾岩地质特征的相似模拟试验,并采用数字散斑全位移场监测、应力场监测和能量场监测,研究了采动影响下距工作面不同距离和距断层不同距离回采巷道围岩冲击特性及失稳变形破坏特点,并分析了巨厚砾岩离层断裂时巷道围岩变化规律和断层滑移活化时巷道围岩变化规律。 (3) 建立了具有向斜、断层和巨厚砾岩特征的数值模型,研究了采动影响向斜作用下巷道围岩冲击特性(巷道围岩的应力场、能量场、位移场和塑性区(三场一区)是巷道围岩冲击特性的表现形式),对比分析了向斜轴部和翼部回采巷道围岩冲击特性异同;研究了采动影响断层作用下巷道围岩冲击特性,对比分析了断层下盘和上盘回采巷道围岩冲击特性异同;研究了采动影响巨厚砾岩作用下回采巷道围岩冲击特性,从不同砾岩厚度条件下对比分析回采巷道围岩冲击特性;研究了采动影响构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道围岩冲击特性,对同时间不同地点距工作面不同距离回采巷道围岩冲击特性、同地点不同时间距工作面不同距离回采巷道围岩冲击特性和距断层不同距离回采巷道围岩冲击特性分别进行详细分析。 (4) 提出了构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道冲击地压机制、义马矿区回采巷道冲击地压综合防治体系和具体防治措施,并对回采巷道强力柔性支护体系、U型钢联合支护体系和锚杆支护体系进行评价总结,依据应用实践得到的回采巷道冲击地压前兆规律,得出强力柔性支护体系在防冲巷道支护中对巷道围岩应力场、能量场和位移场的关键控制作用明显优于U型钢联合支护体系和锚杆支护体系,且可以很好地适应并控制巷道围岩变形,对构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道冲击地压防治起到积极且显著的作用。     

非坚硬顶板条件下高强度开采采动诱发冲击地压机理初探

即使是非坚硬顶板条件，当开采强度加大时，也将发生冲击地压灾害。针对厚及特厚煤层综采放顶煤、大采高综采等高强度开采条件，立足于由顶板岩层-煤层-底板岩层所组成的力学系统，通过数值模拟研究，研究采动应力场的时空演化过程对采掘空间受力、变形及破坏的影响及远场应力与近场应力的相互影响及诱发冲击地压的条件，弄清煤岩层垮断、采动应力场的时空演化规律，揭示非坚硬顶板条件下高强度开采采动诱发冲击地压及瓦斯灾害的机制。     

矿震诱发型冲击地压临场预警机制及应用研究

矿震诱发型冲击地压预警是世界性难题,通过多年的监测预警机制研究和现场实测发现,采场监测区域内应力突降是此类型冲击地压的典型前兆之一。结合关键岩层断裂特征与煤岩体应力变化关系,得出依据矿震发生前煤岩应力突变规律实现临场预警的机制:高位关键岩层拉伸断裂前后采场超前应力从单峰演化为双峰状态,在关键岩层断裂位置下方煤岩体内出现应力突降,数分钟后因岩梁断裂回转,其下方支承区域内岩体受强烈动载破坏而引发矿震。根据临场应力突降值和突降范围,判定矿震对采场的危害程度和影响范围,进而及时作出现场避灾处理,结合开采前预判关键层破断步距和开采过程中高精度微震追踪岩层破裂高度,判断矿震发生的区域,提高临场预警的时效性和准确性。本文揭示的现象和关键数据为临场预警矿震诱发型冲击地压提供了一种直观有效的方法。     

冲击地压机制的细观实验研究

在国内外现有研究成果的基础上，总结冲击地压发生特征，结合我国最新冲击地压案例，分析冲击地压的诱发因素。基于非平衡态热力学和耗散结构理论，阐述冲击地压孕育过程中“煤体-围岩”系统内能量集聚及耗散特征：同时，研究煤体细观结构参数及有机组分分布等因素与煤体冲击倾向性的内在关系。通过煤样断裂过程的细观实验，探讨煤岩体在采动等外界因素影响下内部微裂纹快速成核、贯通、扩展进而诱发煤体整体失稳的机制。     

巷道底板冲击地压诱发机理及影响因素

对巷道底板冲击地压诱发机理分析表明,水平应力是诱发底板冲击地压的最主要因素,并确定底板水平应力的计算方法。在对巷道底板岩层梁结构屈曲破断力学分析的基础上,建立了底板冲击地压诱发的判定准则。巷道有效宽度和底板岩层的分层厚度对底板岩层屈曲破断所需水平应力的影响较大,计算出最大水平应力作用下底板关键层以上各岩层屈曲破断的最大分层厚度。研究结果表明,巷道底板岩层层状特征较为明显且岩层分层厚度较小的区域易诱发底板冲击地压。     

微地震监测揭示的矿震诱发冲击地压机理研究

在对朝阳煤矿^#3201工作面进行冲击地压高精度微地震监测过程中,测到了到时靠后的震动波幅值反而较大的异常现象,并且当时井下震感强烈。针对这一异常现象,介绍了高精度微地震监测系统的现场测区布置及系统标定情况,通过对该异常波形数据进行分析研究及初步定位,发现定位结果较为离散,不符合定位精度的要求,从而否定了把记录的微震数据当作一个震源进行定位的基本假设,在此基础上提出了矿震诱发冲击地压的震动破坏机制假设,并对该假设进行了初步验证、初始震源与诱发震源的时间相关性验证、原位岩体实测波形验证等。最后结合矿山压力与岩层控制的理论和长期的微地震监测结果,发现诱发震源的位置正好处于采动应力场和构造应力场耦合下的高应力区,这就证明了矿震诱发冲击地压是通过初始震源的震动破坏机制实现的,并且被诱发的冲击地压震源处于各种耦合因素影响下的高应力区内。     

综放面覆岩运动诱发冲击矿压机制研究

 基于砌体梁理论提出综放面覆岩运动的双向发展模式,分析综放面冲击矿压的能量来源和力源,利用微震监测技术对综放面覆岩运动的矿震效应进行监测。结果表明：覆岩运动的矿震活动呈周期性,冲击发生前矿震能量持续增大,冲击发生时达最大值,之后产生突降;冲击发生前,矿震频次先增大后有一定程度减小,冲击发生在频次下降沿,之后急剧下降;平均标高能够反映覆岩运动的空间形态,冲击发生前,平均标高逐渐增大,冲击发生或临近发生时,达到最大值,之后产生突降;矿震活动周期内,矿震空间分布先逐渐向上层位发展,冲击发生前,矿震空间分布达到最大值,工作面近距离岩层矿震活动强烈。指出综放面冲击矿压主要发生在覆岩运动下发展过程,可通过覆岩运动上发展过程的监测预防冲击矿压。     

巨厚岩浆岩失稳的大孤岛工作面防冲研究

巨厚岩浆岩失稳导致的冲击地压灾害严重威胁着煤矿的安全生产。以王楼煤矿巨厚岩浆岩下孤岛工作面开采为工程背景,采用理论分析、数值模拟和现场实测等方法研究巨厚岩浆岩失稳的孤岛工作面防冲,得出如下主要结论:(1)巨厚岩浆岩失稳导致的孤岛工作面冲击地压类型为自发型和诱发型,自发型冲击机制为巨厚岩浆岩失稳导致自身及其上覆载荷层重力向下传递,使得被影响区域煤岩应力逐渐集聚到冲击的应力水平,诱发型冲击机制为巨厚岩浆岩断裂强动载使得被影响区域煤岩应力突跃至冲击的应力水平;(2)提出巨厚岩浆岩失稳的孤岛工作面整体失稳冲击判断准则,根据准则将王楼煤矿12310孤岛工作面设计成大宽度孤岛工作面开采可使其由整体失稳冲击向局部冲击转化,并得到了现场验证;(3)针对巨厚岩浆岩失稳时大孤岛工作面局部冲击类型提出了保持低应力的防治措施,微震、应力监测结果验证了措施的有效性。研究成果为巨厚坚硬岩层下工作面冲击地压灾害的防治提供了一种新方法。     

深井厚煤层冲击地压与大变形协调控制机制研究

冲击地压与大变形协调控制是深井厚煤层开采面临的共性难题。采用现场监测、理论分析等方法研究深井厚煤层冲击地压与大变形协调控制机制,建立沿空巷道侧向顶板二次破断的力学模型,并得到以下结论:(1)在新巨龙矿井条件下,施工直径120 mm、孔深25 m、间距1 m的大直径预卸压钻孔,形成的有效卸压保护带宽度为10~15 m;(2)深井厚煤层沿空巷道大变形的机制主要是强排煤粉诱发侧向顶板二次破断回转所致,并进行理论验证;(3)深井厚煤层冲击地压与大变形协调控制机制为确定合理的卸压参数,通过大直径钻孔释放围岩膨胀变形,降低巷道围岩应力,同时尽量减少对围岩结构的破坏。现场实践表明,采取优化支护工艺和卸压参数等措施,能够在一定程度上缓解沿空巷道大变形问题。研究结论对深井厚煤层冲击地压与大变形协调控制具有参考意义。     

深井突水诱发静压冲击机制研究

冲击地压发生的根源是围岩支承压力分布规律的改变,以郓城煤矿1301工作面为工程背景,为研究冲击区域受采动影响较小的情况下,冲击发生的根源,采用理论分析、现场检测、工程试验等方法研究水仓围岩应力的分布规律及岩性的改变,研究内容为:(1)新型冲击地压类型静压冲击,以及静压冲击发生的机制;(2)水仓围岩应力的分布规律;(3)通过煤岩体浸水试验揭示水仓周围煤岩体浸水一个月岩性发生的变化。从而揭示了郓城煤矿1301工作面1·8事故演化的过程:水仓煤柱失效,顶板由θ型结构向O型结构转变,水仓围岩应力重新分布,再加上煤岩体浸水导致煤岩体岩性特别是煤岩体的单轴抗压强度由原来的16.7MPa降低为10.63MPa,进而得出郓城煤矿1301工作面1·8事故发生的根源,该方法对于类似条件工作面的防冲具有重要的参考意义。     

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。     

覆岩关键层运动诱发冲击的规律研究

基于岩层运动关键层理论,研究了覆岩关键层破断规律,从力学机理上分析了覆岩关键层正"O-X"型破断时,矿山压力达到最大值,极易导致强矿震、冲击矿压的发生。利用微震监测系统,对关键层破断诱发冲击矿压进行定位分析,证明了高能量级别的矿震大多数发生在工作面推进过程中覆岩关键层处于正"O-X"型破断位置。研究表明由关键层运动破断诱发冲击矿压前后,微震事件的时空演化规律、前兆信息显著。研究结果为利用岩层运动理论与微震监测相结合的方法预测冲击矿压奠定了基础。     

强排煤粉防治冲击地压的机制与应用

 确定合理的技术参数是应用强排煤粉防治冲击地压的关键。采用室内实验、数值模拟等方法研究强排煤粉防治冲击地压的机制,建立钻孔间距、钻孔直径等强排煤粉技术参数的确定方法,提出冲击地压分区治理思路,并得到以下结论：(1) 强排煤粉的主要作用是“降模增变”和“耗能增阻”;(2) 防冲钻孔间距是钻孔直径、煤层厚度、增溢系数和安全增变量的函数,并与增溢系数、钻孔直径呈正相关,与煤层厚度、安全增变量呈负相关;(3) 冲击地压治理分为预卸压和解危2个阶段,强排煤粉应用于预卸压阶段时的主要作用是“降模增变”,应用于解危阶段时的主要作用是“耗能增阻”。将研究成果应用于新巨龙矿井1302工作面冲击地压防治,取得良好效果,避免冲击地压事故的发生。研究结果对深井冲击地压防治具有参考意义。     

基于微震监测关键层破断诱发冲击地压的物理相似材料模拟实验研究

为研究冲击倾向性顶板破断及其能量释放规律,采用物理模拟材料模拟实验,结合微震监测仪器、压力传感器,研究实体煤和采空区下回采工作面微震事件的分布特征及其与矿压分布规律之间的关系,分析矿压对煤岩体能量积聚与释放的影响,揭示关键层破断诱冲机制。研究表明:实体煤下微震事件主要发生在工作面前方顶板岩层中,微震事件能量释放值高于采空区下;采空区下微震事件主要发生在工作面后方顶板岩层中,微震事件发生的频次高于实体煤下回采。依据相似定理推导了能量相似比公式,定义物理相似材料模型中覆岩垮落发生大事件的能量值为333.33 J,发现大事件多发生在应力增高区"倒梯形"结构附近。随着工作面距离开切巷距离的缩短,微震事件能量积聚与释放周期随之减小。关键层破断诱发冲击地压时,主关键层积聚弹性能为冲击地压显现提供能量,冲击地压显现的位置一般处在受采动影响的应力增高区。为此,提出控制源头、降低应力集中、降低应力传导效率的控制策略,工程实践效果监测表明工作面顶板得到了有效控制,保障了安全生产。     

煤矿冲击地压技术研究与探讨

随着我国煤炭开采深度和开采量的增加,冲击地压发生的频率越来越高,灾害损失越来越严重。近年来,我国正在加大冲击地压技术的防治研究。论文将简述我国冲击地压治理现状,分析国内冲压防治的问题所在;并结合国外先进防治经验——波兰冲击地压防治管理,提出改善我国冲击地压防治的措施,以有效避免煤矿冲击地压,减少煤矿灾害。     

矩形断面巷道冲击地压机理研究

基于顶板剪切梁模型研究矩形巷道冲击地压发生问题,得到矩形断面巷道发生冲击地压的临界塑性软化区深度和临界载荷,分析巷道宽度、巷道高度或煤层厚度、顶板厚度等几何因素,以及煤层与顶板刚度比、煤的模量比、煤的强度参数、侧压力系数和水平应力分布指数等煤岩力学性质因素对临界条件的影响规律。结果表明:巷道顶板岩层以剪切变形破坏为主,当临界塑性区深度与临界载荷较小时,易于发生冲击地压,其发生频度较高,强度较小,破坏性较小;反之,冲击地压不易发生,其发生频度较低,一旦发生其强度会较大,破坏性较大。临界塑性区深度与巷道宽高比、初始黏聚力的大小无关,随顶板厚度、刚度比、模量比、水平应力分布指数的增加而增大,随煤层塑性软化刚度、内摩擦角、侧压力系数的增加而减小。临界载荷随巷道宽高比、煤层塑性软化刚度、水平应力分布指数的增加而降低,随顶板厚度、刚度比、模量比、初始黏聚力、内摩擦角、侧压力系数的增加而增大。     

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。(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。