远距离煤层群开采下山巷道震动显现成因

为探索远距离煤层群开采过程下山巷道异常震动显现的成因,基于高精度微震监测和现场调查,应用岩体破裂规律分析预测工具MapRAS分析矿震原因,用离散元数值试验工具UDEC分析巷道围岩动力响应规律,得到:工业广场保护煤柱及己二下山非采动区域频发矿震是工作面采动顶板关键层运移对煤柱边缘强剪应力带作用的结果,其作用的效应与开采深度呈正比,与采动影响距离呈反比。震动显现多发生在非采动直接影响的己二下山巷道围岩,这种异常现象与己组煤岩物理力学性质、3组工作面复合压力拱脚动态加卸载作用和矿震动力源影响距离有关。根据矿震震级、震动显现程度和数值试验岩体质点振动速率,提出了与现场实际基本相符的巷道围岩震动显现危险等级判据指标。使用微震频次,用傅里叶周期法反演的图像,可较敏感反映顶板关键层周期破断规律和相邻区段岩体动力响应的相关性。用UDEC数值试验,较好地揭示了工作面采动对己二下山围岩的影响规律。     

采动影响下突出煤层地质异常区域的微震特征规律研究

煤与瓦斯突出灾害是当前威胁矿井安全生产最为严重的动力灾害之一,断层等地质异常区域极易诱发该类事故的发生。通过分析采动影响下突出煤层的断层活化力学机制,以贵州某突出矿井掘进巷道为例,利用高精度微震监测系统对掘进过程中的微震时空分布与演化规律进行了研究,分析并获得了采动范围内地质异常区域的微震响应规律。结果表明,工作面掘进期间微震事件群普遍分布于巷道周围,最远可达前方112.8 m、后方91.0 m;采动引起断层上下盘错动导致岩体内部能量的释放,是断层活化型微震活动的主要原因。通过对采动过程中影响范围内断层的实时监测发现,在与断层区域相距15 m时,该区域微震事件增加,初期以大能量震动信号为主;随着与断层距离的缩小(5m),微震事件数逐步增加到峰值,并主要聚集于断裂面周围;随着断层形成新的稳定结构,微震活动减弱并逐渐恢复平稳,这时微震事件逐渐减少直至平静。由此可以看出,采动影响下的地质异常区域存在明显的微震响应特征,这为深入分析断层控制型瓦斯突出事故发生机理,实现煤与瓦斯突出的准确预警提供了一种新的思路。     

采掘活动与矿震关系

以抚顺老虎台煤矿和甘肃华亭煤田为工程背景,基于长时间和高精度矿震观测与采矿作业数据分析,从采掘活动与发生矿震的定量关系,探索采掘扰动对岩体动力响应的调制作用。根据24 h的时间秩序中矿震活动与采矿作业关系的规律,区分出采矿直接相关型和间接相关型矿震。发现连续采动对矿震活动具有累积效应,由此可评价卸压解危的效果和范围,并可据此合理调整作业流程,降低矿震活动水平。发现减扰降震效果与开采深度成反比,深部采掘扰动岩体动力响应具有延迟衰减效应。在华亭煤矿特定采矿技术条件下,相隔210 m采空工作面的2个工作面,相向采、掘时采煤工作面对掘进工作面岩体动力响应的最大影响距离为450 m,相背采、掘时的最大影响距离可达750 m,推测较大的影响距离与厚层坚硬基本顶和留设的20 m宽煤柱有关。     

大采高综放面底板破坏深度的高精度微震监测研究

煤矿底板突水事故严重威胁着矿井的安全生产,煤层采动引起底板隔水层破坏是诱发突水的重要原因,而进行底板破坏深度探测是预防突水的有效技术手段。以何家堡煤矿为例,将高精度ARAMIS M/E微震监测技术应用于特厚煤层大采高综放面的底板破坏中,首先在工作面两侧巷道的底板锚杆上以菱形方式布置6个检波器探头,然后用最小二乘法选择最佳波速参数,用振动持续时间法计算微震能量,最终通过分析微震事件的能量、频次和密集程度确定煤层底板岩体的破坏范围。为探讨微震监测底板破坏深度的准确性,采用塑性力学中解析法进行理论计算。结果表明,微震监测技术与理论计算结果较接近,验证了微震监测应用于探测底板破坏深度的可靠性。     

采动力学与岩层控制关键理论及工程应用

研究岩体采动力学响应和岩层控制技术对促进煤炭安全高效开采、保障能源稳定供给具有重要意义,是实现煤炭资源科学开采的理论基础。矿山岩体灾害(围岩变形、冲击地压等)频发,其形成-演化-发生全过程与采动力演化分布、岩层运动、开采扰动和能量演化密切相关。基于实用矿山压力控制理论,提出并阐述了采场岩层控制进展与控制准则,建立了定量分析的力学模型和设计方法,发展了针对性的岩体灾害控制技术,并创新研制了配套试验研究装备。采动力学与岩层控制理论将岩层控制分为采场岩层控制和巷道围岩控制;提出控制或利用采动岩层运动改变致灾条件,给出“给定变形”和“限定变形”准则;调控“3S”因素准则(围岩应力环境、围岩结构属性、围岩支护结构)改变围岩自稳能力。以岩体灾害控制为目标,提出了以“应力主控”为核心的释能主控技术;建立了岩体灾害控制大小原理和弱面判据(安全系数K、冲击危险性系数U);研发了采场矿压机械模拟试验系统、采动力试验系统和蠕变及动力扰动冲击加载试验系统,实现了实验室尺度还原采动力作用下岩体变形-破裂-运动过程,为研究采动力作用下岩体力学响应提供了试验装备;分别从采场岩层控制、地质软岩巷道控制、工程软岩巷道控...     

大水矿区底板采动“两带”实测方法研究

依据底板采动“两带”不同工程特征,提出底板采动“两带”深度的确定方法,即利用底板钻孔注水法或底板钻孔视电阻率变化法测定底板导水破坏带;采用微震监测技术测定力学损伤带。通过在赵固二矿11050工作面运用底板钻孔视电阻率变化法,实测了底板导水破坏带的深度;在赵固一矿16001运用微震监测技术发现了力学损伤带受到采动破坏和底板高水压破坏的形态,具备关键含水层上部能量分布相对于下部更为密集的特点。研讨了底板采动“两带”的划分在大水矿区底板承压水害防治中应用的工程意义。底板采动“两带”划分的研究成果对于大水矿区矿井底板水害治理工程优化具有指导性作用。     

基于加卸载响应比的冲击地压矿井急倾斜巨厚煤层推进速度研究

工作面推进速度过快易诱发冲击地压等动力灾害,探讨合理的工作面推进速度已成为冲击地压矿井安全高效开采亟待解决的关键.采用数值模拟、岩石力学试验和现场微震监测等方法,通过研究急倾斜巨厚煤层推进速度影响下工作面前方煤体经历的采动应力路径,分析推进速度采动应力路径下的煤样力学行为特征.完成了采动应力路径下煤样加卸载响应比的变化...     

某深井矿山地压灾害综合监测技术研究

以某深井矿山为研究对象,采用微震监测、压力-位移监测等多种手段对其开采过程中的动力灾害进行联合监测。通过对一定区域内微震信息的定量化处理及时间序列分析,探讨了岩体不同破坏阶段微地震活动的变化特征,同时结合局部工程的"应力-位移"监测信息,得到了由微震活动及压力耦合关系评价岩体稳定性的四种判别模式,建立了利用该方法预测采动灾害的一般流程。应用实践表明:该"判别模式"综合考虑了岩体破坏过程中的多元信息,避免了单种监测手段的局限性和偶然性,有效提高了采动灾害的预警精度。     

基于采动和承压水作用下断层突水关键路径的力学分析

 断层突水是煤矿典型的动力灾害,是煤岩体在采动和承压水共同作用下失稳破坏过程。论文针对导水断层缩短了煤层和含水层距离特点,建立了断层突水的关键路径力学模型。将极限平衡理论和尖点突变理论引入断层突水分析,建立了承压水及采动影响下断层突水关键部位失稳破坏模型,获得了断层突水的力学判据,以及防突煤柱预留临界宽度。同时分析了断层参数、煤柱参数对突水条件的影响规律     

深部金属矿采场顶板滑移冒落微震时空演化规律

针对阿舍勒铜矿深部采场顶板滑移性破裂过程中的微震时空演化、灾害孕育诱发因素与发生机制进行了系统研究。结果表明：微震时空分布可以直观反映岩体内部裂纹的演化过程;采场冒落前,微震活动 性出现明显减弱现象,但微震能量呈现幂率加速释放态势;在所监测的微震事件中,剪切型破裂占比达68%,且主要集中于矿岩接触带处,顶板则为张拉型破裂为主的非剪切破坏区。采场顶板滑移性冒落是接触带两侧 矿岩体物理力学性质差异性和附近采场强烈回采爆破扰动共同作用造成的。在进行深部金属矿体边界区域回采时,应加强地压灾害孕育发生过程的实时监测,并采用及时充填和减小爆破扰动等措施,降低采场顶板冒 落风险。     

煤层底板灰岩成分微结构特征分析及注浆加固性质评价

岩石遇水后其内部结构及物理力学参数会发生一定变化,这些变化与水理作用下组成岩石的成分及内部结构的变化是紧密相关的。华北石炭二叠型煤炭底板灰岩的一个显著受力特点是受矿山压力和高承压水双重作用。这种特殊的应力环境使得其强度和变形特征比一般岩石要复杂得多,主要表现在水理长期作用下岩石的矿物成分及与岩石微结构有关的孔隙、裂隙等物理参数发生了显著变化,这种变异最终影响了岩石的强度。基于此,借助现代先进分析测试仪器,通过实验室内成分鉴定和微结构分析,定性研究了水对这些性质的影响,在此基础上对其注浆加固性质和水理软化倾向进行了评价。研究本溪灰岩的成分及不同含水率时的微结构特征,对于合理解释其力学性能的变异及工程性质有重要指导价值。     

矿山井下岩体裂隙变形与水渗流关系模型

以实现矿山井下热害治理和热能源利用一体化为出发点,阐述利用流体渗流特性开发矿山地下热能的可行性;提出用高压水泵人工制造裂隙,用冷水冲刷地下热岩获取热能的想法;找出矿山井下自然涌水的主要原因;分析岩体裂隙变形的成因、特性,用数据表明建立岩体裂隙变形和渗流关系模型可以在等效连续介质状态下进行;最后建立了岩体裂隙变形与渗流关系模型,得出矿山地下水在岩体中的流动与岩体裂隙变形之间的关系。     

开采扰动下覆岩变形规律及断层导水通道分析

开采扰动诱发断层活化是导致矿坑涌水量增加的重要影响因素。通过岩石全应力-应变、渗透试验,并建立矿区地质模型及数值计算模型,分析开采扰动对断层活化的影响范围及进行定量化研究。研究表明:峰后岩石渗透率约为峰前岩石的渗透率的2倍,峰后岩石裂纹的贯通导致渗透率发生本质变化;露天坑三维地质模型显示覆岩断层为主要导水通道,且受地下开采扰动的影响显著;露天坑右侧边坡的位移值是左侧边坡位移值的4倍,易发生断层岩移导致涌水量突增以及边坡滑动的风险;根据位移梯度变化开采扰动区域可分为岩体破裂冒落区,破裂过渡区、变形移动区、微变形区和未扰动区5个区域。研究结果有利于优化地面堵水注浆帷幕的布置。     

三维激光技术在危岩体地质信息采集中的应用

在裂隙切割和溶蚀作用下,重庆市万盛区刀子岩局部形成单个危岩体,在暴雨条件下,刀子岩处于失稳状态,传统的测量方法难以精确得到危岩体的规模和结构面特征.该文采用三维激光扫描技术获取危岩体的高密度点云数据,从而提取危岩体的岩体结构面的产状和几何信息.工程实例表明,该技术具有较强的适用性和可靠性,可为危岩体的调查提供参考.     

高应力超大采空区围岩破裂机理研究

针对红透山铜矿岩爆等地压灾害频发现状,采用声发射与多点位移计联合监测技术,对27采场4分层边墙和顶板的岩体破裂及变形进行长期监测。通过位移与AE事件数的不同分时累计曲线比较发现：①硬脆性岩体在强卸荷后,其释放的变形很小,而且变形的波动总是先于AE事件。根据岩体变形破坏能量释放机制,围岩变形释放的应变能决定了岩体耗散能,而耗散能是导致岩体破裂的直接原因,所以,围岩变形是微破裂产生的先决条件。②岩体微破裂的开裂扩展改变了岩体的内部结构,在应力场的二次调整过程中,裂隙不断发育,直至产生稳定的岩体构造。为避免硬脆性岩体在高应力强卸荷条件下出现片帮、岩爆等剧烈破坏,建议通过增加卸荷瞬时释放变形的方式,加强岩体应变能的释放,从而减少耗散能;同时在爆破开挖后及时支护阻止岩体内部构造的劣化。另外在岩爆多发地段,增加布设高精度位移监测设备,通过卸荷后围岩变形的突变,对高应力条件下的地质灾害进行预测预报。     

断裂岩石粗糙性与岩体抗剪强度和机理的实验研究

为了分析岩体的长期力学行为,揭示断裂岩体失稳破坏的机理,对岩石断裂面的粗糙性进行了实验研究。将边长为50mm的砂岩试件,分别通过纯剪破坏方式和巴西劈裂拉破坏方式,制作出2类存在粗糙面的断裂岩石,每类选取3个试件进行剪切蠕变实验。对加载过程中的断裂岩石进行激光扫描,计算岩石断裂面的粗糙度和起伏度。实验研究表明:剪切蠕变过程中,断裂表面有粗糙化或光滑化的趋势。构成断裂岩石长期抗剪强度的机制主要有两个:一是细观凹凸体的抗剪断能力,另一个是宏观凹凸体的抗摩擦能力。无论哪种破坏方式,在加载过程中,这两种机理都是交织在一起共同作用于受载岩体上,并随时间或剪位移的增加而相互转换的,而且所发挥作用的主次也有所不同。     

基于最大值的岩层断裂监测机理与方法研究

研究由矿山开采引起的覆岩断裂,可探究地表沉陷的原因及覆岩断裂与地表沉陷的时空关系。从岩层断裂时诱发的微震现象入手,利用微地震定位原理,建立微震计算模型。在获得微波同时不考虑振幅、频率与能量的基础上,只要每个检波器能够检测到的是同一性质的最大值时刻,就可以实现岩体断裂（震源）的空间定位,从而利用最大值达到时刻来确定岩体断裂的即时位置,确定微震波速,进而研究地表沉陷的内部原因。     

卸荷作用下裂隙岩体性质研究

从物理现象、自然辩证法、以及单裂隙岩体卸荷力学特性数值模拟三个方面进行分析，研究了岩体卸荷和岩体裂隙两者之间的关系，分析了单裂隙岩体在卸荷作用下的应力屏蔽现象，得出了裂纹后方轴线上点的应力削弱规律。     

煤矿采空区岩体渗透性计算模型及其数值模拟分析

煤矿采空区岩体渗透性是煤矿采空区煤层气抽采设计的基本参数。从煤矿采空区岩体变形-破坏特征分析入手,通过理论分析研究了岩体渗透性与应力之间的耦合关系和模型,揭示了采空区岩体应力-应变和渗透性分布规律。研究结果表明:不同岩性岩石的渗透性在全应力-应变过程中为应变的函数,采空区岩体渗透性决定于岩体破坏程度和断裂的张开度,基于采空区岩体应力-应变导致断裂开度变化,推导了采空区岩体渗透系数与应力之间的三维关系与模型;应用FLAC~(3D)计算软件,对采空区岩体应力-应变-渗透性进行了数值模拟计算,分析了采空区岩体的变形破坏的分区分带特征,在纵向上自上而下形成弯曲下沉带、断裂带和垮落带;在横向上划分为原岩应力区、超前压力压缩区、卸载应力区和岩体应力恢复区;揭示了采空区岩体渗透性分布与采空区岩体应力-应变和破坏规律相一致的特征。无论是垂直渗透系数比(K_z/K_(z0)),还是水平渗透系数比(K_y/K_(y0)),均随着距开采煤层垂直距离的增大,采空区岩体渗透性逐渐减小,且采空区边缘的渗透系数较大,采空区两侧煤柱区岩体渗透性显著降低。     

岩石变形破坏过程的热力学分析

岩石在变形破坏过程中始终不断与外界交换着物质和能量,岩石的热力学状态也相应的不断发生变化。根据非平衡热力学理论,从理论上解释了岩石变形破坏过程的能量耗散及能量释放特征。在岩石的变形破坏过程中,热量供给和岩石体积元的形状及位置变化作为岩石体积元内塑性硬化、微缺陷形成等的能量源,导致弥散在岩石内部的微缺陷不断演化,从无序分布逐渐向有序发展,形成宏观裂纹,最终宏观裂纹沿某一方位汇聚形成大裂纹导致整体失稳(灾变)。从力学角度而言,它实际上就是一个从局部耗散到局部破坏最终到整体灾变的过程。从热力学上看,岩石(岩体)这一变形、破坏、灾变过程是一种能量耗散的不可逆过程,包含能量耗散和能量释放。岩体总体灾变实质上是能量耗散和能量释放的全过程,而灾变瞬间是以能量释放作为主要动力。