基于地音与电磁波CT的掘进工作面冲击危险性层次化评价方法研究

目前掘进工作面冲击地压事故频发,通过分析各评价方法在掘进工作面应用中存在的优势与局限,建立了一种基于地音监测与电磁波CT探测的掘进工作面冲击危险性层次化评价方法;该方法将冲击危险性评价目标在时间和空间上进行分解,通过地音实时监测确定评价的时间层,通过电磁波CT探测确定评价的空间层,以时间层的执行结果做为空间层的执行判据,克服了基于单一监测或探测手段的评价方法在掘进工作面应用中存在的不足,实现了掘进工作面冲击地压实时预警及危险区域精准划分的双重功能,提高了掘进工作面冲击地压评价的效率与准确性,指导了现场实际卸压工作。     

基于冲击启动过程的近场围岩冲击危险性电磁波CT评估方法

近年来，随着开采深度和强度的逐渐增大，冲击地压灾害发生频率逐年升高，严重威胁矿井的安全生产。针对目前基于现场实测的冲击危险性评价方法仅从能量聚集角度进行危险性判别，导致评价结果不能反映现场全部冲击危险情况的问题，考虑了冲击启动过程经历的"能量释放→能量传递→冲击显现"3个阶段，分析了基于冲击启动过程的冲击危险性评估原理，通过理论研究，构建了包括能量集中指数、屈服接近指数、能量传递衰减指数和支护损伤指数等4个指标，设定了各指标的权重，包括根据各指标量值差异程度设定的属性权重，以及根据各指标危险等级设定的等级权重；由此，以电磁波CT探测系统为平台，建立了能够划分近场围岩冲击危险区域及危险等级的电磁波CT评估方法，并将该方法编程实现。应用此方法对亭南煤矿207工作面现场实测数据进行处理，发现区段煤柱内布置巷道大幅升高了相邻煤柱区的应力集中程度及支护损伤程度，进而增大了相邻煤柱区的冲击危险性。通过钻屑法验证了基于冲击启动过程的冲击危险性评估方法的有效性。该方法依据冲击启动过程将评估体系细化，能够有效提升对冲击危险区域及危险等级的辨识度，为巷道冲击地压治理提供了更为准确的依据，尤其能为煤柱区冲击地压防治提供借鉴。     

济三煤矿大采高工作面冲击危险性数值模拟研究

采用FLAC3D数值模拟对济三煤矿大采高回采工作面和掘进工作面的冲击危险性进行了模拟,获得了工作面冲击地压危险区域和重点监测区域,通过对不同煤柱宽度条件下巷道煤岩应力分布特点的分析,认为采用3～5 m窄煤柱护巷,煤柱的应力集中程度低,对防止巷道冲击地压的发生是有利的。     

基于震源CT的区段煤柱宽度影响下的冲击风险特征研究

为了研究不同区段煤柱宽度影响下的冲击风险特征,以亭南煤矿307工作面的冲击风险评价为例,通过震源CT探测以及巷道应力探测相结合的方法,探究区段煤柱宽度影响下的冲击风险的应力特征,用震波反演出云图的形式来进行冲击风险区划分。结果表明：小煤柱区域危险区基本集中在上下巷道附近,运输巷道大部分处于无冲击危险的状态;小煤柱-集中巷区域中冲击危险区的范围和数量明显较高,整体上处于中度危险或以下,危险区基本上分布于整个小煤柱-集中巷区域;大煤柱区域冲击危险的区域较多,且基本处于中度及以上,但运输巷道和整个大煤柱区域的工作面基本上处于无冲击危险的状态下。基于此,采取分区分级解危措施,以提高冲击地压防治效率。     

基于震动波CT探测技术的冲击危险预测

为探究三河尖煤矿冲击矿压显现机理和大范围探测工作面围岩应力状态,采用震动波CT探测技术进行了区域应力场反演,构建了冲击危险性技术指标,对冲击危险区域进行了预测。研究结果表明:震动波波速和应力场呈正相关关系,9煤层工作面临近7煤上山保护煤柱侧出现高波速和高波速梯度异常区,与"1.30"冲击显现区基本吻合;震动波CT技术能够实现大范围煤岩体应力探测,动态评价冲击危险区域,进而采取针对性卸压解危措施。     

锯齿状停采线煤柱诱发冲击危险的反演研究

针对三河尖煤矿冲击矿压类型,运用震动波CT探测技术反演了锯齿状停采线煤柱区域波速分布,根据震动波CT技术指标波速异常系数A_n和波速梯度变化系数VG的判别准则,判断了锯齿状停采线煤柱区域的应力集中特征、弱化特征和危险性特征。研究结果表明:锯齿状停采线煤柱附近应力集中区的波速正异常系数A_n约为14%,应力集中特征为弱;弱化区的波速负异常系数A_n约为18%,弱化特征为中等;冲击危险区的异常系数约为11%,危险性特征为弱。最后采用针对性卸压措施,保证了巷道掘进和工作面的安全回采。     

基于震波CT探测的工作面冲击危险性评价及防治

为了提高工作面冲击地压防治效率,鉴于集中静载荷在冲击启动过程中的基础作用,以陕西某矿为工程背景,采用震波CT对工作面开展集中静载荷原位探测和冲击危险性评价,划分冲击危险区域,制定针对性防治方案。结果表明,煤层强冲击倾向性、开采深度大、上方厚硬顶板以及相邻工作面采空区顶板悬而不垮使工作面冲击危险性升高;工作面探测区域内煤层总体处于中等冲击危险等级,并准确划分了冲击危险区域。采用顶板爆破、煤层帮部及底板大直径钻孔卸压技术,切断力源,转移应力,由原来的“防治全巷道”转变为“防治重点危险区域”,提高冲击地压防治效率,得以保障工作面的安全回采。     

急倾斜特厚煤层复杂结构条件冲击地压防治研究

乌东煤矿南采区水平分段开采急倾斜特厚煤层过程中频繁发生冲击地压显现,地震CT探测表明,上覆遗留煤柱形成的复杂结构是造成应力集中乃至冲击显现的主要原因。为此,针对该区域采用了煤体注水和煤体卸压爆破两种冲击地压防治措施,并采用地震CT探测对防治效果进行了评价。评价结果表明:煤体注水与煤体卸压爆破有效降低了煤体内的应力集中,降低了冲击危险性,保证了工作面的正常安全回采。     

解放层下深部复杂构造区震动波CT及时序预警技术研究

针对徐庄煤矿保护层开采下复杂地质构造区8331工作面回采时存在的高应力危险,通过震动波波速CT成像技术和冲击变形能时空短临监测技术,分析了保护层开采下复杂地质构造区工作面开采的矿震活动规律,建立了震动波CT成像探测的保护层开采下复杂地质构造区工作面回采期间的冲击危险性评价技术和冲击变形能监测预警指标,并指导完成现场实践。研究表明,上方保护层的开采降低了8331工作面的应力水平,但回采至断层构造区时,矿震活动仍然频繁,动压显现强烈。震动波CT成像探测技术和冲击变形能时空短临监测技术组合使用,能对8331工作面回采期间的高应力冲击危险区域及其冲击危险程度做出实时、定量评价和体现震源的时序变化趋势,对于大能量事件和能量事件密集区的监测预警效果较好。     

迎采动宽煤柱承载特性及矿压显现规律研究

单翼开采矿井为解决采掘接替紧张的问题,常会出现迎采对掘的情况,而迎采动掘巷期间,矿压显现规律和煤柱宽度的确定是巷道掘进及安全回采的关键。以炭窑坪煤业100303运输巷迎采掘巷期间为工程背景,采用理论分析、数值模拟、现场监测等方法,对煤柱的合理宽度及迎采期间的矿压显现规律进行研究分析。主要结论有：通过理论计算,煤柱在受到掘进扰动和工作面采动的双重影响下,确保煤柱不完全发生塑形破坏且存在弹性核的宽度至少为30 m。数值模拟发现,掘进迎头至相遇位置前方20～30 m时,围岩变形开始增大,煤柱帮和回采帮变形量均超过0.5 m。当掘进至采空区后方一定距离后,围岩因同时受掘进扰动与采空区侧向支承应力的叠加影响,变形增幅加快,煤柱帮变形严重,最大变形量超1 m。提出100303运输巷掘进距100302综采工作面70 m时,停止掘进,在迎采扰动范围内,优化支护参数,提高煤柱承载能力。现场监测表明,巷道顶底板和两帮均变形较小均在可控范围内,有效控制了迎采动工作面掘巷的围岩变形。     

地震CT技术在采煤工作面的应用研究

基于近年来在多个采煤工作面开展的实测研究结果,论述了地震CT技术在采煤工作面进行不同目的探测时的应用原理、方法及解释原则。研究表明:基于地震波波速异常率分布可以对工作面开展冲击危险性评价,确定冲击危险区域;根据地震波波速条带异常分布规律,并结合相关地质资料,可开展工作面内断层展布情况精探;利用工作面前方波速分区特征,可进行工作面超前支承压力分布划定。     

特厚煤层综放沿空掘巷小煤柱合理宽度综合确定方法

为解决特厚煤层综放开采大煤柱尺寸下煤炭资源损失量大、沿空掘巷小煤柱合理宽度确定方法单一、研究结果与工程实际存在较大差距的问题,本文以扎赉诺尔矿区灵东煤矿为工程背景,提出了基于JW-6型地下高频电磁波CT系统、钻孔应力监测系统、数值模拟等多手段下特厚煤层综放沿空掘巷小煤柱合理宽度的综合确定方法,并依据此方法分析了灵东煤矿特厚煤层综放开采侧向支承压力分布规律及演化规律、煤柱承载及变形特征,以此确定了灵东煤矿特厚煤层综放沿空掘巷小煤柱合理宽度为6.0～9.0m。工程实践结果表明,该综合分析方法确定的特厚煤层综放开采小煤柱宽度合理,回采期间巷道围岩变形量绝大部分控制在300mm以内,变形量小,满足工作面安全生产需要,提高了煤炭资源回收率。该研究成果对特厚煤层综放沿空掘巷小煤柱合理宽度的确定具有重要参考意义。     

基于震波CT探测的宽煤柱冲击地压防控技术

针对深井区段煤柱冲击地压易发、多发、难防治的难题,以某矿1301工作面80 m区段宽煤柱冲击地压为例,利用数值模拟及微震数据分析,研究了宽煤柱冲击地压致灾机制,采用震波CT原位探测技术评估了宽煤柱区域内冲击危险性,并提出针对性防治方案。结果表明:3号煤层具有弱冲击倾向性,顶板岩层具有强冲击倾向性,已具备发生冲击地压的内在条件,高自重应力、强构造应力提供了基础静载荷,采空区侧向支承压力提供了增量静载荷,当两者叠加导致垂直应力超过冲击临界支承压力时,为宽煤柱静载荷冲击地压的发生提供了力源条件;震波CT原位探测技术以穿透煤岩体的实际震动波射线进行波速反演,反映煤岩体静载荷分布特征及结构特性,建立了以波速异常系数CA和波速梯度系数CG为主要因子的冲击地压危险性评估模型;鉴于宽煤柱冲击区域采掘空间实际条件,设计布置近完全观测系统观测方式,采用震波CT原位探测技术反演评估得到宽煤柱测区内冲击危险指数C=0.5~0.7,表明冲击发生后,宽煤柱仍然存在静载荷集中区域,具有中等冲击危险,并且运输巷侧冲击危险指数较采空区侧高,表明煤柱应力由采空区侧向运输巷侧转移,局部区域煤体破碎易冒顶片帮;制定了基于静载荷疏导的多层次防冲技术:大直径钻孔预卸压转移巷帮集中应力,耗散弹性应变能,确定合理日进尺为2.4 m,降低开采扰动,巷道全断面补强支护,提高围岩抗冲击能力;通过上述措施,现场监测宽煤柱煤体应力未发生突增,微震能量及频次变化平缓,1301工作面已安全回采宽煤柱区,防治效果显著。     

煤矿震动波CT反演技术的应用与分析

为解决3105工作面矿压显现的安全隐患,基于震动波CT反演技术对3105工作面进行震动波CT探测,通过实时监测3105工作面区域的震源分布,形成高密度射线穿过煤层,生成大范围、高分辨率的波速反演云图,结合煤(岩)体内震动波速与应力的耦合关系,确定了3105工作面区域内的应力分布情况.经过微震法、钻屑法验证,震动波CT反...     

冲击地压煤层爆破卸压效果分析

针对煤体爆破防治巷道冲击地压卸压效果检验的问题,分析了煤层爆破卸压防冲机理与电磁波在地下煤岩体衰减规律,建立了基于爆破产生裂隙区与电磁波衰减良好对应关系的电磁波CT评价冲击危险的方法及模型。采用电磁波CT法对郓城煤矿1301回风巷煤层爆破卸压前后的电磁波衰减特征进行了对比分析,研究表明,煤层爆破卸压显著降低了爆破区域的煤体强度,使得煤体中部的应力向煤体深处转移,从而降低了冲击危险性;同时,爆破对支护区围岩的损伤较小,卸压与支护耦合性较好。基于检验结果确定了合理的爆破参数。     

冲击危险区域震动波CT反演探测技术应用

针对传统冲击地压监测方法存在的探测范围有限、危险区域探测精度低、结果反馈不直观等问题,运用KJ470震动波CT反演探测技术对综放工作面冲击危险区域高应力区进行探测,探测结果表明,高应力分布区域与地质变化及构造发育区域、冲击地压事件震源点位置区域基本吻合。该系统可通过大范围、高分辨率、高效率监测波速分布,探测采掘工作区域内的应力场,显化潜在冲击危险区域,通过一段时间连续的波速反演,总结出冲击地压危险区域的分布规律,制定有效的防治措施,杜绝冲击地压事故发生。     

矿井超前精细探测技术方法与应用

为了预测煤矿掘进工作面的水害,采用矿井瞬变电磁法、矿井直流电法、矿井瑞利波法、矿井反射波法4种井下超前探测技术。通过井下数据采集、处理和反演计算,形成可视化图件,来解释矿井含水体及构造的范围和位置特征,建立了一套适合煤矿掘进过程中井下物探动态监测水害的技术方法。结果表明:矿井瞬变电磁法可探测掘进工作面正前方、前方顶板、前方底板和前方侧帮含水体;矿井直流电法可探测掘进工作面正前方含水体;矿井瑞利波法(或矿井反射波法)可以探测前方构造及采空区边界。     

深部冲击危险工作面主被一体化波速反演预警技术

为解决深部冲击危险工作面震动波反演周期长、射线覆盖率低、结果不可靠的技术难题,提出采用主、被动震动波一体化波速反演技术对工作面冲击危险区域进行监测预警。基于SIRT算法,对监测区域进行波速反演并分析应力分布情况,大大缩短反演周期,利用该技术的预警指标快速获得冲击危险区域。以安居煤矿2309工作面为例,提出单日波速CT反演与连续六日波速CT反演相比较的方法,深入研究深部冲击危险工作面回采期间应力分布规律。研究结果表明：工作面回采期间,该技术准确预判工作面内高应力分布区域,确定冲击危险等级。结合现场钻孔检验,验证了该技术反演预警的准确性,应用效果良好。