高应力区分层开采冲击地压事故发生机理研究

以某矿厚硬顶板条件下特厚煤层上分层开采发生的巷道与工作面同时冲击的事故为背景,研究事故发生的机理与治理方法。研究表明:引起事故的主要力源来自上层煤煤柱、不等宽区段煤柱、巨厚坚硬顶板和大断层等形成的集中应力;主要冲击灾害体是巷道和工作面内的底煤;底煤发生冲击的主要力学机理是底煤在水平应力突变条件下发生屈曲破坏,并在垂直应力作用下发生冲击性滑移。提出了上层煤柱对下层煤采动影响范围与冲击危险范围的评估方法,为制定恢复生产方案提供了科学依据。根据发生事故的机理,制定并实施了恢复生产的方案,通过实施危险区卸压措施和建立冲击危险实时监测预警体系,工作面恢复了生产,保障了安全开采。     

基于粘滑理论的断层冲击地压发生机理研究

冲击地压是目前我国煤矿开采发生的主要动力灾害之一,并常发生在断层、褶曲和煤层变化带等构造异常区域,给矿井造成严重的破坏后果。针对断层冲击地压频繁发生的情况,采用相似模拟和数值模拟的方法,对断层冲击地压发生过程及其应力场演化规律进行了研究;并基于"粘滑理论",从力学的角度对断层冲击地压发生机制进行了阐释。研究结果表明:工作面接近断层时,断层冲击地压的发生过程可分为"起始活化"—"剧烈活化—"冲击显现"三个阶段;开采活动引起了覆岩破坏,导致裂隙带向断层扩展,断层应力场受到扰动,从而诱发了断层冲击地压;采动影响使得断层带应力场呈现应力比先减小后增大的变化规律,当应力比达到极值时,断层错动失稳;开采扰动导致断层开始粘滑的临界剪应力值降低,使得断层剪应力更易达到该阈值,是断层冲击地压的根本原因。     

煤体振动方法防治冲击地压的机理研究

 研究了一种新的冲击地压控制方法, 即煤体振动方法的机理。在实验上, 采用分形几何方法, 研究了煤体在受振后裂隙的变化规律, 发现受振后煤体的分形维数增大, 表明煤体的裂隙增加, 且经过一定振动时间后, 分形维数趋于稳定; 研究了振动对煤体力学性质的影响, 发现受振后煤体的抗压强度、弹性模量和降模量降低, 且受振时间越长或初应力水平越高, 振动对煤体力学性质的影响越明显。应用采煤工作面和巷道冲击地压的分析结果, 从理论上证明了煤体受振后煤岩体的稳定性增加。     

特厚煤层冲击地压重复发生的机理研究

以现场同一区域重复发生冲击地压为工程背景,通过理论分析、现场监测、数值模拟等方法研究冲击地压重复发生机理,得出如下结论:1特厚煤层重复冲击区域存在应力恢复现象,而力源作用下的特厚煤层的扩容是导致应力恢复的主要原因;2重复冲击是冲击体受到的冲击力与阻抗力多次搏弈的结果,煤体由完整状态向碎裂状态过渡过程中满足冲击力大于阻抗力的条件而发生多次冲击,直至煤体进入碎裂状态;3通过消除力源、阻止应力恢复可防止冲击地压重复发生。研究结果对防治特厚煤层冲击地压具有重要意义。     

冲击地压煤层局部保护层开采的减压机理研究

保护层开采是区域性防治冲击地压的有效方法,但当开采保护层不具有经济价值、不开采保护层又不能保证主采煤层防冲安全的条件下,提出了开采局部保护层的防冲方案并进行了防冲和防大变形灾害的机理研究。为了论证开采局部保护层防冲方案的安全性,通过建立局部保护层和被保护层的力学关系模型,推导了在局部保护层作用下岩体应力的计算公式,绘制了不同宽度局部保护层条件下引起冲击的垂直应力和剪应力分布云图,给出了发生冲击和大变形边界的应力判据,为设计被保护层巷道的安全位置提供了理论依据。结合河南某煤矿的实际情况,给出局部保护层减压效果的计算方法,计算结果在该煤矿强冲击危险工作面设计中得到了应用。     

“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。     

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。     

冲击载荷作用下双裂纹材料断裂实验研究

采用透射式焦散线实验系统,进行了预置双裂纹有机玻璃试件在冲击载荷作用下的断裂实验,并与单裂纹材料进行比较,结果表明,应力强度因子与冲击能量、试件形状、裂纹的分布位置以及几何尺寸有关;应力强度因子在裂纹扩展前后呈现波动变化特征;Ⅰ型载荷为主要加载方式;与单裂纹试件相比,应力强度因子值有不同程度的降低。     

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。     

偏W型通风工作面小煤柱设计公式的探讨

为了解决偏W型通风工作面小煤柱的合理尺寸留设难题,通过对掘巷和采煤两个阶段的小煤柱应力分布和变形特征进行分析和研究,科学提出了煤柱的力学模型,在弹塑性极限平衡理论的基础上,运用损伤力学的相关理论推导出偏W型通风工作面小煤柱宽度的设计公式。运用该设计公式计算出段王煤矿090506偏W型通风工作面小煤柱合理宽度为13.3 m,比原设计方案小3.3 m。最后通过FLAC^3D三维数值计算程序进行仿真模拟,验证了小煤柱设计公式的准确性与适用性。     

综采面多层坚硬顶板破断特征及其安全控制研究

祁东煤矿8_2煤层覆岩存在多层厚度较大坚硬岩层,初次跨落步距大,周期断裂悬顶长,严重危害工作面的安全生产。通过分析坚硬顶板的岩梁结构、力学特性,建立了初次来压双固支梁模型,判断出关键层的位置,获得了顶板初次垮落及周期垮落步距。并建立了有矸石支撑的周期跨落悬臂梁模型,根据平衡关系计算得到给定支架载荷下的合理悬顶长度。采用超前深孔预裂爆破技术弱化坚硬顶板,设计了合理爆破参数。开采实践表明,采用的爆破技术实现了对坚硬顶板的有效控制,减小了基本顶跨落步距,降低了来压程度,保证了工作面的安全正常开采。     

岩爆形成的力学机理及施工防治浅谈

本文以多个国内地下工程的岩爆资料为基础,对岩爆彤成的力学机理进行了详细的分析,时多处工程实例进行研究,总结了目前岩爆过程发生的条件。最后。就国内外的常用和新型监测预报、防治方法予以阐述和归纳。     

深部复杂立体边界采场冲击地压防控技术研究

深部复杂立体边界采场在采掘期间很容易发生冲击地压,若采场再留有宽度较大的不规则阶段煤柱,则采场的冲击地压危险性更高。以侧向留设不等宽煤柱、回风顺槽上侧为立体不规则开采边界的赵各庄煤矿4137工作面为研究背景,建立了采场顶板结构力学模型,进行了冲击地压成因分析;在基于耗散结构体的耗散机制研究基础上,针对4137工作面煤层赋存条件,提出了以“L”、“I”型耗散结构体为主导的冲击地压防控技术;通过在不等宽煤柱区域实施“L”型耗散结构体,调整回采巷道煤岩体侧向集中高应力分布、改变了煤层能量耗散模式;通过在工作面实施“I”型弱结构体,在采场超前区域制造出一个动态移动的耗散结构释能体,该耗散结构体扩大了应力场范围、降低了应力集中程度、改变了煤体冲击能量聚集模式;煤层注水使采场煤体得到充分弱化,强化了耗散结构体的防冲功能。该防控技术在4137工作面进行了现场试验,试验显示冲击地压得到有效控制。     

米仓山深埋公路隧道岩爆预测与防治对策研究

岩爆是地下工程中一种严重的地质灾害,其破坏性巨大,是一项世界性的难题。为对岩体岩爆危险性进行综合分析,提高岩爆预测精度,本文从理论分析和现场测量两方面归纳了学术界隧道岩爆判据研究现状,建立了岩爆综合分析与预测系统框架。以米仓山公路隧道为例,结合数值模拟和岩爆综合分析与预测系统对其岩爆的趋势进行了预测。结果表明,隧道开挖后,隧道周边产生较大的应力集中,而且开挖使隧道周边围压迅速降低,产生较大的主应力差,导致围岩发生岩爆。预测米仓山隧道K49+175~K50+650段以弱~中等岩爆为主,最大埋深段附近为中等岩爆,局部可能发生较强烈岩爆。针对工程进展情况和岩爆情况提出了相应的防治对策。     

山地浅埋煤层工作面支架合理工作阻力研究

针对山地浅埋煤层开采过程中工作面出现的矿压显现强烈,支架被压死或支架尾梁与顶梁分离等现象,通过建立山地浅埋煤层基本顶初次垮落时岩块触矸前控制基本顶滑落失稳的结构力学模型对山地浅埋煤层开采工作面支架合理工作阻力进行了研究。研究表明:山地浅埋煤层开采过程中基本顶出现滑落失稳的可能性相对较大,且基本顶的初次破断具有不对称性,通过计算得出发耳井田1、3煤层山地浅埋煤层工作面液压支架工作阻力应大于5 773 kN。     

基于弯曲模式的层状采动斜坡变形破坏机理研究

为揭示采空区反倾斜坡变形破坏机理,针对采空区顶板层状岩体提出固定梁约束模型,并根据已有研究给出其基于结构力学和最大拉应力准则的弯曲折断应力判据。为验证约束模型的效果,以纳雍左家营崩塌为例,在详细地质调查的基础上,选取典型地质剖面1-1′剖面,对面积最大的1号采空区顶板每隔10 m取一个计算点,计算出固定梁约束模型下采空区顶板不同位置处的弯曲折断应力,同时利用FLAC^3D对其进行数值模拟,最后综合结构力学计算结果、数值模拟结果和地质调查对左家营崩塌机理进行分析。研究结果表明：固定梁可作为采空区顶板反倾层状岩体的受力模型,采空区顶板受力由固定梁向简支梁转化;采空区两侧端面应力集中现象明显,且应力集中朝顺倾向偏移,顺倾向应力集中较反倾向显著,采空区顶底板中部局部呈受拉状态,塑性区以剪切破坏为主;上硬下软不利岩性组合和节理裂隙发育的岩体造成的岩体结构破碎是崩塌源区形成的关键因素,高度临空的斜坡地形为崩滑提供了有利地形,采空区应力调整导致已有裂缝裂隙不断扩展、贯通,加剧斜坡失稳,最终形成崩塌。     

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。