煤矿深部开采煤岩动力灾害防控理论基础与关键技术

煤岩层赋存条件决定了煤矿深部开采条件下煤岩动力灾害的发生机理更趋复杂、防控难度显著增大,如何解决煤矿深部开采煤岩动力灾害防控问题,直接影响我国煤矿的安全生产和能源的有效供给。针对"煤矿深部开采煤岩动力灾害防控技术研究"这一科学命题,基于冲击地压"三因素"机理和煤与瓦斯突出的综合作用假说,从煤岩动力灾害防控理论基础、关键技术和防控实践等3个方面,梳理澄清了煤矿煤岩动力灾害防控中的一些模糊概念,建立了用于统一描述冲击地压和煤与瓦斯突出发生机理的广义"三因素"("物性因素"、"应力因素"及"结构因素")理论,确定了我国煤矿典型冲击地压的4种类型(煤层材料失稳型、煤层结构失稳型、顶板断裂型、断层滑移错动型),分析了影响冲击地压和煤与瓦斯突出的主要因素,从思想认知、原则方法及技术核心等方面凝练了煤岩动力灾害多尺度分源防控技术,提出了深部开采冲击地压巷道"三级"吸能支护思想与成套技术,开发了煤与瓦斯突出井上下联合抽采防控技术和超高压水射流"横切纵断"防治复合煤岩动力灾害技术,并在现场开展了应用试验。煤矿深部开采煤岩动力灾害防控理论与关键技术的建立与完善,为我国今后煤矿煤岩动力灾害的防治提供了科学依据。     

刊首语

正近来年我国冲击地压灾害日益严重,冲击发生强度和频度显著增加,严重制约煤炭安全开采。国家煤矿安全监察局2017年对全国冲击地压矿井进行调研排查,己经定性的冲击地压矿井达到177座,产能约4亿吨/年,煤矿冲击地压灾害已成为保障能源和原料供应必须解决的现实问题。国家发改委2019年发布《关于加强煤矿冲击地压源头治理的通知》,提出了要高度重视煤矿冲击地压防治工作、准确把握冲击地压源头治理的总体要求。为推动我国煤矿在冲击地压源头治理工作方面的发展,本期刊登煤矿冲击地压动力灾害理论机理研究和冲击地压矿井煤柱留设方面的创新成果,以飨读者。     

我国冲击地压理论、技术与标准体系研究

基于煤矿冲击地压灾害发生的特点,分别从冲击地压的机理、监测预警技术、基于应力控制的冲击地压解危技术、标准体系等方面阐述近年来冲击地压灾害防治的重要进展,在此基础上分析冲击地压机理与防治技术存在的问题,提出今后煤矿冲击地压灾害研究的科学问题,指出冲击地压防治技术的发展方向。     

深井煤岩动力灾害的连续卸压开采防治机理

深井煤岩动力灾害的防治理论与技术一直是煤矿安全开采领域的重要研究方向之一,但一直没有取得重大突破。基于目前我国煤矿深部开采面临的煤与瓦斯突出、冲击地压、巷道围岩大变形、承压水开采等重大灾害现状,聚焦煤与瓦斯突出以及冲击地压,借鉴煤与瓦斯共采的卸压开采机理,提出了卸压开采防治煤与瓦斯突出以及冲击地压的机制。展望了深部动力灾害控制的研究方向,认为现场试验、物理模拟、数值模拟和虚拟现实相结合的系统研究是研究深部动力灾害控制的有效手段和途径。     

工作面采空区见方阶段冲击地压预测预警浅析

随着煤矿开采深度的不断增加,冲击地压灾害对安全生产的影响越来越突出,加强对冲击地压防治技术的研究,并针对煤矿现场实际,探索有效的现场实用技术,进行冲击地压预测预警分析,对防治冲击地压事故的发生具有十分重要的现实意义。     

煤矿深部开采冲击地压灾害结构调控技术架构

煤矿冲击地压灾害频发依然严重制约煤炭深部安全高效开采,冲击地压灾害研究需将发生机理、监测预警及综合防治相互关联,建立深部开采冲击地压综合防治体系.以冲击地压防治为目的,提出了冲击地压灾害防治的结构调控理念、科学内涵以及冲击地压结构调控技术路线,分析认为煤岩体结构是导致围岩应力场演化的根源,系统结构变化是引起应力变化及转...     

我国冲击地压矿井类型及防治方法研究

针对我国煤矿开采深度增加和采掘范围扩大,导致冲击地压灾害强度和频度明显增加的问题,总结分析了冲击地压发生的条件,认为只有同时满足内在条件、结构条件和应力条件时才会发生冲击地压。根据我国煤矿近年来冲击地压发生的条件和特点,将冲击地压矿井分为浅部冲击地压矿井、深部冲击地压矿井、构造冲击地压矿井、坚硬顶板冲击地压矿井和煤柱冲击地压矿井5类。在深入分析不同矿井引发冲击地压力源的基础上,提出浅部冲击地压矿井的主要防冲措施是按顺序开采及控制顶板压力;深部冲击地压矿井的主要防冲措施是开采保护层,按顺序开采以及控制开采强度;构造冲击地压矿井主要采用长钻孔卸压的方法防治掘进期间冲击地压;坚硬顶板冲击地压矿井主要通过控制空顶长度防治冲击地压;煤柱冲击地压矿井主要采取诱发卸压措施防治冲击地压。     

我国煤矿冲击地压特点及防治技术分析

为了全面掌握目前我国冲击地压的发生情况和防治现状,统计分析了近年来我国冲击地压发生的区域、条件、特点以及防治手段和效果。分析结果表明:随着我国煤矿采深的日益加大,冲击地压灾害将越来越严重;坚硬厚层顶板条件和断层、褶曲等构造是冲击地压发生的主要地质因素;开采形成的煤柱应力集中和动载是冲击地压发生的主要开采技术因素。针对目前研究中存在的问题,建议采用物探方法量化地质构造因素的影响并考虑深部条件下瓦斯对冲击地压的影响;研究对冲击地压监测多源数据的综合处理方法;重视对防冲开采设计方法和巷道防冲能力的研究。     

我国煤炭开采中的冲击地压机理和防治

总结了我国煤矿冲击地压灾害发生的特点,分析了冲击地压、岩爆和矿震之间存在的联系和区别,建立了煤矿冲击地压的3种力学模型:材料失稳型冲击地压、滑移错动型冲击地压和结构失稳型冲击地压。提炼出煤炭开采中的冲击地压研究需要解决的4个方面的科学问题:地质赋存环境对冲击地压的作用机制及量化分析方法、深部断续煤岩体的变形破坏规律和工程动力响应特征、采动应力分布和能量场的时空演化规律与多因素耦合致灾机理、煤矿冲击地压的监测预警与防治方法,总结归纳了近年来我国在冲击地压机理与防治技术方面的研究成果以及存在问题,指出了今后我国煤矿提高冲击地压防治水平的努力方向。     

集贤煤矿深部开采强冲击危险煤层冲击地压防治技术

为了有效防治强冲击危险煤层的冲击地压灾害,在系统分析冲击地压影响因素的基础上,总结了集贤煤矿9#煤层冲击地压的发生特征,进而确定了以微震监测技术为基础,包括爆破强制放顶、浅孔爆破卸压、加强超前支护和煤层注水等技术措施的冲击地压综合防治技术,有效降低了集贤煤矿冲击地压发生的频率和危害,确保了矿井的安全高效开采。     

中国煤矿冲击地压预测和防治的研究

我国有33个煤矿发生过冲击地压,其显现特征为突发性、瞬时震动性和极大的破坏性。我国煤矿冲击地压类型多种多样;发生条件极为复杂;发生趋势是矿井数量逐渐增加,灾害程度逐渐严重。现有的预测方法主要有煤(岩)冲击倾向鉴定、煤粉钻孔法、地音与微震监测方法等。常用的防治措施有煤层注水、煤层卸载爆破、顶板注水、顶板爆破以及开采解放层、合理地进行开采设计等。实际工作中,经常同时采用几种方法与措施进行综合预测和综合防治,以取得良好的效果。解决我国煤矿冲击地压问题的主要途径是:从根本上提高防治工作的水平;继续加强预测预报工作;深入研究冲击地压机理。本文总结了10年来我国冲击地压的科研成果,并讨论了今后的科研方向。     

冲击地压预测及治理

冲击地压是煤矿开采的主要动力灾害之一,特别是在深部开采条件下,冲击地压灾害日益严重。为此,新汶矿务局华丰矿和煤科总院北京开采所结合我国典型深部开采矿井华丰矿的生产地质条件,对深部开采冲击地压的发生机理、技术进行了全面的、综合的研究。     

鹤岗南山煤矿煤层冲击地压实验

煤矿冲击地压(岩爆)是一个世界性的灾害现象。冲击地压对地下工程造成的危害非常严重,并且随着时间的推移和矿产资源开发向深部转移,冲击地压的危害将愈加严重,冲击地压的预测和防治已成为世界性的难题。以南山煤矿为工程背景,采用现场调研、理论分析、室内实验相结合的研究方法,总结了南山煤矿煤层冲击地压发生的特征。为南山煤矿进入深部开采冲击地压安全防治提出了相关的理论依据。     

预防冲击地压发生的技术措施

该文针对煤矿冲击地压灾害的发生,分析了在开拓、开采方面的预防措施,对开采保护层、煤层预注水、厚层坚硬顶板处理、爆破及钻孔卸压预防等技术进行了论述,以期对冲击地压灾害防治提供有益的借鉴。     

我国断层冲击地压的研究现状与趋势

煤岩断层冲击地压是煤矿开采中一种典型的冲击地压灾害,其诱发因素复杂,具有发生突然、破坏性强等特点。因此,对断层冲击地压进行深入分析探讨具有重大意义。以此为出发点,归纳总结了目前断层冲击地压在理论研究、实验研究及数值模拟研究等方面取得的成果,指出了我国在断层冲击地压研究方面存在的不足,并提出了未来研究的思路。通过该研究不仅有助于深入认识断层冲击地压发生的机理,而且对深部开采过程中断层诱发冲击地压的预测及防治具有借鉴意义。     

煤矿冲击地压启动理论及其成套技术体系研究

冲击地压研究核心分为两大部分，一是冲击地压发生的理论认识;二是基于冲击地压发生理论认识的成套技术体系。传统的冲击地压理论认识在与实际采场、巷道等工程结构问题相对应，下一步如何监测，如何防治等方面尚需进一步发展。目前矿井出现冲击地压多参照法规要求，结合灾害程度开展监测与防治技术应用，由于缺乏针对矿井不同时期的、科学的技术体系指导，冲击地压防治效果甚微，为了实现矿井建设、生产各阶段冲击地压防治系统化、体系化目标，开展了煤矿冲击地压启动理论及其成套技术体系研究。采用控制论的黑箱研究方法，以冲击地压物理演化过程分解为突破口，采用理论与工程案例结合的方法，着重对冲击地压的冲击启动原理进行了分析，在补充完善冲击地压启动理论的基础上，将冲击地压启动理论与监测、防治技术关联起来，分析了冲击地压启动的主要类型，冲击地压启动理论4方面工程指导意义，从而建立煤矿冲击地压启动理论及其成套技术体系，并通过现场实践方法进行了可行性验证。研究可得:① 煤矿地质、开采条件为冲击地压发生提供静、动载荷源，并且主要影响冲击地压启动环节，而不是全过程影响;② 在煤层、顶底板、空洞组成的工程结构中，冲击地压启动原理为弹脆性单一结构体突破材料强度极限，材料失稳，导致工程结构体结构动力失稳的结果;③ 基于完善后的冲击启动理论的四个实践指导意义，针对建设期矿井，提出集中静载荷疏导的区域防范冲击地压的理论与技术体系，针对生产期矿井，提出在冲击启动类型确定基础上，以诱发冲击启动载荷源为中心，分源监测，分源防治，以“卸”为主，以“支”为辅，“卸、支”耦合防冲思想。建立的煤矿冲击地压启动理论及其成套技术体系，在陕西彬长矿区某矿井建设阶段、生产阶段分别进行了应用，实践证明，适应矿井全周期的冲击地压防治理论及技术体系，工程应用效果良好。     

陕西省煤矿冲击地压防治及“130+X”体系建设

通过简要描述我国现阶段冲击地压灾害煤矿的大体分布及产能,说明了有效预防冲击地压灾害对煤矿安全生产和在能源供应中的必要性和重要性,同时指出随着陕西省新矿区的开发,煤矿开采深度、开采强度的增加,冲击地压灾害将成为影响陕西省煤矿安全生产的主要危害之一。通过描述陕西地区冲击地压灾害现状、特点、防治难点,提出针对陕西地区冲击地压灾害特点的具体实施措施,并结合工作实际,提出以“智+”为基础,构建“130+X”冲击地压防治体系,可有效提高矿井防范冲击地压危险的能力。     

江苏煤矿冲击地压的现状分析及防治对策

随着开采深度的增加,冲击地压已成为江苏煤矿的主要灾害之一。本文分析了江苏地区煤矿历史上发生的冲击地压,总结了其分布特征,剖析了冲击地压发生的原因,提出了完善冲击地压管理责任体系,健全危险性预测预警机制,采取综合解危、效果检验措施,并加强安全防护等冲击地压防治对策。     

“煤矿深部开采煤岩动力灾害防控技术研究”专题编者按

随着我国浅部煤炭资源的逐渐减少甚至枯竭,地下开采深度的逐渐延伸,越来越多的矿井将面临严峻的深部开采煤岩动力灾害问题。如何有针对性地开展防控深部开采过程中遇到的冲击地压和煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害事故,是摆在科研和生产工作者面前的难题。鉴于此,国家在“十三五”期间,将“煤矿深部开采煤岩动力灾害防控技术研究”列入国家重点研发计划项目,重点对煤矿深部开采条件下的冲击地压、煤与瓦斯突出和复合煤岩动力灾害的危险性探测、防控机理和防控技术开展研究,本期第1~11篇论文基于该项目两年来的主要研究成果,从材料失稳角度研究了冲击地压的触发判据和从结构失稳角度研究了冲击地压的孕灾机制;系统研究了采掘巷道冲击危险性的探测与支护技术;从理论和数值模拟上研究了煤矿深部开采卸荷消能与煤岩介质属性改造协同防突机理和深部矿井冲击地压、瓦斯突出复合灾害发生机理等。本期“煤矿深部开采煤岩动力灾害防控”专题是上述成果的集中展示,希望有益于促进我国煤矿深部开采煤岩动力灾害的防控。     

煤矿冲击地压灾害防治技术体系

近年来,冲击地压灾害发生的频度和强度明显增加,已发展成为威胁我国深部煤炭资源安全开采的主要动力灾害之一。为了改善我国煤矿安全生产形势,把所有煤矿分为基建矿井、一般矿井和冲击地压矿井3类,围绕冲击危险性评价、冲击地压监测预警、冲击地压综合治理以及科学管理4个方面,建立不同的防冲技术方案。