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。     

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。     

特厚煤层掘进面围岩能量积聚特征及诱冲机制研究

以新疆硫磺沟煤矿特厚煤层掘进工作面为工程背景,采用现场调研、岩石力学试验和理论分析等方法,对特厚煤层掘进面围岩能量积聚特征及其诱冲机制进行了研究。研究认为：①根据硫磺沟煤矿9-15煤层与岩层的岩石力学试验结果,埋深在100~1000 m时,煤、岩层的能量密度与埋深成正比,煤层与岩层的能量密度比值为1.8~2.3,平均为2.1;②相同深度条件下特厚煤层掘进工作面围岩积聚弹性能远大于薄及中厚煤层,其积聚高弹性能的围岩结构是特厚煤层掘进面更容易发生冲击地压和冲击地压灾害更严重的原因之一;③掘进巷道影响范围内围岩积聚弹性能与煤层厚度和巷道半径成正比,且在同等巷道半径条件下,煤层厚度越大,巷道围岩积聚弹性能越大,当巷道半径为3.0 m时,围岩积聚的弹性能分别为巷道半径为2.5 m和2.0 m时围岩积聚弹性能的1.4倍和2.0倍;④提出的考虑煤层厚度和煤层冲击倾向性的冲击危险性评价方法比当前冲击危险性评价方法更加科学合理,评价结果也更符合现场实际情况。研究结果对特厚煤层掘进工作面冲击地压防治具有一定的借鉴意义。     

特厚煤层掘进面围岩能量积聚特征及诱冲机制研究

以新疆硫磺沟煤矿特厚煤层掘进工作面为工程背景,采用现场调研、岩石力学试验和理论分析等方法,对特厚煤层掘进面围岩能量积聚特征及其诱冲机制进行了研究。研究认为:①根据硫磺沟煤矿9-15煤层与岩层的岩石力学试验结果,埋深在100～1000 m时,煤、岩层的能量密度与埋深成正比,煤层与岩层的能量密度比值为1.8～2.3,平均为2.1;②相同深度条件下特厚煤层掘进工作面围岩积聚弹性能远大于薄及中厚煤层,其积聚高弹性能的围岩结构是特厚煤层掘进面更容易发生冲击地压和冲击地压灾害更严重的原因之一;③掘进巷道影响范围内围岩积聚弹性能与煤层厚度和巷道半径成正比,且在同等巷道半径条件下,煤层厚度越大,巷道围岩积聚弹性能越大,当巷道半径为3.0 m时,围岩积聚的弹性能分别为巷道半径为2.5m和2.0m时围岩积聚弹性能的1.4倍和2.0倍;④提出的考虑煤层厚度和煤层冲击倾向性的冲击危险性评价方法比当前冲击危险性评价方法更加科学合理,评价结果也更符合现场实际情况。研究结果对特厚煤层掘进工作面冲击地压防治具有一定的借鉴意义。     

巨厚坚硬岩浆岩床破裂运动诱发冲击地压机制研究

针对巨厚坚硬岩浆岩床下浅部煤层大面积采空后深部开采冲击地压频发的实际问题,采用理论分析、数值模拟、现场实测及工程实践等方法对岩浆岩床破裂运动诱发冲击地压机制进行研究。主要结论如下:(1)建立大面积采空区上坚硬岩浆岩顶板的三角悬臂梁理论模型,得到岩浆岩床应力及能量分布特征,推导出岩浆岩顶板破裂运动出现的判别准则,进而构建岩浆岩床破裂运动诱发冲击地压的力学模型;(2)将地表开裂与井下显现情况联合分析,认为坚硬岩浆岩床在浅部采空区上的大面积悬顶以及局部强侵入带构成了静态作用,岩浆岩床破裂及"回转"运动对煤层产生的挤压构成了动态作用,其中动态作用处于主导位置;(3)基于上述研究,分析矿井深部回采工作面微震分布特征,认为岩浆岩床破裂运动能够为冲击地压发生提供动、静载荷,是诱发冲击的关键因素;并从提高巷道围岩抗震能力以及使高能微震事件远离巷道两方面,提出底板深孔爆破和加强支护等治理措施。实践表明,通过采取措施,高能微震事件对巷道的破坏程度明显减弱,保障了岩浆岩床下深部煤层的安全高效开采。     

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。     

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。     

工程缺陷防控冲击地压机理及应用

在对冲击地压显现全面调研的基础上,分析了冲击地压的防控现状与发展趋势,提出了高应力与高能量冲击地压的工程缺陷防控方法。针对冲击地压煤层的工程特性,进行了缺陷的定义与分类,详尽地论述了工程缺陷对冲击地压防控的力学机制;分析了含有缺陷介质体的冲击危险煤层应力分布特征,并结合实例详细阐述了工程缺陷防控冲击地压的机理及具体应用情况,对缺陷体的能量释放范围和程度进行了数值模拟验证,在深部与强冲击能量区域冲击地压治理方面获得了一定的成效。     

“三硬”条件煤层压变区域失衡冲击理论及应用

冲击地压是一种矿山动力灾害,是煤矿井工开采领域的难题之一,“三硬”条件下的冲击现象更为复杂,是开采此条件煤层亟待解决的问题。本文利用相似模拟试验揭示了“三硬”条件煤层应力集中和分布规律,结合数值模拟分析了工作面前方能量积聚情况,总结了“三硬”条件冲击地压的特征及发生过程,提出压变区域失衡冲击理论。理论认为:采、掘活动引起采煤工作面周围应力重新分布和集中,继而煤层出现软化破坏区、硬化弹塑区和裂隙压密区。软化破坏区吸收硬化弹塑性区煤体破坏释放的能量。当硬化弹塑区单位时间内释放能量大于软化破坏区吸收能量时,压变转化动平衡遭到破坏继而发生冲击地压。在此理论的指导下提出以煤层卸压孔为主、顶底板卸压槽、爆破为辅的“三硬”条件冲击地压防治措施,在实际应用中取得显著效果。     

上保护层煤柱引发被保护层冲击机理研究

长城一矿和峻德煤矿所发生的由保护层煤柱引发冲击的案例表明,保护层煤柱影响范围内仍属高应力区,且工作面上方都存在坚硬的顶板。通过分析两起事故中被保护层煤体的赋存条件,探究发生此类冲击的影响因素。研究表明,典型的保护层煤柱诱发冲击主要有以下两种情况:(1)大采深小层间距下,以"高静应力为主,低动应力诱发"型冲击;(2)中等采深大层间距下,以"高动应力为主、低静应力诱发"型冲击。静力系由煤柱传递的应力和层间岩体的自重应力以及保护层采空区的残余支承压力组成,动力系主要是本煤层已开采工作面形成的侧向支承压力。建立了判断发生冲击地压的评估方法,为此类矿井的开采提供理论依据。并提出了工作面位置设计、合理布置巷道、预前卸压、加强监测的防治措施。     

“S”型覆岩空间结构煤柱导致冲击失稳的力学机制探讨

进入深部开采后,决定矿山压力显现程度的运动岩层在厚度和层面方向上已经超出传统的平面模型范围,所形成的覆岩空间结构的运动影响着采动应力场的分布,煤柱及其周围由于采动引起的应力重分布和应力集中是诱发煤柱冲击失稳的应力条件和根本原因。因此,通过分析覆岩空间结构的运动规律及其采动应力场分布,并以此探讨作用在残留煤柱的力源,是研究煤柱诱发冲击失稳机制的理论基础。以华丰煤矿六层煤残留煤柱为研究对象,通过研究四层煤开采形成的“S”型覆岩空间结构岩层运动特点和六层煤上覆岩层运动规律,分析作用在煤柱上的复合应力,探讨煤柱力源,通过应力计算和微地震监测分析煤柱及其周围的应力场的分布规律,研究煤柱导致动力失稳的应力条件和机制,研究结果表明,四层煤和六层煤开采形成的高应力是煤柱诱发动力失稳的应力条件,而煤柱及其周围形成的高应力差是动力失稳的根本诱因;基于煤柱应力分析,探讨高应力区煤柱卸压解危的措施。     

深井特厚煤层综放工作面断层活化规律研究

 以新巨龙公司2301N综放工作面过断层为工程背景,通过微震监测、数值模拟和理论分析等方法,对深井特厚煤层断层活化规律进行研究。得到的主要结论为：(1) 根据2301N工作面微震监测结果,将断层活化分为应力显现阶段(距断层274.8～214 m)、蓄能阶段(距断层214～84 m)和结构活化阶段(距断层84～0 m),并采用数值模拟进行了验证;(2) 工作面过断层期间存在断层活化型冲击和断层煤柱型冲击2类动力灾害,断层活化型冲击的机制主要是开采诱发断层两侧煤岩体积聚的构造应力释放,断层煤柱型冲击地压机制主要是工作面开采引起断层煤柱应力的高度集中;(3) 根据工作面过断层期间冲击地压发生机制,提出相应的防治技术,并进行现场验证,保障了工作面的安全开采。研究结果对类似条件下的工作面安全开采具有一定的借鉴意义。     

特厚煤层掘进工作面冲击地压综合监测预警技术研究

以近年来特厚煤层掘进工作面冲击地压事故为工程背景,通过事故现场勘查对其发生冲击地压的机理进行研究,提出了基于围岩动态结构演化的掘进工作面冲击地压事故分区:即迎头区、塑性圈动态演化区、塑性圈稳定区。通过研究各区域冲击地压发生机理和可监测特征,提出了采用"围岩震动、围岩应力动态、锚杆锚索支护力和煤体钻屑量"进行四位一体的监测预警特厚煤层掘进面冲击地压实时危险性的学术思想,并通过现场实践得出了工程上监测预警特厚煤层掘进工作面冲击危险性的方法和指标。将研究成果分别应用于陕西、河南等矿区特厚煤层工作面掘进期间的冲击地压监测预警,有效预警了掘进期间的冲击危险并及时采取了卸压解危措施,保证了工作面的安全开采。     

深部强冲击厚煤层开采上、下解放层卸压效果相似模拟试验研究

为了研究深部强冲击厚煤层开采上、下解放层的卸压效果,采用相似材料模拟试验的方法,通过监测解放层开采过程中及稳定后被解放层应力变化情况,分析应力变化规律,计算下解放层下部合理卸压角,确定了被解放层下平巷的合理位置;比较两次开采上解放层模拟试验的卸压程度,确定了上解放层工作面的合理位置;证明了开采下解放层后,被解放层上平巷附近区域仍是高应力集中区,易发生冲击地压,而开采上解放层后,该区应力明显减小,说明上解放层卸压效果明显;验证了井下发生大能量冲击地压之前,地表沉降出现"反弹"的异常现象。该研究为工作面开采设计提供理论指导,对防治冲击地压具有重要的现实意义。     

近距离强冲击倾向性煤层上行开采覆岩结构演化特征及其稳定性研究

针对近距离强冲击倾向性煤层上行复采覆岩结构演化特征与稳定性问题,以宽沟煤矿B4-1强冲击倾向性煤层复采为背景,建立强冲击倾向性煤层上部倒梯形覆岩结构与冲击发生临界位置的关键层结构力学模型,提出煤柱最小安全距离的分析方法。采用物理材料相似模拟与数值模拟相结合的方法,运用压力传感器与SOS微震监测系统,对覆岩结构演化、矿压显现以及震源分布特征展开分析,利用覆岩结构的稳定性分析对冲击危险性进行评估。结果表明:B4-1强冲击倾向性煤层上行复采过程中,上部覆岩呈现以关键层为分界的"双倒梯形体"结构与关键层上部岩层集中垮断后的"单倒梯形体"结构动态式演变过程;余煤尺寸较小时上部倒梯形覆岩结构震源集中、能量大,采空区活化区域震源分散、能量小。提出了余煤复采中倒梯形覆岩结构稳定性分析的冲击地压危险性指数I_m、冲击临界位置关键层受力分析的冲击地压危险性指数I_n,定量化分析冲击危险性指数变化趋势,将B4-1煤层复采划分为覆岩相对稳定区、周期性明显破坏区、冲击危险区域3部分。数值模拟分析底板应力验证了双峰值应力叠加效应的准确性。采用三种方法综合分析得到了为确保近距离强冲击倾向性B4-1煤层上行开采的煤柱剩余尺寸为39.2m。研究结果为近距离强冲击倾向性煤层上行开采覆岩结构稳定性研究提供了科学指导。     

Effects of torpedo blasting on rockburst prevention during deep coal seam mining in the Upper Silesian Coal Basin

In the Upper Silesian Coal Basin(USCB),coal seams are exploited under progressively more difficult geological and mining conditions(greater depth,higher horizontal stress,more frequent occurrence of competent rock layers,etc.).Mining depth,dislocations and mining remnants in coal seams are the most important factors responsible for the occurrence of rockburst hazards.Longwall mining next to the mining edges of neighbouring coal seams is particularly disadvantageous.The levels of rockburst hazards are minimised via the use of rockburst prevention methods.One active prevention method is torpedo blasting in roof rocks.Torpedo blastings are performed in order to decrease local stress concentrations in rock masses and to fracture the roof rocks to prevent or minimise the impact of high-energy tremors on excavations.The estimation of the effectiveness of torpedo blasting is particularly important when mining is under difficult geological and mining conditions.Torpedo blasting is the main form of active rockburst prevention in the assigned colliery in the Polish part of the USCB.The effectiveness of blasting can be estimated using the seismic effect method,in which the seismic monitoring data and the mass of explosives are taken into consideration.The seismic effect method was developed in the Czech Republic and is always being used in collieries in the Czech part of the coal basin.Now,this method has been widely adopted for our selected colliery in the Polish part of the coal basin.The effectiveness of torpedo blastings in the faces and galleries of the assigned longwall in coal seam 506 has been estimated.The results show that the effectiveness of torpedo blastings for this longwall was significant in light of the seismic effect method,which corresponds to the in situ observations.The seismic effect method is regularly applied to estimating the blasting effectiveness in the selected colliery.     

基于地应力现场实测与开采扰动能量积聚理论的岩爆预测研究

高地应力诱发的岩爆灾害是目前深部地下工程经常遇到的工程地质问题。现场地应力测量是岩爆预测的重要前提,根据三山岛金矿深部测量和岩体赋存状况的特点,优化应力解除测量技术并在矿区深部进行现场实测。提出采场岩爆发生的2个必要条件,即岩石具备储备高应变能的特性和采场具备高应变能积聚的应力环境。基于地应力实测与岩石力学室内试验结果,采用多准则判据对矿区深部发生岩爆的倾向性做出定性分析与评价。FLAC3D数值模拟分析揭示深部开采引起的采场围岩能量积聚、分布状况及变化规律。首次采用地震学的知识,对三山岛金矿未来深部开采过程中可能诱发岩爆的地点和级别做出预测。研究成果为深部地下工程岩爆的预测、预报提供新的思路和途径。     

煤矿开采冲击地压启动理论

 依据微震监测结果,通过总结分析,指出冲击地压发生过程经历3个阶段,将冲击地压重新分为集中静载荷型和集中动载荷型,建立2种类型的工程结构模型,分析各自冲击启动的能量判据,引进“不确定性系统分析法”,提出统一的煤矿开采冲击地压启动理论。结果表明,采动围岩近场系统内集中静载荷的积聚是冲击启动的内因;可能的冲击启动区为极限平衡区应力峰值最大区;应用冲击启动理论能够揭示2类典型冲击案例冲击过程,并将冲击地压的时间序列与空间序列对应起来,为冲击地压监测与防治提供指导。     

Principles and methods of rock support for rockburst control

This paper presents the principles of rock support for rockburst control and three rockburst support systems used in deep metal mines.Before the principles of rock support are presented,rock fracture related to strain burst is first discussed with the help of photos taken on site,and the energy sources and transformations during bursting are illustrated through conceptual models.Surface parallel extension fracture usually occurs in the ejected and surrounding rocks in a strain burst event,while the ejected rock in a fault-slip rockburst is often already pre-fractured before the event.There must be excessive release energy available for rock ejection.The excessive release energy comes from both the ejected rock itself and the surrounding rock.To prevent rock ejection in a rockburst,the support system must be able to dissipate the excessive release energy.All support devices in a support system for rockburst control must be able to dissipate energy,be firmly linked,and be compatible in deformability.A support system for rockburst control comprises surface-retaining devices and yield rockbolts as well as yield cablebolts when needed.Laying mesh on the top of shotcrete liner is a good practice to enhance the surfaceretaining capacity of the support system.Energy-absorbing yield rockbolts dissipate energy either by stretching of the bolt shank or by sliding of the inner anchor in the borehole.Mesh,mesh strap and shotcrete are the surface-retaining devices widely used in the current rock support systems.The three types of rock support used for rockburst control at present are soft support system using Split Set bolts,hybrid support system using rebar and two-point anchored yield bolts,and entirely yieldable support system using strong yield bolts.