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。     

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。     

基于高精度微震监测的特厚煤层综放面支架围岩关系

基于高精度微地震监测技术,结合岩石力学理论、矿山压力理论和现场宏观现象,对特厚煤层综放工作面的岩层运动与支架载荷关系进行了研究。研究结果表明,正常情况下,特厚煤层综放工作面的基本载荷来源于厚度大于10 m的顶煤、厚度约30 m的下位直接顶和部分厚度为20 m左右的上位直接顶;冲击载荷来源于老顶的断裂冲击,老顶在工作面前方断裂并强迫其下位岩层断裂,从而在支架上形成冲击载荷,这也是特厚煤层综放工作面设计支架支撑能力13000 kN/架但被压死的主要原因。指出了特厚煤层综放工作面支架选型的方向是:支架的基本支撑能力能够承担顶煤和部分直接顶的作用力,通过缩小支架控顶距、加大支架可缩量等措施,可减小冲击对支架的影响。     

基于能量法的近距煤层巷道合理位置确定

近距煤层开采时,若下煤层工作面回采巷道布置不合理,可能导致上煤层煤柱的瞬时失稳,造成动力冲击事故的发生。以平朔安家岭井工二矿近距离煤层开采为工程背景,建立近距煤层开采相似模型,研究下煤层开采时诱发上煤层煤柱的能量激增峰值的临界条件,从而确定下煤层工作面回采巷道的合理位置。研究结果表明,由于来自上覆岩层的压力大面积地积聚到煤柱上,使得煤柱内的应变能剧烈激增,则开采下煤层时上煤层煤柱能量积聚程度要大于上煤层开采阶段。同时,开采下煤层时,工作面回采巷道布置在距上煤层煤柱8 m以外为宜。巷道表面位移和地质雷达探测现场监测结果显示,当下煤层回采巷道距离上煤层煤柱大于8 m时,掘进过程中巷道没有出现变形破坏,位移收敛较为稳定,可以满足工作面回采需要。     

覆岩厚度变化应力异常机制及冲击矿压诱发机理

顶板覆岩结构是影响煤矿冲击矿压发生的主要因素之一，在坚硬覆岩厚度变化区也容易诱发冲击矿压，这一现象在内蒙深部矿区逐渐凸显。基于弹性力学理论分析了覆岩厚度变化区煤层应力异常的力学机制，采用FLAC3D数值模拟方法研究了覆岩厚度变化对煤层应力分布特征和能量演化的影响规律，揭示了坚硬覆岩厚度变化区煤层开采诱发冲击矿压的机理。研究结果表明：坚硬覆岩较厚区的构造应力比较薄区大，覆岩厚度变化越大或覆岩性质差异越大，构造应力变化越大；工作面在覆岩厚度变化区开采时，受超前支承压力与突变的构造应力叠加影响，覆岩厚度变化区至较厚区应力集中程度较大，该区域积聚的弹性能主要向工作面前方巷道释放，冲击矿压危险更大。两例覆岩厚度变化区工程案例分析表明，在坚硬覆岩厚度变化区及变化区向较厚区过渡时微震事件分布较多，能量释放剧烈，巷道破坏明显，与理论分析较为吻合。     

基于松动圈测试的煤巷围岩分类及支护评价

松动圈是进行围岩分类及支护优化的重要依据。为了更加深入地了解某深井巷道围岩的分类情况,结合其存在地压大、岩体塑性大以及煤层具有强烈冲击倾向性等特点,应用DYTJ20型岩层探测记录仪对该深井工作面回采巷道进行了松动圈测试,初步确定了其松动圈大小,并根据松动圈理论对其进行围岩分类,进而对回采巷道的支护方案作出科学评价。     

基于电磁波CT探测的掘进工作面冲击危险性评价技术研究

针对目前掘进工作面常常发生冲击地压的实际问题,分析通过电磁波CT探测评价冲击危险性的理论基础,得出了电磁波CT探测与冲击危险性之间的关系,构建以裂隙煤岩对电磁波吸收系数的异常指数BI和梯度指数GI为指标的评价模型,从而建立能够对掘进面围岩划分冲击危险区和危险等级的电磁波CT评价技术,并将其应用于现场实践中。应用表明,评价结果能够对支护及卸压解危措施进行指导和效果检验。该技术探测频率较高(最高达32 MHz),克服了传统方法因无法对掘进工作面局部围岩进行较高精度探测而导致无法较好评价其冲击危险性的局限,对掘进工作面冲击地压防治具有重要意义。     

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。     

深埋煤层开采的离心模型试验研究

 以菏泽井田赵楼煤矿近千米深埋煤层首采区地质条件为依据,通过离心试验研究采动影响下,煤层顶板不同位置的应力变化规律,结果表明：(1) 开切眼处煤柱处压力随煤层的采动不断变化,对其压力产生明显影响的是前方约35 m煤层的开采,最大应力集中系数为2.04;开挖工作面前方10～15 m煤层支承压力集中,最大应力集中系数为2.8。(2) 直接顶处岩层压力随煤层的采动不断变化,在工作面处达到峰值,最大应力集中系数为1.74,工作面推过后,其压力下降后又有所回升,为上覆岩层重新压实所致。(3) 老顶岩层压力亦随煤层开采不断变化,但其峰值出现在工作面推进后5～10 m,最大应力集中系数高达3.91,在煤层开采过程中,要加强观察和支护,预防冲击地压等灾害的发生。(4) 综合得出赵楼矿井老顶的初次断裂步距约为30 m。试验结果可为煤炭深部开采条件下的岩层控制、合理的巷道布置、改善巷道支护和维护情况及冲击地压的预防提供依据。     

基于连续损伤理论的巷道围岩弹脆性损伤分析

考虑岩石的脆性损伤特性,引入非线性的岩石脆性损伤本构模型,将损伤演化方程从一维推广到三维,建立岩石损伤变量与脆性参数的关系。将圆形巷道围岩划分为损伤残余区、渐进损伤区和弹性区,采用弹脆性连续损伤理论,对巷道围岩损伤范围及应力进行求解。当巷道周边围岩只出现渐进损伤区时,推导出巷道围岩发生不同程度损伤的极限地应力及损伤半径;当巷道出现损伤残余区时,考虑围岩破坏后仍然具有残余承载能力的特点,推导出巷道围岩损伤区半径及围岩应力的表达式。通过算例分析了岩石损伤程度和脆性强弱对巷道围岩损伤半径及围岩应力场分布的影响,研究结果表明:岩石的脆性对损伤半径的影响跟损伤程度有关,岩石脆性越强,围岩切向应力的峰值越大;岩石损伤程度越大、损伤半径越大,切向应力峰值离巷道壁面越远。     

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。     

动载诱发巷道底板冲击失稳机制及防控技术

针对巷道底板冲击地压的特点,基于材料力学理论与能量原理,建立了巷道底板冲击失稳力学模型,推导出了巷道底板发生冲击失稳的能量判据。通过数值模拟方法,分析了深埋巷道底板水平应力和弹性应变能密度演化规律,得出巷道底板水平应力是底板冲击主要诱发因素,且当巷道埋深一定时,动载强度越大,则水平应力对底板动压显现的控制作用越显著。基于理论与数值模拟分析结果,提出了深埋巷道底板大直径钻孔卸压方法,并进行了现场测试,结果表明大直径钻孔底板卸压有效地解除了底板冲击,保障了巷道安全高效掘进,可为类似矿井巷道底板冲击地压防治提供参考。     

深井特厚煤层综放工作面区段煤柱合理宽度研究

 留设合理宽度的区段煤柱是确保深井特厚煤层综放工作面顺利接续和安全回采的关键。以新巨龙矿井一采区区段煤柱宽度的确定为工程背景,首先采用微地震监测、应力动态监测和理论计算等方法确定深井特厚煤层综放工作面侧向支承压力分布特征,得出低应力区宽度约为20 m;其次,采用工程类比、数值模拟等方法确定深井特厚煤层综放工作面侧向煤体不完整区宽度约为3 m;最后,综合考虑资源回收、冲击地压防治、次生灾害控制和巷道支护等因素,确定深井特厚煤层综放工作面区段煤柱合理宽度为5.0～7.2 m。应用沿空巷道表面位移观测结果验证区段煤柱宽度的合理性。该研究结果对类似开采条件下的区段煤柱宽度确定具有参考意义。     

长壁孤岛工作面冲击失稳能量释放激增机制研究

煤矿开采中跳采形成的孤岛工作面由于容易产生应力集中，来压强度高，极容易发生冲击地压。基于唐山矿孤岛工作面的地质条件和周期来压步距的监测结果，通过数值分析的方法，研究孤岛工作面煤岩体能量释放的动态特征，揭示工作面前方能量释放激增机制，对比普通工作面和孤岛工作面能量场的区别，介绍冲击地压预警防治措施。数值模拟结果显示，长壁孤岛工作面回采时随着直接顶的随采随冒，采空区悬空面积的不断增大，使得老顶积聚大量的弹性能。若老顶发生周期性垮落，弹性能将瞬间释放，此时工作面和顺槽巷道极易冲击失稳。由研究结果可知，孤岛工作面周期来压时顶底板和煤层的能量激增可做为判断冲击失稳的前兆信息之一。因此，微震监测等手段可以根据此结论预测潜在的矿山动力灾害。针对老顶周期性断裂时积聚能量的突然释放规律，运用强制放顶、超前卸压孔、开切卸压槽和卸压爆破、煤层注水等技术可以提前释放煤层内积聚的弹性能，达到良好的冲击地压防治效果。     

小煤矿复采煤柱塑性区特征及采准巷道支护技术

平顶山新华区为全国重点采煤县(区),区内小煤矿井田位于平顶山煤业集团所属矿井浅部报废水平内,主要开采大型矿井开采后遗留煤柱。煤柱受力状态可简化为平面应力状态,受两侧长壁工作面采动影响,煤柱塑性区宽度较大,其主要影响因素是煤层厚度、煤层硬度、煤层与顶底板岩层界面的粘结性能、煤层埋深。当煤层硬度一定时,随着煤层与顶底板界面粘结性能的提高,煤柱塑性区宽度增长的速度递减;当煤层顶底板粘结性能一定时,随煤层埋深的增加,煤柱塑性区宽度增加。大量的现场观测研究表明,在一定支护条件下,巷道围岩稳定性和变形特性与围岩应力和围岩岩性关系,是围岩应力与围岩岩性相互作用的结果,可以引用围岩有效载荷系数C来进行解释。当C≤0.45时,巷道围岩处于稳定状态;当C>0.45时,巷道围岩开始出现流变。当前新华区小煤矿采深通常为200～400 m,不同硬度的煤层采准巷道围岩有效载荷系数相对较小,围岩处于稳定或较稳定状态,所以在目前条件下,新华区小煤矿采准巷道采用刚性木棚支护是较合理的。     

大同矿区特厚煤层综放回采巷道强矿压显现机制及控制技术

为保证大同矿区特厚煤层开采过程中临空巷道超前支护段的稳定性与可用性,采用理论分析与现场实测相结合的方法,得到巷道超前支护段的强矿压显现机制。研究表明:侏罗系煤层采空区区段煤柱应力集中影响区深度仅50~70 m,不足以影响石炭系工作面回采巷道的强矿压显现;石炭系工作面临空巷超前支护段的强矿压显现,主要受工作面采动超前支承压力及相邻工作面采空区悬顶的双向高支承压力的影响,且当工作面过上覆煤层采空区边界煤柱后,侏罗系煤层顶板大结构被重新激活,再次运动失稳,加剧了临空巷道的强矿压显现。提出并实施巷道顶板水压致裂有效控制技术,对同忻矿8105工作面5105临空巷实施定向高压水力致裂,实现巷道围岩高应力的转移,大大降低了临空巷超前支护段的强矿压显现强度,取得良好的临空巷卸压效果,保证了特厚煤层综放工作面的正常生产。     

坚硬顶板断裂过程中弹性能量积聚与释放的分布规律

冲击地压是煤矿生产中遇到的严重自然灾害之一,其能量变化规律一直是人们研究的重点。现场实践表明,大多数冲击地压发生在工作面煤壁前方超前支承压力范围内。在采矿学、材料力学和岩石力学研究的基础上,提出基于覆岩均布应力和增量应力作用的坚硬顶板初次断裂力学结构模型,首次推导得出弹性基础梁的能量分布计算公式,分析工作面前方坚硬顶板断裂前后的能量积聚和能量释放分布规律。当弹性基础的坚硬顶板悬露到极限距离后,将在煤壁前方最大弯矩处断裂,在断裂两侧发生反弹、压缩现象。离工作面距离越近,弹性梁的变形量和弯矩越大,积聚的弹性能量越多,坚硬顶板断裂后,释放的能量也越多。坚硬顶板断裂后发生压缩、反弹的空间区域,是产生冲击的震源区域。     

基于应力与围岩分类的冲击地压危险性评价研究

 基于山东某矿井复杂多样的地质和开采环境,提出了对冲击地压实行分类评价的技术思路。根据外部应力与巷道围岩相互作用后的围岩结构稳定性及其冲击倾向性,对围岩的冲击危险性和类型进行分类。外部静应力计算时采用倾向“载荷三带”理论模型,动应力计算时采用长壁工作面走向“载荷三带”理论模型,再叠加上构造应力等,实现了外部应力的近似计算;将外部应力作用于不同的围岩结构,结合煤岩体的冲击倾向性,得到围岩的冲击危险性和冲击类型。以此为基础形成的冲击地压分类与评价方法能较准确地反映回采工作面的冲击类型和危险程度,为制定针对性的治理措施提供了较准确的依据。研究成果已经在山东能源集团进行了应用,取得了良好的效果。     

特厚、极松软、大应力、极复杂地质条件下跟煤底施工技术研究

青东矿828工作面,为特厚煤层,平均厚度为9.2m,回采工艺为综放,工作面巷道施工采取跟底留顶煤施工,由于煤体松散破碎,同时过上覆726工作面收作线应力集中区、频繁过断层、过构造,对掘进巷道施工管理带来了很大困难。本文对青东矿特厚、极松软、大应力、极复杂地质条件下跟煤底施工中取得一些成功的经验进行了研究总结。