高应力厚煤层大巷孤立煤体蠕变失稳冲击机理及防治研究

针对高应力大巷煤柱区孤立煤体在无明显采掘扰动情况下频繁发生冲击显现的现状,以山东赵楼煤矿七采区高应力厚煤层大巷煤柱为工程背景,采用理论分析、数值模拟和现场调研等方法,研究了不稳定蠕变作用下高应力厚煤层大巷围岩和孤立煤体的应力演化规律,揭示了高应力大巷孤立煤体蠕变失稳冲击机理：在高应力作用下煤层巷道围岩发生不稳定蠕变,不稳定蠕变弱化了巷道支护体系,增大了孤立煤体的应力集中程度,当大巷孤立煤体弹性承载区集中应力超过其极限承载能力时,高应力孤立煤体发生冲击失稳。建立了高应力厚煤层大巷孤立煤体蠕变失稳及冲击力学模型,推导出了大巷孤立煤体蠕变失稳冲击的力学判据,据此提出了高应力厚煤层大巷孤立煤体冲击地压防治对策,通过现场实践验证了理论分析的合理性。     

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。     

巨厚坚硬岩浆岩床破裂运动诱发冲击地压机制研究

针对巨厚坚硬岩浆岩床下浅部煤层大面积采空后深部开采冲击地压频发的实际问题,采用理论分析、数值模拟、现场实测及工程实践等方法对岩浆岩床破裂运动诱发冲击地压机制进行研究。主要结论如下:(1)建立大面积采空区上坚硬岩浆岩顶板的三角悬臂梁理论模型,得到岩浆岩床应力及能量分布特征,推导出岩浆岩顶板破裂运动出现的判别准则,进而构建岩浆岩床破裂运动诱发冲击地压的力学模型;(2)将地表开裂与井下显现情况联合分析,认为坚硬岩浆岩床在浅部采空区上的大面积悬顶以及局部强侵入带构成了静态作用,岩浆岩床破裂及"回转"运动对煤层产生的挤压构成了动态作用,其中动态作用处于主导位置;(3)基于上述研究,分析矿井深部回采工作面微震分布特征,认为岩浆岩床破裂运动能够为冲击地压发生提供动、静载荷,是诱发冲击的关键因素;并从提高巷道围岩抗震能力以及使高能微震事件远离巷道两方面,提出底板深孔爆破和加强支护等治理措施。实践表明,通过采取措施,高能微震事件对巷道的破坏程度明显减弱,保障了岩浆岩床下深部煤层的安全高效开采。     

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。     

深采煤层巷道平动式冲击失稳三维模型研究

在LippmannH关于冲击地压基本理论的基础上,建立了深采煤层巷道平动式冲击失稳三维准静态模型,模型可适用于顶底板为岩石的煤巷或半煤巷中发生煤层整体冲击失稳的机理分析。该模型考虑了煤层内部滑动摩擦对煤层突出的阻碍作用,分析了煤层整体突出前临界状态下的应力分布情况,得出了更合理的煤层突出范围度量指标及煤层整体突出倾向性的判定方法。结合赵各庄矿实际生产情况,分析了深部开采条件下煤层巷道动力失稳灾害的发生机理以及突出区域相关几何量之间的关系。     

深部两软煤层沿空巷道冲击地压成因与防治研究

针对两软煤层的地质条件,建立了两软煤层冲击地压发生的力学模型。通过对模型的力学分析与现场实践,得出了深部两软煤层条件下冲击地压发生的主要原因,是受上部力源层和下部稳定层夹持下的软弱冲击层出现应力集中和能量积聚,采动活动诱发积聚的能量向破碎缓和区突然释放,造成煤岩块瞬时喷出,形成冲击地压。从深部两软煤层冲击地压发生的应力条件、能量条件、物质条件和冲击地压诱发因素等方面进行分析研究,制定了转移应力、保持护巷煤柱稳定性、巷帮加固、松动帮部、形成顶板支护体阻挡结构的冲击地压防治措施,并进行了现场实践,实现了工作面安全高效无冲击开采。     

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。     

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2.5m和2.0m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。     

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。     

“三硬”条件煤层压变区域失衡冲击理论及应用

冲击地压是一种矿山动力灾害,是煤矿井工开采领域的难题之一,“三硬”条件下的冲击现象更为复杂,是开采此条件煤层亟待解决的问题。本文利用相似模拟试验揭示了“三硬”条件煤层应力集中和分布规律,结合数值模拟分析了工作面前方能量积聚情况,总结了“三硬”条件冲击地压的特征及发生过程,提出压变区域失衡冲击理论。理论认为:采、掘活动引起采煤工作面周围应力重新分布和集中,继而煤层出现软化破坏区、硬化弹塑区和裂隙压密区。软化破坏区吸收硬化弹塑性区煤体破坏释放的能量。当硬化弹塑区单位时间内释放能量大于软化破坏区吸收能量时,压变转化动平衡遭到破坏继而发生冲击地压。在此理论的指导下提出以煤层卸压孔为主、顶底板卸压槽、爆破为辅的“三硬”条件冲击地压防治措施,在实际应用中取得显著效果。     

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。     

高地应力特厚煤层“蠕变型”冲击机理研究

多起“蠕变型”冲击事故分析表明：该类冲击属于典型的隐蔽性灾害,具有自发性和时滞性的特点,发生机理的不明导致其防治极具挑战,给深部特厚煤层的安全开采造成了严重威胁。“蠕变型”冲击与不稳定蠕变密切相关,通过建立蠕变模型和三维蠕变方程,得到高地应力与特厚煤层为不稳定蠕变的形成提供了有利的孕育条件;分析了巷道围岩不稳定蠕变破坏的过程,认为不稳定蠕变通过强度“腐蚀”和应力解除2方面实现启动冲击和减小阻抗,从而在受外部静态应力叠加影响的巷道薄弱区域形成“蠕变型”冲击,并提出了判别其发生可能性的评估公式。针对这类冲击的发生机理,提出了针对性的防治措施建议：合理布置巷道、加强主动支护、优化卸压参数和长期监测。     

跨采巷道围岩应力集中系数解析

为了确定上覆工作面采动对底板巷道稳定性的影响程度,首先,以海孜煤矿7煤工作面开采为例,根据其工作面支承压力分布形态,基于弹性力学理论建立了底板应力分布的力学模型,分析了采动支承压力在底板中的传递规律,并将采动支承压力与巷道围岩应力有机结合在一起,得到了上覆工作面开采过程中,底板巷道围岩的最大、最小主应力集中系数的变化规律,开采过程中围岩最大主应力集中系数的极值为1.28;其次,应用数值模拟软件FLCA3D建立了跨采巷道计算模型进行了验证,得出巷道围岩最大主应力集中系数极值为1.22,结果证明理论模型是可靠的。此模型可为底板巷道围岩控制提供基础的理论和技术支持。     

深部强冲击厚煤层开采上、下解放层卸压效果相似模拟试验研究

为了研究深部强冲击厚煤层开采上、下解放层的卸压效果,采用相似材料模拟试验的方法,通过监测解放层开采过程中及稳定后被解放层应力变化情况,分析应力变化规律,计算下解放层下部合理卸压角,确定了被解放层下平巷的合理位置;比较两次开采上解放层模拟试验的卸压程度,确定了上解放层工作面的合理位置;证明了开采下解放层后,被解放层上平巷附近区域仍是高应力集中区,易发生冲击地压,而开采上解放层后,该区应力明显减小,说明上解放层卸压效果明显;验证了井下发生大能量冲击地压之前,地表沉降出现"反弹"的异常现象。该研究为工作面开采设计提供理论指导,对防治冲击地压具有重要的现实意义。     

微震监测揭示的C型采场空间结构及应力场

为研究开采强烈冲击倾向煤层解放层的卸压效果,采用微地震定位监测技术,对三面采空长壁工作面（解放层）的开采进行覆岩空间运动结构及应力场分布的监测。根据岩体在三维空间的破裂成像,揭示采场覆岩空间破裂与采动应力场的关系,得出以下结论：（1）工作面三侧采空区老顶上方的岩层形成C型空间结构,微震事件分布在C型结构的外侧,构成岩体破裂区,在C型结构的内侧为高应力区,并对高应力区域的转移及不同区域的应力状况进行了描述;（2）C型结构的最凹部在煤柱上方,煤柱最小时的支承压力分布为：在靠近上顺槽的区域,老顶以上的厚硬岩层已经发生断裂,形成卸压带;靠近下顺槽的区域,老顶以上的厚硬岩层未断裂,形成应力集中区。因此,通过监测确定被解放层的解放范围,对圈定的冲击危险区域预先采取防治措施,可实现安全开采。     

双系煤层孤岛结构对工作面矿压显现影响研究

为了确定大同矿区侏罗系煤层群开采形成的孤岛覆岩结构对石炭二叠系工作面开采矿压显现的影响,以同忻矿8104、8106工作面为研究对象,通过理论分析确定侏罗系煤层群开采孤岛覆岩结构的形成条件,构建FLAC^3D数值模型,分析孤岛覆岩结构对石炭系煤层应力控制及矿压显现特征,并结合微震监测数据进行了合理验证。研究表明:当侏罗系煤层遗留煤柱宽度≥22.3 m时可形成孤岛覆岩结构,煤柱宽度为80 m时,孤岛覆岩结构对石炭系煤层工作面影响达到峰值;数值模拟说明8106工作面及5105巷道受到孤岛覆岩结构影响,其矿压显现强度及范围明显增大,围岩应力最大增至40 MPa;微震监测显示8104工作面推进孤岛覆岩结构过程中,个别微震事件能量级别达到了10⁶ J,具备了诱发冲击地压发生能量条件。     

“三软”煤层冲击地压诱导煤与瓦斯突出力学机制研究

 以新安煤田为工程背景,通过现场调查、测试、实验室试验、理论计算和相似条件类比,探讨“三软”煤层冲击地压作用下煤与瓦斯突出力学机制。研究结果表明,在原岩和采动应力作用下,巷道底板存在的高弹性模量夹层砂岩向上挠曲,造成煤体正常瓦斯溢出通道被封闭,煤体内部产生裂隙促使吸附瓦斯解吸为游离瓦斯,可实现煤与瓦斯突出的外部准备条件;底板高弹模夹层的破断冲击,打通被压实煤体的瓦斯溢出通道,可实现煤与瓦斯突出的外部激发条件;掘进迎头附近底板产生的105J以上量级冲击地压,其孕育和发生过程导致的迎头煤墙闭合–破裂,可诱导每立方米煤初始瓦斯膨胀能小于1.3×106 J (瓦斯压力小于0.74MPa)的煤层发生瓦斯突出或异常涌出,而每立方米煤初始瓦斯膨胀能大于1.3×106 J(瓦斯压力大于0.74MPa)的煤层,可诱导发生煤与瓦斯突出。通过对高弹性模量岩层(夹层)底板实施钻孔或爆破措施,防止底板弹性变形向上挠曲与破断冲击,可破坏此类煤与瓦斯突出准备和激发的外部条件。