高压注水弱化岩柱强度防治冲击地压技术应用

乌东煤矿南采区开采急倾斜特厚煤层过程中频繁发生冲击显现,通过微震监测、理论分析得出B_2—B_3岩柱是冲击显现的主要力源与诱发因素,并划定了岩柱冲击危险防治重点区域。针对岩柱冲击危险区域,利用高压注水防冲原理,实施高压注水弱化岩柱强度的防治措施,并采用微震监测与地震CT探测对注水效果进行了评价。评价结果表明,注水弱化岩柱强度对冲击地压防治收到了较好的效果,避免了冲击地压事故,矿井实现了安全生产。     

矿震震动传播与响应规律

针对距离震源不同距离的采掘区域冲击地压显现响应程度不同的问题,采用ARAMIS M/E微震监测系统、PASAT-M便携式微震监测系统和冲击地压多参量过程监测系统开展了矿震发生与响应过程规律研究,并通过井下爆破激发震动试验研究了震动传播衰减规律。结果表明:(1)冲击地压多参量过程监测系统监测到矿震的单参量(煤体应力)、多参量(煤体应力、围岩位移及锚杆受力)的响应过程,实现了震动与响应信号捕捉与记录;(2)矿震单参量响应规律,响应时间短(368 ms),响应过程引起距震源75 m的煤体应力最大升高0.9 MPa,响应终值为煤体应力升高0.5 MPa,矿震的响应并非都是多参量同时响应;(3)矿震引起多参量响应规律,响应时间不同步,响应时间几百毫秒至几分钟不等,响应过程引起距震源150 m的煤体应力整体降低0.7~0.8 MPa、锚杆受力降低7~8 k N、顶煤位移增加4 mm,且捕捉到矿震发生10 h前的岩层位移信息,持续时间1000 ms,位移量最大24 mm,可作为矿震前兆信息;(4)矿井围岩介质中震动能量传播呈指数E=E0eηD关系衰减,距震源200 m范围能量衰减快;震动主频的衰减变化规律也呈指数f=f0eηD关系。距离震源200 m范围的采场、巷道对矿震响应比较显著,与矿震诱发冲击显现区域比较吻合。矿震发生至响应的传播衰减过程的定量关系研究,对进一步提高冲击地压监测预警与防治技术水平具有一定的现实意义。     

45°倾角煤层水平分段工作面矿压规律

数值模拟结果表明,45°煤层采动应力变化超前支承压力的分布具有不均匀性,侧向支承压力在顶板侧形成应力集中,底板侧形成应力降低区,采动应力随水平分段数增加,超前支承压力影响范围不变,但峰值往前转移。工作面矿压监测表明,45°煤层工作面矿山压力比较小,工作面矿压显现不强烈,无明显的来压步距;巷道实测数据揭示了巷道变形的3个时期,以北巷变形量大于南巷为主要变形特征。     

区域大范围防范冲击地压的理论与体系

采用理论分析与总结的方法,分析得到井田前期区域大范围开采活动与后期采掘空间局部冲击地压启动的关系;并且提出了基于大范围集中静载荷“疏导”理念的冲击地压区域防范理论;分析了冲击地压煤层集中静载荷（高集中应力）可干扰性及影响规律。结果表明：井田区域开拓性活动、准备性活动显著影响到后期煤岩层集中静载荷的迁移与集中;冲击地压井田区域防范性措施的原理是通过合理采掘活动,疏导覆岩演化过程中的高集中静载荷,避免或降低高集中应力的集中,为后期冲击地压启动减免力源;基于冲击地压煤层鉴定、地应力测试、采煤方法选择、巷道位置确定、保护层开采及同层煤顺序开采的区域大范围集中静载荷疏导防范体系,能够避免或降低高应力集中,为新建矿井设计阶段,生产矿井的新采区、新水平设计阶段提供冲击地压防范指导。     

综放工作面开采过程的矿震规律研究

以某煤矿SOS微震监测系统的监测数据为基础,运用数理统计和线形拟合的方法分类统计不同开采速度下不同能量级别的矿震的次数、震动能量,研究了综放工作面开采活动和矿震活动的相关性。研究结果表明:矿山震动是矿山开采的直接产物,低能量矿震的次数、能量与开采速度呈近线性正相关,而高能量矿震与开采速度呈非线性关系。开采速度越快,低能量矿震的震动次数和能量越高,而且相对高的能量成分所占比例显著增加。从而提出控制开采速度可以控制低能量矿震发生次数和释放能量,慢匀速开采能有效地减少矿震发生的次数。     

工作面过褶曲时微震活动规律研究

在煤矿的地质灾害构造中,褶曲构造是常常出现的,它是岩层在水平应力挤压下形成的,在高应力状态下褶曲内部聚集了大量的弹性能,当工作面过褶曲时,破坏了褶曲内部原来的应力状态,这必然导致矿震的发生。冲击矿压和矿山震动总是相伴而生,作为一种区域、实时、动态监测手段,微震监测技术用于预测预报冲击矿压等地质灾害乃至防灾减灾完全可行。结合山寨矿微震系统监测到的矿震数据,通过对褶曲的力学分析和对波形的时谱分析,研究了工作面在过褶曲时的矿震活动规律。     

厚硬顶板潜在矿震风险地面压裂预控技术

具有厚硬顶板的矿井在采掘期间将面临矿震、矿压显现强烈的风险,易导致矿井发生动力灾害事故。为对此类风险隐患进行预控和防范,需要对矿井的厚硬顶板进行预控处理。采用现场调研、工程类比、理论分析、实验室试验和数值模拟的方法,对矿井岩层赋存特征、潜在矿震风险、厚硬顶板可压裂性和地面压裂预控矿震风险机理进行研究。理论分析得到具有厚硬顶板的矿井不仅存在单一工作面低位、高位厚硬顶板初次破断诱发矿震风险,也存在随矿井开采空间增大加剧高位厚硬顶板诱发矿震的风险性;蒙陕地区类似条件工程案例类比表明,具有厚硬顶板赋存条件、开采条件的矿井,自第2个工作面开采始具有发生较高的矿震风险的可能;通过厚硬顶板可压裂性试验研究得到岩石脆性系数为59%～143%,平均脆性矿物含量约68%,综合表明所研究矿井的厚硬顶板可压裂特性较好;模拟对比分析得到在厚硬顶板预裂后,工作面超前支承压力集中程度和超前影响距离均明显降低。基于厚硬顶板的研究结果,提出了矿井地面压裂区域卸压矿震风险预控技术,即通过地面实施“L”型钻孔至厚硬顶板进行压裂,以降低厚硬顶板完整性和致密性。工程应用表明,在实施地面压裂区段中,井下压裂区域微震事件的最高频次...     

顶板“人造解放层”防治冲击地压方法、机理及应用

冲击地压矿井开展解放层(保护层)开采,能够根本性的改造采掘工作面应力集中程度,从而大范围降低采掘活动空间冲击危险性。针对无解放层可采的单一煤层矿井,为了实现冲击地压煤层区域性卸压目标,提出了煤层上覆主导致灾层位厚硬顶板区域水力压裂“人造解放层”卸压防治冲击地压方法,并建立了工程力学模型,综合采用理论分析、工程验证等方法进行区域性卸压机理及工程试验研究。结果表明,在冲击地压发生载荷供给历程中,通过区域性改造煤层上覆岩层结构与载荷,可以改变冲击地压发生必须的基础静载荷集聚;针对顶板控制型冲击地压矿井,在开拓、准备、回采不同阶段,针对影响冲击地压发生的厚硬顶板开展区域性水力压裂改造覆岩结构与载荷分布,使得巷道掘进及工作面回采期间均处于压裂覆盖范围下的低应力区,实现冲击地压单一煤层顶板产生“人造解放层”效应;顶板区域水力压裂人造解放层卸压防治冲击地压机理为：与压裂前相比,煤层上覆厚硬顶板人为区域性致裂,在走向上使其长梁变短梁,大块变小块,从而不具备大面积悬臂功能,降低由悬空面积增大的顶板断裂带来的动载荷;在倾向方向上也使得其上覆载荷由硬传递变为软传递,降低了压裂区域下方煤层的整体静载水平;在陕...     

基于地音与电磁波CT的掘进工作面冲击危险性层次化评价方法研究

目前掘进工作面冲击地压事故频发,通过分析各评价方法在掘进工作面应用中存在的优势与局限,建立了一种基于地音监测与电磁波CT探测的掘进工作面冲击危险性层次化评价方法;该方法将冲击危险性评价目标在时间和空间上进行分解,通过地音实时监测确定评价的时间层,通过电磁波CT探测确定评价的空间层,以时间层的执行结果做为空间层的执行判据,克服了基于单一监测或探测手段的评价方法在掘进工作面应用中存在的不足,实现了掘进工作面冲击地压实时预警及危险区域精准划分的双重功能,提高了掘进工作面冲击地压评价的效率与准确性,指导了现场实际卸压工作。     

倾斜煤层区段煤柱爆破卸压工程应用

为解决宽沟煤矿西翼I010203工作面进风巷受到下方采空区侧向应力影响造成的应力集中现象,采用现场煤体应力计监测数据对比分析和数据无量纲化处理相结合的手段,分别对进风巷上帮围岩应力和煤柱侧围岩应力分布情况进行了研究,研究结果表明：进风巷上帮煤体应力分布与巷道下帮侧煤体应力分布不同,巷道上帮侧煤体应力浅部应力高于深部应力且与至工作面距离呈正相关,孔深4.5 m煤体应力集中程度最高,采动应力集中分布在超前工作面50～110.6 m,显著影响范围为超前工作面50 m内;巷道下帮侧煤体应力深部高于浅部且与至工作面距离呈正相关,煤体应力集中位于9 m以上的深部位置,采动应力集中分布在超前工作面50～80 m,显著影响范围为超前工作面60 m内;确定了进风巷上帮煤体预卸压范围为50～120 m,巷道下帮煤体的预卸压范围为60～80 m。参考经验数据以及理论计算,确定了进风巷上帮煤体爆破卸压工程和下帮煤体大直钻孔卸压工程的相关参数,结合PASAT探测和围岩应力数据对比分析结果,设计的煤体爆破卸压工程能有效降低区段煤柱围岩应力集中现象,但大直径钻孔应确保一定的工程量,形成连续卸压面才能达到预期卸压效果...