“三硬”煤层巷道冲击地压发生机理研究

结合现场实测、理论分析和数值模拟等方法,系统研究了"三硬"煤层巷道冲击地压发生的机理。现场地应力测量结果表明,大同矿区存在明显的水平构造应力,通过力学分析发现侧压系数与煤壁冲击线性相关;用关键层理论对坚硬底板冲击地压进行了分析,认为其影响因素有:底板关键层的厚度及其与底板表面的距离、水平构造应力以及工作面采动等;由数值分析结果可知:巷帮的水平位移与施加的水平载荷呈线性正比关系,当水平载荷足够大时,若巷帮一定深度范围内存在或产生了垂直裂隙,且顶底板岩层与煤层分离,巷帮将发生煤壁整体推出型冲击地压;底板岩层水平拉应力最大值随着巷道宽度的增加逐渐向底板深处发展并出现离层,导致底板关键层突然断裂,发生底板冲击地压。     

“三硬”煤岩组合体冲击倾向性数值分析

采用RFPA2D对坚硬顶板、坚硬煤层、坚硬底板三体模型进行冲击倾向性数值试验研究。结果表明:坚硬顶板组合体峰值后突然失稳,易发生冲击地压;坚硬煤层组合体峰值前储存大量弹性能且瞬时释放,极易发生冲击地压;坚硬底板组合体峰后曲线呈现阶梯性缓慢下掉,不易发生冲击地压。组合体声发射能量释放分成3个阶段。坚硬顶板组合体和坚硬煤层组合体能量瞬时集中释放,坚硬底板组合体能量缓慢释放。虽然坚硬底板组合体释放总能量大于坚硬顶板组合体,但能量释放机制不同。     

济三煤矿6303工作面巷帮冲击矿压机理研究

老顶是厚层砂岩或其它坚硬岩层顶板容易聚积大量的弹性能,破断或滑移失稳过程中,大量的弹性能突然释放,形成强烈震动,导致冲击地压的发生。如果底板也是坚硬岩层结构的冲击危险煤层,更具冲击危险性。     

临空留巷底板冲击地压启动区判定与分步防治技术

以山西余吾煤业N2105工作面回采过程中临空留巷底板冲击地压为工程背景,理论分析底板冲击地压可能的冲击启动区及主导应力源,采用数值模拟追踪煤层开挖后侧向煤柱及留巷围岩各向应力、位移的演化过程,建立采空区影响下留巷底板水平应力演化模型并进行验证。基于临空留巷底板冲击地压主导力源判定及能量传递过程分析,提出该类底板冲击地压分步防治关键技术,并进行现场应用。结果表明:煤层开挖后中,临空留巷底板在破坏深度范围内存在"卸压通道"机制,临空煤柱垂直应力不断增长的同时,留巷底板水平应力通过"卸压通道"释放,释放程度与该通道宽度呈正相关。临空煤柱帮内弹性核区为留巷底板冲击地压的冲击启动区,其不断增长的垂直应力为主导载荷源,而非留巷底板水平应力。为阻止该类底板冲击地压发生启动,关键在于削弱采空区侧向顶板压力传递作用及煤柱弹性能积聚水平,弱化留巷底板只能缓和冲击显现强度,非对称支护对留巷围岩变形破坏特征的适应性更强。     

深部巷道应变型冲击地压能量模型及近场围岩供能规律研究北大核心

近场围岩弹性变形能的积聚及突然释放是深部巷道应变型冲击地压发生的本质。为了进一步认识近场围岩能量对冲击地压灾害的作用机理,采用理论分析和数值模拟相结合的方法,建立应变型冲击地压“供能体-冲击体”模型,提出应变型冲击地压发生的能量分阶段作用过程,揭示了不同因素下应变型冲击地压能量源对冲击体的供能规律。结果表明:应变型冲击地压发生过程中,供能体能量占近场围岩系统总能比例与供能体-冲击体刚度比呈负相关;顶底板弹性模量越高,深部煤体供能占比越高,顶底板供能占比越低;冲击深度越大,对应深部煤体供能占比越低,顶底板供能占比越高;在顶底板岩层较硬的条件下,应变型冲击地压的防治在于降低深部煤体储能,减小深部煤体供能;在顶底板岩层较软条件下,应变型冲击地压的防治应加强顶板支护与底板卸压,减小顶底板供能;顶底板岩层是强应变型冲击地压的主要能量源,深部煤体能量对弱应变型冲击起到主导作用。     

大型逆冲断层区域冲击地压频发地质原因分析

为了厘清义马煤田南部F16大型逆冲断层区域冲击地压频发的地质原因,分析了义马盆地和F16逆冲断层的演化过程,研究了F16逆冲断层的构造应力场,并通过建立义马煤田数值模型,计算了煤田竖向应力、剪应力和水平应力等,构造应力场分析和数值计算结果表明,义马煤田地应力以水平应力为主,最大主应力方向为南北向,南北向的水平应力导致义马煤田南部F16逆冲断层和义马向斜轴部区域坚硬岩层发生错断、弯曲变形,积聚了大量弯曲弹性能,煤岩体应力高度集中,加之“两硬夹一软”的特殊的煤岩体结构,在采掘扰动作用下,顶底板坚硬岩层中所积聚的应力在煤层、煤矸互叠层等软弱区域释放,导致该区域冲击地压事件频发。     

冲击危险巷道底板开槽卸压参数研究

针对底板型冲击地压防治,切槽机具的成功实践使得底板开槽卸压具有潜在应用价值,但目前对其防冲机理及参数研究尚不深入.本文基于弹性力学板壳理论与动静载叠加诱冲原理,研究揭示了巷道底板型冲击地压机理并得出了底板冲击破坏临界判别式.基于理论分析与数值模拟,提出了将底板应力梯度、弹性能积聚程度及巷道位移量作为防冲效果评价指标用于...     

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...     

矿井深部开采冲击地压发生的规律及影响因素

论文总结了开滦矿区唐山煤矿矿井冲击地压发生的一般规律，将冲击地压的影响因素按照力源因素进行了系统分析，指出构造应力和构造应力大是发生冲击地压的重要因素，在工作面开采过程中坚硬顶板断裂是发生冲击地压的主导因素。     

防治冲击地压的应力三向化理论研究及应用

基于欧拉小挠度理论建立了顶底板压杆稳定模型,煤层卸压将增加顶底板的临界载荷,增加顶底板发生冲击地压的可能性,以此提出了冲击地压治理的应力三向化理论,以济三煤矿163下00工作面为例,对冲击危险区采取了煤层卸压和爆破断底解危措施,通过钻孔窥视仪检验爆破断底的效果,观测孔发生变形、破裂或破碎,证明坚硬底板已经卸压,巷道围岩达到了应力三向化状态。工程实践表明,运用应力三向化理论对冲击危险巷道进行解危,可有效地防治冲击地压。     

深部矿井冲击地压、瓦斯突出复合灾害发生机理

为了探索深部矿井冲击地压、瓦斯突出复合灾害机理,为复合灾害的有效监测与防治提供理论基础,通过试验研究和理论研究相结合的研究方法,研究了瓦斯对煤岩体力学性质和冲击倾向性的影响,建立了圆形巷道冲击地压、瓦斯突出复合灾害模型并进行了解析分析,探讨了冲击地压和煤与瓦斯突出的诱导转化机理。结果表明:随着瓦斯压力的增大,煤岩体强度降低,弹性模量减小,峰值应变减小,冲击倾向性降低;煤岩体应力存在一个临界值,当煤岩体应力超过临界煤岩体应力时,系统失稳发生冲击地压、瓦斯突出复合灾害;冲击地压、瓦斯突出复合灾害的临界煤岩体应力随瓦斯压力的增加而减小,随煤岩体强度的增大而增大,随冲击倾向性的增大呈现先减小后增大的趋势;冲击地压诱导瓦斯突出多发生在煤岩体中存在含气封闭断层等储气构造或煤层底板含有高弹性模量岩层(夹层)等情况,瓦斯突出诱导冲击地压多发生在软硬煤相间、相互包裹的煤层或突出过程中破碎煤岩体的抛出形成较大的空顶面积等情况。     

构造应力场煤巷掘进冲击地压能量分区演化机制

在新建深部矿井,原岩应力区煤巷掘进冲击地压问题日益突出,且现场破坏具有区间性和方位性特征,为揭示这一机制,针对深部构造应力场条件下的煤层掘巷,基于数值模拟和理论分析研究,建立不同掘进速度下围岩弹性能空间分区演化模型,划定能量非稳态释放边界,分析其分布形态与能量特征,结论与现场实际破坏情况较为吻合。研究结果表明:依据弹性能所处状态及变化特征的不同,构造应力场煤巷掘进围岩在空间上可划分为6类区间,顶底板内同时分布能量积聚区和释放区,而巷帮仅存在能量释放区,这与最大主应力的做功特征密切相关。掘进速度增大时,围岩弹性能释放区的走向范围将同时向两端扩展,非稳态释能边界沿走向不断拉长,具有冲击风险的范围不断扩大。构造应力场中,巷帮潜在冲击启动区位于工作面附近,其冲击发生必要条件包括高原岩应力和快速掘进。巷帮和工作面潜在冲击启动区均位于围岩浅部。由于滞后区顶底板能量非稳态释放前积聚水平更高,加上顶板和帮部支护作用,导致底板滞后区冲击破坏强度要大于工作面附近顶底板和巷帮冲击破坏强度。研究结论与构造应力场现实冲击案例较为吻合,对构造应力场煤巷掘进冲击地压监测预警及解危方法的研究具有参考意义。     

急倾斜极薄矿脉削壁充填法开采采动压力监测

二道沟金矿为急倾斜极薄矿脉,采用削壁充填法与浅孔留矿法开采,随着采深的增加,发生了多起采场岩爆。为研究岩爆发生所需高应力的来源,特对开采过程进行了采动压力监测。采用巷道变形收敛监测的方法,实测了1530采场削壁充填法回采过程中,穿脉监测巷道顶底板和两帮的收敛变形。监测结果表明：随着回采高度的增加,监测巷道顶底板间距呈减小的趋势,而两帮间距则呈增大的趋势,且两帮的变形幅度比顶底板的变形要大。并根据两帮各监测点最大收敛值,绘制了采动压力特性曲线。由该曲线可知,采动压力在距上部采场上盘回采边界约7 m的范围内形成波峰,再往上盘侧则趋于平缓。对于这种比较集中的采动压力分布特点,适合采用卸压的方法对其进行控制,从而达到阻止岩爆发生所需外部高应力条件的形成。     

基于地质动力区划的近直立特厚煤层冲击地压危险性评价

基于地质动力区划方法,确定了乌东煤矿冲击地压主要影响因素及其相互作用关系,对乌东井田发生冲击地压的地质动力环境进行了评价。乌东矿区位于博格达断裂带体系中,断裂带北缘处于强烈的压缩状态中,井田受构造活动的影响强烈。地质动力区划方法确定了断裂活动特征与井田构造形式,在分析了近直立特厚煤层原始应力的基础上,建立了近直立特厚煤层冲击地压的危险性评价方法,确定了乌东煤矿南采区冲击地压点主要发生在高应力区和应力梯度区。应用FLAC3D数值计算方法,确定了开采活动对乌东煤矿冲击地压的影响,并对冲击地压危险区域进行了划分与预测。研究表明,在构造应力的影响下,乌东井田围岩能够产生较大的压缩应变,积聚较高的弹性潜能,为冲击地压的发生提供了能量条件,开采活动使工作面所在煤体的弹性能更加接近由稳态向非稳态转变的临界,增大了冲击地压发生的危险性。在南采区的高应力区和应力梯度区应加强冲击地压监测和采取解危措施,避免冲击地压的发生。     

Numerical simulation of deep-level rockburst in Fuxin coalfield

On the basis of ANSYS finite element model(FEM) software, the deep-level rockburst in Fuxin coalfield was simulated numerically. Based on Haizhou Mine and Wulong Mine as two typical deep-level rockburst examples in Fuxin coalfield, the rules and characteristics of the deep-level rockburst were analyzed. And the models were established. For Haizhou mine, the relationship between mining distance and rockburst was presented when 100, 300, 600 m were mined in 3313 working face. When 300 m were mined, the rockburst began to emerge. When 600 m were mined, the rockburstwas the most possible to happen and the compression stress of the working face reached to the maximum value. The effect of tectonic stress on synclinal axis is also a key factor to rockburst occurrence. This was verified by the rockburst happened when 496 m were mined. For Wulong mine, based on the 311 working face as an example,the contours of Y stress in the roof and floor were obtained when the mining distance were 100, 200, 300 and 400 m. When 100 and 400 m were mined, the high stress concentration regions occurred in the front of working face. This shows the rockburst is easy to happen. It is confirmed by the rockburst when 91m were mined in 311 working plane.The above indicates that the numerical simulation has instructive rule to study the deep-Ievel rockburst in Fuxin coalfield.     

底板型冲击危险巷道深孔断底爆破防冲原理及实践研究

通过采用弹性薄板小挠度理论对巷道底板受力分析,弄清冲击危险巷道底板冲击的主要影响因素,采用理论分析、数值计算相结合的方式研究断底爆破的防冲机理和优化方案,并对深孔断底爆破的防冲效果进行现场验证。研究发现,采动水平应力是造成巷道底鼓的主要原因,而底板的分层厚度、力学性质以及巷道两侧围岩的支护强度是巷道底鼓的主要影响因素。当底板岩层为致密厚质岩层时,当其断裂过程中所释放的弹性变性能会造成底板型冲击动力显现。深孔断底爆破其防冲实质为钻孔卸压法与振动爆破法防冲技术的有机结合。采用底板中部断底爆破与煤层断底爆破相结合的方式,不但可以释放底板内积聚的高应力,破坏其连续传递应力和积聚高能量的能力,也可使巷帮煤体的应力得到释放,卸压效果更为明显。     

浅埋深坚硬顶板工作面冲击地压微震时空前兆信息特征

为提高冲击地压矿井现场防冲措施实施的针对性,以宽沟煤矿B2煤层I010203工作面为工程背景,研究其历次矿压显现事件发生前后的微震监测信息时空演化规律.结果表明:I010203工作面矿压显现事件震源位置受上层"刀把型"采空区边界影响,具有阶段性特征,且主要集中于工作面中下部、 区段煤柱和侧向采空区围岩,垂向上大多位于煤...     

大红山铁矿深井大规模开采岩爆综合评价

大红山铁矿是特大型深埋矿床,在深井开采时遇到的一个技术难题就是岩爆。为评价岩爆倾向性烈度,对该矿深部5种岩样进行室内岩爆倾向性试验,并采用声发射方法确定岩石接近峰值强度时的卸载点;通过地应力现场实测和三维有限元数值模拟,获得深部最大主应力和巷道开挖后最大切向应力;采用最大主应力判别法、切向应力准则、强度脆性系数法、变形脆性系数法、弹性应变能储存指数法这5种评价方法,对岩样的岩爆倾向性进行单项指标评价,分别得到各矿岩岩爆倾向性烈度。然后采用模糊数学法,对各单项指标评价结果进行综合评价。结果表明:深部主要矿岩体总体上具有发生中等岩爆和强烈岩爆的倾向性。最后,通过评价结果,在岩层图上绘制典型水平岩爆倾向性分布区域,可为深部开采和岩爆防治提供参考依据。     

岩爆的超声波监测及预测预报方法试验研究

针对岩爆监测研究的不足,开展了完整硬岩岩爆单轴压缩试验及全过程超声波监测,分析了完整硬岩岩爆破坏特征及超声波前兆规律,探讨了完整硬岩岩爆的预测预报。结果表明:对于完整硬岩岩爆,当加载载荷达到其峰值强度便产生噼啪声响,随之发生爆裂,通过分析碎片,发现试样靠近外部区域劈裂现象明显,越靠近试样内部其破裂面的粉化程度越严重,剪切现象越明显,是源于内部被约束程度的增加导致的强烈摩擦作用和高耗能的结果;通过对完整硬岩岩爆全过程超声波监测,发现波速由平稳不变发展到波动状态、首波波幅由微小的起伏波动发展到较大的起伏波动、衰减系数从增加转为下降均可作为岩爆发生的前兆;首波波幅由总体上减小转为明显增加也可作为岩爆发生的前兆,首波波幅由一直减小发展到微小起伏波动可作为岩爆发生的前兆;硬岩超声波频谱图可反映硬岩试样在载荷作用下其内部由变形发展到产生损伤再到破裂随即岩爆的过程。