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...     

动静载耦合作用下工作面冲击危险的数值模拟分析

针对工作面开采过程中经常受到爆破震动、顶板垮落以及远场地震等动力扰动作用,开采过程中易诱发冲击危险。基于FLAC~(3D)数值模拟软件,以工作面静载20MPa、28MPa、36MPa为基础,在此基础上分别施加扰动应力波峰值为10MPa、20MPa、30MPa的动载作用,分析动静载耦合作用下工作面顶底板垂直应力与位移的演化规律。结果表明:静载相同时,随着动力扰动荷载的增加,垂直应力与位移受到动力扰动的现象越明显,顶底板均易出现扰动失稳;随着扰动循环次数的增加,顶底板垂直应力呈现出逐渐降低的趋势,表明煤体的损伤程度逐渐增大。同一动载扰动时,随着静载的增大,工作面顶底板的垂直应力与位移也呈现出逐渐增大的趋势,从而发生冲击危险的可能性越大。     

动载扰动诱发底板冲击矿压演化规律研究

为了研究动载作用下底板冲击矿压的演化规律,采用理论分析和数值模拟的手段研究了动应力波作用下巷道底板煤体的应力和位移等参数的响应特征,揭示了动载扰动诱发底板冲击的原因和显现过程。研究结果表明:动应力和巷道底板的高水平应力叠加使底板煤体达到或超过强度极限发生屈曲失稳和变形,并且应力波入射到底板表面反射形成拉应力导致底板发生层裂破坏,在这过程中破坏范围逐渐扩大,导致底板冲击。动载作用过程中底板煤体的水平应力、垂直应力、应力差先上升后瞬间大幅度降低,同时底板煤体拉伸破坏的层裂破坏范围和垂直位移瞬间增加,在此过程中,底板水平应力集中现象逐渐消失。     

冲击载荷作用下弹、塑性组合煤体动态损伤特性研究

以掘进巷道前方分布的弹、塑性组合煤体为研究对象,基于应力波的传播规律,研究冲击载荷作用下煤体中应力波的传播过程,加、卸载波相互作用下拉应力波的形成及作用机理。研究表明:弹、塑性组合煤体在冲击载荷作用前后,加、卸载波在波阻抗不同的分界面将发生反射与透射,形成多束卸载波;卸载波的作用能产生拉应力,易致使煤体发生破坏;冲击载荷作用下掘进工作面前方塑性煤体与弹性煤体的分界面附近煤体中易形成拉应力较大的区域,导致煤体发生急剧损伤、瓦斯解吸速度急剧增加、瓦斯压力急剧上升,从而导致煤与瓦斯突出事故的发生,是由内至外的发展过程;加、卸载应力波在孔洞周围的弹、塑性煤体传播过程中会发生多次反射与透射产生多束卸载波,卸载波之间相互作用产生的拉应力,可使煤与瓦斯突出过程中呈现层裂现象。     

峻德煤矿倾斜煤层开采沿空侧巷道诱冲机理研究

针对峻德煤矿倾斜煤层开采期间沿空侧巷道冲击地压频发的问题,采用现场调研、微震监测、物理相似模拟和数值模拟相结合的方法开展了研究,结果表明:倾斜煤层工作面开采期间靠近沿空侧巷道的覆岩关键层更容易破断产生剧烈动载扰动;随着煤层倾角减小,沿空侧巷道煤柱帮应力集中程度减小,实体煤帮应力集中程度增大,应力集中由煤柱帮内向实体煤帮内转移;在动静载叠加作用下导致巷道两帮煤体失稳破坏诱发冲击地压,且不同倾角煤层冲击启动区域不同。研究结果对倾斜煤层工作面后续回采阶段卸压防冲工作具有一定的指导作用。     

深部工作面采动应力场分布变化规律实测研究

为防止深部较软煤层发生动力灾害,以平煤股份二矿为工程背景,采用应力实时监测系统测试了深部工作面采动应力场,研究了工作面走向和倾向应力分布及变化规律,分析了应力对煤体稳定性及动力现象的影响,并探讨了工作面可能发生的动力灾害。结果表明,工作面上部(靠近采空区)超前采动影响距离、煤帮内应力集中范围、应力集中系数及应力峰值较大,工作面两端应力规律差异较大。应力峰值和应力梯度变化显著影响煤体的稳定性;通过监测工作面应力变化,可对工作面动力现象进行预测预报;工作面可能发生的动力灾害是应力起主导作用的压出灾害。     

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。     

褶皱区工作面开采布置与冲击地压的关系探讨

为提高褶皱区冲击地压的防治水平,在总结褶皱区冲击地压发生特点的基础上,对褶皱区巷道掘进方向和工作面开采布置对冲击地压的关系进行了分析,并从冲击地压的战略防御角度提出了有针对性的防治措施.结果表明,沿最小水平应力开挖巷道、自褶皱背斜轴部起工作面俯采推进和先开采位于褶皱翼部的工作面,再开采位于向斜附近的工作面都易于在煤体中积聚更多的弹性能,冲击危险性会越大.研究认为,在褶皱区巷道应与最大水平构造应力成平行或小角度掘进;褶皱区工作面合理的开采方向应是从向斜起往背斜方向逐渐推进;工作面布置上,应先开采位于向斜附近的工作面,然后往背斜方向逐渐展开.     

不同侧压系数对动载诱发巷道底板冲击的影响

为了探讨侧压系数对动载诱发特厚煤层巷道底板冲击的影响,使用岩体力学和FLAC2D有限差分数值模拟软件研究了不同侧压系数作用下应力波诱发特厚煤层巷道底板冲击的动态响应规律及显现过程.研究表明,动力扰动的作用是使处于极限应力下的煤体应力增加并打破平衡状态从而诱发底板冲击;动载作用下,随着侧压系数的增加巷道底板的临界水平应力值和最大应力差呈线性增加,底板最大垂直位移在λ＜2.0期间呈非线性增加,在λ＞2.0后出现微降,说明底板失稳难易程度与底板冲击显现强度不完全呈正相关;底板冲击的显现过程是底板的水平应力瞬间达到临界水平应力,底板塑性破坏区域扩大,致使弹性能瞬间释放,最终导致底板垂直位移发生突然增大产生冲击.研究成果为探索底板冲击机理及防治提供借鉴.     

煤巷炮掘过程围岩应力场演化规律的数值研究

煤巷掘进工作面爆破落煤的围岩应力演化是一个复杂的过程。将爆炸引起的冲击波简化为一脉冲分布载荷,以煤矿现场实际条件为基础建立数值研究模型,采用离散元数值模拟软件3DEC的动力学模块对围岩在放炮冲击作用下的动力响应进行了数值模拟,分析了掘进工作面前方煤体的垂直应力与水平应力演化规律。研究表明,在爆破瞬间,工作面前方煤体应力迅速增加,在向前方传播的过程中应力衰减较为迅速,应力的剧烈扰动容易导致煤体失稳而发生动力灾害。     

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。     

上覆遗留煤柱作用下冲击矿压预测预警案例研究

以三河尖煤矿92201工作面运输巷在上覆7煤上山保护煤柱下掘进诱发的冲击矿压为例,采用震动波CT技术对待掘区域应力场进行反演,预测冲击危险区域,并在掘进过程中实时监测分析矿震动载特征,对冲击危险进行预警。研究表明:震动波CT技术可有效反应煤岩体内未知因素对应力分布的影响,实现大范围应力探测,较常规解析和数值等分析方法更为有效,利用该技术可提前和分时段预测冲击危险区域分布;结合掘进过程中的矿震时空演化规律分析,可对冲击危险区域进行有效确认和实时预警,实现了动载与静载结合对冲击危险进行提前预测与实时监测预警。利用该套技术方法分析表明,上覆遗留煤柱长时间受矿压作用,其集中应力分布明显向煤柱煤壁深处转移,导致区域应力分布异常,冲击矿压防治难度加大。92201巷道冲击矿压显现证实了以上结论和该套技术方法的有效性。     

冲击地压致灾因素及防控技术研究与探讨

该文针对深部开采过程中冲击地压灾害频发的问题,从煤层冲击倾向性及动静组合诱冲角度探讨了冲击地压致灾条件;并总结出以开采解放层、优化巷道布置及采煤工艺为主的防范技术,以及以煤层注水、钻孔卸压、卸压爆破和强制放顶为主的解危治理技术,从而建立了较为完善的冲击地压综合防治体系。     

顶板冲击载荷作用下巷道支护体系动力响应特征研究

基于某矿实际地层分布与巷道支护情况,建立了全围岩煤矿巷道和邻近采空区巷道的动力学数值模型,分析了巷道上方不同位置冲击动力下巷道围岩和支护体系的动力响应规律以及邻近采空区小煤柱护巷对巷道支护防冲的影响。研究结果表明:巷道正上方坚硬顶板冲击动力下,巷道直接顶围岩质点运动速度和冲击力最大,随着冲击动力源沿顶板展布方向偏离巷道中线距离的增大,巷帮质点运动速度和加速度逐渐增大,在偏离中线约60 m时,巷帮质点运动速度和加速度值达到最大值,而冲击动力源偏离中线距离大于60 m后,巷帮质点运动速度和加速度值逐渐减小。此外,巷道上方顶板冲击下,巷道锚杆中段应力变化幅值最大,随着顶板冲击源偏离巷道中线距离增大,巷道潜在破坏的锚杆位置由巷帮向顶板区域转移。临近采空区巷道情况下,采空区上方顶板冲击会引起巷道帮部质点产生较大的质点加速度,并造成巷帮和小煤柱中锚杆失效,而远离采空区并偏离巷道中线60 m之外的顶板冲击下,采空区对巷道支护体系动力响应的影响较小。     

深部煤巷顶板冲击裂变失稳机制及其动力表现型式

冲击矿压85%发生在巷道中,随着开采深度的增加,冲击矿压发生的频次和灾害烈度都急剧增加,深部煤巷冲击矿压灾害防治已经成为一个亟待解决的技术难题。针对深部煤巷顶板冲击裂变失稳机制进行研究,基于弹塑性及断裂力学原理,分析了巷道顶板岩层集力聚能破断失稳机理,推导了巷道顶板冲击裂变失稳的承载、形变及能量条件,阐述了冲击动载作用下复合顶板"层间离层-岩梁开裂-动力震裂"的裂变失稳演化规律。深部煤巷顶板冲击失稳模式与顶板岩梁宏观主控裂隙的发育扩展关联密切,在高静载和强动压的叠加作用下,巷道顶板呈"一横五纵"6条主控裂隙展布发育,各横纵裂隙协同扩展直至汇合贯通,最终形成"门式"震裂块体瞬间推入巷道空间发生冲击破坏。最后揭示了深部煤巷顶板岩层动力破坏失稳的6种表现型式,提出了"顶部桁架锚索+跨中长锚索+顶角斜锚杆"强力联控支护对策。     

深部矿井复合构造区冲击地压预警方法

以孟村煤矿中央大巷复合构造区周期性冲击地压为背景,在矿井现有的冲击地压监测系统的基础上,根据动静载叠加诱冲原理和冲击启动理论,提出以静载荷的积聚位置、积聚周期和动载荷的来源、供给时间为深部矿井复合构造区冲击地压"四要素"的周期性预警方法.分析认为,深部矿井冲击地压主要因素为静载荷,发生冲击地压的前提条件是静载荷必须重新...     

深部盘区巷道群集中静载荷型冲击地压机理与防治

针对深部矿井,盘(采)区巷道群屡次发生冲击地压这一问题,以我国新建千米深井盘区巷道群冲击地压发生为背景,理论分析了巷道群无动载诱发冲击启动的机理与防治方法。结果表明,巷道底煤的厚度对底板水平应力集中影响较大;褶曲构造带也显著影响巷道群应力环境;巷道底臌量与底板释放动载荷量值、底煤厚度均成正相关关系;深部煤层巷道群冲击启动原理,是巷道群自身应力叠加在巷间煤柱,提供了基础静载荷;灾害发生地段底煤厚度以及褶曲构造影响,提供了时机静载荷,2者叠加导致巷间煤柱垂直载荷超过了临界值,同时底板煤体承受的载荷超过了其极限承载力;深部煤层巷道群冲击地压属集中静载荷型,采用基于集中静载荷疏导的深孔区间爆破法可防治冲击地压灾害。     

向斜构造区内动压巷道围岩水射流防冲技术研究

针对砚北矿区向斜构造区内2502采区内巷道围岩动压显现频发难题,通过现场调研、实验室测试和理论分析的方法对动压巷道围岩冲击机理进行了研究,基于此,阐释了水射流防冲机理并进行了现场工业性试验。研究结果表明：煤样经过饱和水软化处理后,冲击倾向性由强冲击转变为弱冲击|采动引起的动载荷和巷道围岩内积聚的静载荷叠加作用是导致围岩诱发冲击的根本原因,且可划分为动载荷主导型和静载荷主导型2种类别|水射流防冲技术能够在巷道两帮内形成弱结构区,有效地转移和释放两帮内原有高集中静载荷,进而实现对于巷道两帮和底板的冲击防治目的。现场实施水射流防冲技术后电磁辐射信号平均值由49.7mV减小至15.6mV,同时巷道两帮和顶底板移近量均控制在5%以内,有效保证了巷道围岩的应力环境和支护控制效果。     

半孤岛面全煤巷道底板冲击启动原理分析

采用案例分析与理论分析,提出了冲击地压启动概念,指出冲击地压发生依次经历冲击启动-冲击能量传递-冲击地压显现3个阶段,将冲击地压防治研究着眼点提前到冲击启动阶段;建立了巷道冲击地压发生工程结构模型,揭示了全煤巷道底板冲击启动实质来自于两帮高集中应力区,底板只是能量传递与释放的载体,即冲击地压显现位置。进一步提出了冲击地压发生的冲击启动理论,指出巷道围岩近场系统内静载荷的过度积聚是冲击启动的内因,系统外动载源是外因,确定了冲击启动的能量判据,指出了冲击地压可能的启动区域。