应用煤岩组合模型方法评价煤岩冲击倾向性探证

在大量实验室试验的基础上，总结、分析了煤岩组合模型的冲击倾向性，并与单一煤模型的冲击倾向性进行了对比分析。研究结果表明，采用煤岩组合模型测得的冲击倾向性指标均高于单一煤模型；同时考虑到实际煤岩层结构特点与覆存特性，建议采用组合模型来评价煤岩冲击倾向性。     

模拟层状岩层样品失稳的冲击倾向性实验研究

为了弄清顶底板和煤体强度对煤岩系统冲击倾向性的影响以及三者之间的联系,探明静载条件下坚硬的顶底板能否引起冲击矿压。在实验室利用混凝土模拟8种不同强度的煤岩组合,利用MTS试验机在静载条件下对样品做单轴压缩试验,以动态破坏时间,单轴抗压强度和破坏时声音大小评估样品的冲击倾向性。实验结果表明:煤层决定了煤岩系统的强度与冲击倾向性,坚硬的顶底板可以增加软弱煤层的冲击倾向性,软弱的顶底板也可以减小坚硬煤层的冲击倾向性;顶底板对系统冲击倾向性的影响与煤体的性质紧密相关:当煤体软弱,坚硬底板能限制其变形,尤其是与坚硬顶板形成加持作用能显著提高系统冲击倾向性;当煤体坚硬,底板强度对系统冲击倾向性影响很小,顶板强度的增加能增强系统的冲击倾向性;当底板和煤体都软弱,顶板强度对系统冲击倾向性影响很小;在静载条件下,单纯坚硬的顶底板并不是引起冲击矿压的必要条件。     

深部矿区煤岩体强度测试与分析

 基于钻孔触探法原理,开发出小孔径井下煤岩体强度测定装置。在实验室对34个煤岩样品进行试验：在煤岩块上钻取标准试件,测量单轴抗压强度;在留下的钻孔中,用煤岩体强度测定装置测定探针临界载荷,分析探针破坏钻孔壁煤岩的形态;然后确定煤岩块单轴抗压强度与探针临界载荷的关系。试验表明,探针破坏钻孔壁煤岩的形状、深度及范围与煤岩性质密切相关。煤岩体强度越高,破坏范围、侵入深度越小,破坏形状越规则。结合井下实测数据,回归得出描述探针临界载荷与煤岩体单轴抗压强度关系的公式。同时,分析临界载荷的离散性及控制措施,讨论结构面对煤岩体强度的影响及测试分析方法,并在典型的深部矿区——新汶矿区进行井下原位测试。新汶矿区巷道顶板不同岩性的岩层强度相差很大,不同矿井的岩层强度也存在明显差别。煤层强度由于煤帮出现破碎区、煤层性质不均匀、煤层结构面分布不均匀等原因变化较大,出现明显的波动。基于井下煤岩体强度实测数据的巷道支护设计,符合井下环境中的煤岩体条件,设计的合理性与可靠性显著提高,巷道围岩稳定性与支护状况得到明显改善。最后分析钻孔触探法存在的问题,并提出改进建议。     

煤岩冲击倾向性研究进展及综合定量评价指标探讨

调研分析我国冲击地压矿井生产条件,发现复杂地质条件及孤岛工作面是冲击地压高发区域,但浅埋、近水平、薄煤层、无构造区域也常发生冲击地压,而几乎所有冲击地压矿井煤层均具有冲击倾向性,表明冲击倾向性是矿井发生冲击地压的内因,对其进行准确评价是矿井冲击风险评估的基础。系统总结煤岩冲击倾向定性分析及定量评价研究进展,探讨现有冲击倾向性评价方法的科学性及面临的理论与技术难题,并提出一种可考量强度、应力与能量演化及动态破坏时间的综合评价指标。定性分析表明,煤岩材料内部不同矿物组分的含量、分布及原生缺陷等细观特征影响其宏观变形破坏行为,进而决定其冲击倾向性;不同冲击倾向性煤岩体受载所释放声、热、电、磁等信号特征具有显著差异;水、温度、试件尺寸、加载方式等直接影响煤岩冲击倾向性测试结果。定量评价表明,针对强度指标、时间指标、刚度指标、变形指标及能量指标五大类指标,归纳、分析煤岩冲击倾向性单一评价指标研究进展,并分别讨论其科学性及存在的问题。基于应力状态与弹性应变能积累间线性关系,计算峰值强度时刻弹性能量积累,建立可考量强度、应力与能量演化及动态破坏时间的综合评价指标,并给出相应分类临界值。     

煤岩冲击倾向性指标试验研究进展

系统地总结了煤岩冲击倾向性研究新进展,主要内容包括:煤岩冲击倾向性的概念、冲击倾向指标的建立及其物理意义、冲击倾向性指标的宏细观研究、煤岩组合模型的冲击倾向性、煤岩水理特性对煤岩冲击倾向性的影响、不同冲击倾向性煤岩的声热电磁波效应的研究及其煤岩冲击破坏的前兆信息识别的探讨,以及对煤岩冲击倾向性的一些新认识。分析得出目前的研究新进展主要建立在试验与唯象认识,下一步研究要转变思路,建立从唯象描述到机理分析及理论构建,并运用物理模型和数学模型表征煤岩冲击机理将成为重中之重。并提炼出煤炭开采中冲击倾向性研究需要解决的5个方面的科学问题:全面衡量煤岩冲击能力,建立考虑地质赋存环境的宏观冲击倾向性指标并进行定量分析;建立基于煤岩矿物成分、细观结构的冲击倾向性细观评价指标体系及判别准则;组合煤岩模型的冲击倾向性试验的合理创新;探求地球物理信息变化与冲击倾向性之间的关系及量化分析方法;建立基于冲击危险前兆信息的多参量综合监测预警及防治体系,指出煤岩冲击倾向性研究方面仍然需进行大量的基础试验、现场实测及理论研究工作。     

饱水时间对千秋煤矿2#煤层冲击倾向性指标的影响

 为分析饱水时间对煤体的力学性质与冲击倾向性指标的影响,对千秋煤矿2#煤层自然和饱水7～28 d处理后煤样,在RMT–150B岩石力学试验系统进行冲击倾向性指标测定。结果表明：在自然与饱水状态下,煤样的抗压强度与弹性模量、峰前积蓄能量和冲击能量指数均成正相关。饱水煤样的抗压强度、弹性模量、冲击能量指数以及峰前积蓄能量均有不同程度降低。饱水7～10 d后煤的力学性质和冲击倾向性指标变化显著,而后有所减缓。在自然含水状态下,2#煤层属于中等冲击类(II类),饱水7～28 d后2#煤层的冲击倾向性指标有较大降低,由中等冲击类变为弱冲击类(弱II类);建议千秋煤矿采煤工作面注水超前时间7～10 d,超前距离约30 m为宜。     

矩形断面巷道冲击地压机理研究

基于顶板剪切梁模型研究矩形巷道冲击地压发生问题,得到矩形断面巷道发生冲击地压的临界塑性软化区深度和临界载荷,分析巷道宽度、巷道高度或煤层厚度、顶板厚度等几何因素,以及煤层与顶板刚度比、煤的模量比、煤的强度参数、侧压力系数和水平应力分布指数等煤岩力学性质因素对临界条件的影响规律。结果表明:巷道顶板岩层以剪切变形破坏为主,当临界塑性区深度与临界载荷较小时,易于发生冲击地压,其发生频度较高,强度较小,破坏性较小;反之,冲击地压不易发生,其发生频度较低,一旦发生其强度会较大,破坏性较大。临界塑性区深度与巷道宽高比、初始黏聚力的大小无关,随顶板厚度、刚度比、模量比、水平应力分布指数的增加而增大,随煤层塑性软化刚度、内摩擦角、侧压力系数的增加而减小。临界载荷随巷道宽高比、煤层塑性软化刚度、水平应力分布指数的增加而降低,随顶板厚度、刚度比、模量比、初始黏聚力、内摩擦角、侧压力系数的增加而增大。     

城郊矿煤样冲击倾向性指数的试验研究

利用 RMT-150B 伺服试验机对城郊矿煤样进行冲击倾向性试验,试验结果表明：测定冲击倾向性指数时煤样峰后变形特征与加载控制方式相关,测定动态破坏时间采用应力控制方式,冲击能量指数则采用应变控制方式;煤样的抗压强度与弹性模量、冲击能量指数、弹性能量指数和剩余能量指数呈正相关,而与动态破坏时间呈负相关,表明煤样抗压强度越高时发生冲击地压的危险程度越大;煤样的冲击能量指数与弹性能量指数,弹性能量指数与剩余能量指数均具有良好的正相关性;动态破坏时间与冲击能量指数具有呈良好负相关;剩余能量指标和弹性模量能否作为评判煤层冲击性等级划分有待进一步研究;城郊矿二2煤层煤样的动态破坏时间为306 ms、弹性能量指数为5.91、冲击能量指数为2.48、单轴抗压强度为8.86 MPa,依据规程模糊综合法评判二2煤层属于弱冲击类。     

煤冲击破坏的微破裂演化特征及前兆识别

煤岩冲击倾向性是冲击地压发生的重要条件。针对冲击倾向性煤微破裂演化特征及前兆识别难题开展研究,利用MTS试验机开展单轴压缩试验,综合运用声发射和高速摄像机监测手段,研究冲击倾向性煤应力变化–弹性能耗散–动态冲击破坏特征,得到煤峰前微破裂事件的时空强发育规律,构建冲击危险度指标,定义冲击危险指数,并开展前兆识别,结果表明：(1)冲击倾向性煤样峰后存在阶梯状子破坏,子破坏的应力降幅值越大,且应力降速率越快,峰后冲击破坏越剧烈,煤样分区微破裂相互交汇造成整体的冲击破坏;(2)煤样内部存在多个破裂成核区域,区域内大尺寸裂纹(大能量事件)是由众多小裂纹(小能量事件)周期性累积集中孕育,峰前大能量事件集中区域与峰后冲击破坏位置基本吻合;(3)在煤塑性应力降附近和峰值应力降前,微破裂事件呈现出短时强烈局部化特征,对应的冲击危险指数均超过1,对煤即将发生的宏观破裂(应力降)具有预警作用,可作为有效前兆指标。研究成果可深入挖掘煤岩破裂前兆信息,为煤岩灾变及冲击地压的监测预警提供参考。     

孙村煤矿－1 100 m水平深部煤岩冲击倾向性组合试验研究

冲击地压灾害防治是深部开采面临的重要难题之一。对孙村煤矿-l100m水平(埋深1310m)延伸时煤岩的冲击倾向性进行了试验研究。为探求煤-岩层相对厚度变化对深部煤岩体冲击倾向的影响，进行了7组不同高度比的煤岩组合试件力学性质与动态破坏特性的试验研究，获得了深部煤岩冲击倾向性评判结果；研究了浸水对深部煤岩强度与冲击倾向的影响，为该矿防治冲击地压提供了试验依据。     

含瓦斯煤弹性应变能计算新方法研究

为了探索含瓦斯煤破坏时释放弹性应变能的科学计算方法,针对硬岩与含瓦斯煤力学特征的差异,理论分析了常用冲击倾向性指标法计算弹性应变能的局限性。基于含瓦斯煤扩容力学特性,提出了以扩容临界点为界限,依据应力-体积应变曲线与横坐标轴围成的面积计算含瓦斯煤弹性应变能的新方法,并分别对硬岩和含瓦斯煤弹性应变能计算分析。结果表明,对于硬岩,常用冲击倾向性指标法和新方法计算结果基本一致,验证了本文提出的新方法的科学性;对于含瓦斯煤,常用冲击倾向性指标方法计算值远远大于新方法计算值。本文提出的“应力-体积应变”弹性应变能计算方法更能反映含瓦斯煤加载过程变形特征,为煤矿动力灾害的防控研究提供理论依据。     

基于测井信息的煤岩GSI-JP破碎分级预测

利用测井信息和Hoek-Brown准则,推导了地质强度指标GSI和岩体强度指数RMi中节理状态参数JP的理论公式,给出了井筒方向煤岩破碎分级的修正GSI-JP分析方法。应用分层地应力模型分析煤岩单点最大、最小主应力,并结合霍克–布朗准则提出煤岩破碎分级辅助判据。根据煤岩GSI-JP值和破碎系数大小将破碎程度划分为A、B、C、D4个等级,确定煤岩破碎分级标准。应用修正GSI-JP分级方法和破碎系数辅助判据,对沁水盆地ZP-1井煤岩段破碎程度进行预测。结果表明：ZP-1井煤岩段修正GSI值为30～50;RMI法JP值大小为0.10～0.25;破碎系数集中在0.8～1.0。对照破碎分级标准,煤岩均表现为较强破碎（B级）;对比室内煤岩结构电镜扫描结果,该方法预测结果与实际煤岩破碎程度近似,验证了预测结果。基于此方法,开发一套煤岩破碎分级预测软件。     

含水量对沉积岩力学性质及其冲击倾向性的影响

 通过试验和统计分析系统研究不同含水条件下煤系沉积岩石力学性质及其冲击倾向性,建立岩石力学性质及其冲击倾向性与含水量之间的相关关系和模型,揭示含水量对岩石力学性质及其冲击倾向性的控制机制。研究表明：岩石单轴抗压强度和弹性模量值随含水量的增加而降低;不同岩性岩石单轴抗压强度和弹性模量值受含水量的影响程度不同,降低的速率受岩性所控制。在干燥或较少含水量情况下,应力–应变曲线在峰值强度后岩石表现为脆性和剪切破坏,具有明显的应变软化特性,且随着含水量的增加,峰值强度后岩石主要为塑性破坏,应变软化特性不明显。随着含水量的增加,岩石脆性指标修正值(BIM)逐渐增加,弹性变形指数逐渐减小,岩石在受力过程中储存的弹性应变能随含水量的增加而急剧减少,而消耗的塑性永久变形能相对增加,即岩石的冲击倾向性随含水量的增加而显著降低。     

考虑峰后能量非稳态释放的硬煤脆性度指标

针对现有基于压缩应力–应变曲线峰后跌落斜率指标无法区分直线式、弧线式、台阶式跌落的缺点,提出基于能量非稳态释放理论的硬煤脆性度指标。煤的脆性度是煤体到达峰值后在外部很少能量作用下,煤体内所蕴藏的能量释放快慢的表征参数。通过研究煤峰前能量积聚过程和峰后能量非稳态释放规律,建立硬煤脆性度指标的力学和几何模型,并进行理论和试验验证,最后利用该指标研究煤冲击倾向性的脆性分区。结果表明,与其他指标相比,该指标可以充分考虑硬煤相对较长的非线性弹性阶段、较小的塑性段、峰后台阶跌落等特征,数形结合,具有直观性和易算性,也更能体现出硬煤的脆性度差异。     

冲击危险性综合评价的变权识别模型

影响冲击地压的因素进行了分析，根据属性识别理论，建立了有冲击危险煤岩的冲击危险程度综合评价的变权识别模型，利用待评价地点各评价因子的贡献率大小确定变权重系数。由给定的置信度大小对冲击危害程度进行综合评判，进行属性识别分类。该模型最大的优点在于：于生产开始前，可事先对冲击危险性作出预测，以便制定冲击解危措施，实现安全生产，而且对同一类的属性还可利用综合得分排序法进行亚分类。用此方法可进一步揭示评价单元的整体冲击危险性大小，反映出不同介质体系的总体冲击与介质冲击的关系。     

深部岩体断层滞后突水多场信息监测预警研究

断层滞后突水由于其特有的隐蔽性及滞后性特征,突水灾害防治难度较大。针对王楼煤矿断层滞后突水防治工程,开展深部岩体多场信息监测预警研究。深入分析地下水来源及导水通道,在此基础上划分采动过程中断层滞后突水不同阶段,结合隔水关键层理论及物探结果,确定监测预警时间域与空间域,划分温度场、渗压场监测阈值,建立监测预警判识准则;串联传感器组合成监测单元,采用返浆工艺对钻孔分段封堵,实现传感器精确高效安装,通过煤矿安全光纤监测系统实现井上在线监测预警。监测预警结果表明,断层隔水煤柱有效控制断层内裂隙扩展,减弱了断层破碎带导水特性,依据深部岩体监测预警判识准则,工作面开采过程中预警等级为I级,可实现安全开采。研究成果对类似工程具有一定的借鉴意义。     

深孔断顶爆破防治冲击地压的理论与实践

简要阐述我国冲击地压作用机制及控制技术研究现状,深入探讨深孔断顶爆破的作用机制,采用数值模拟方法分析深孔断顶爆破防治冲击地压的基本原理,对于爆破前后的应力场进行对比分析,从计算结果来看,深孔断顶爆破能够从根本上改变煤岩体的应力分布状态,显著降低爆破有效范围内煤岩体中的应力水平,应力峰值出现的位置明显远离煤壁,峰值的大小大幅度降低;结合急倾斜煤层开采条件和倾斜煤层开采条件,进行深孔断顶爆破防治冲击地压的实践,并通过应力监测对其卸压效果进行检验。监测结果表明,采用深孔断顶爆破技术能够有效改变煤岩体的应力状态,对具有冲击危险的区域起到较好的卸压作用;在华亭煤矿急倾斜煤岩层条件下深孔断顶爆破的实践中,在监测期间内,深孔断顶爆破后顶板岩层出现3次明显的周期性垮断现象,压力显著降低,周期来压明显,从而降低冲击危险性,有利于矿井的安全生产。     

冲击矿压模拟试验研究

采用相似材料和煤质材料模拟煤矿冲击矿压发生的过程和现象,揭示了煤壁局部突然失稳形成片帮型冲击矿压的机制,即巷道附近压应力集中区内裂纹平行壁面扩展、贯通,形成层裂板结构,在一定压力下发生压曲破坏。此外,试验采用三维模型和现场煤样,更接实际情况,为此类试验提供了新的途径。