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。     

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。     

岩浆岩侵入区巨厚煤层掘进巷道冲击地压机制研究

针对岩浆岩侵入区采掘期间冲击地压频繁发生的实际问题,运用理论分析、数值模拟以及工程实践等研究方法,研究岩浆岩侵入区巨厚煤层掘进巷道冲击地压机制。主要结论如下:基于弹塑性理论推导出巨厚煤层巷道围岩应力分布计算公式,由此绘制应力分布等值线图,结果表明最大主应力方向、最大剪应力集中区位置均与煤层倾向相垂直,煤层倾角不能改变最大主应力和剪应力的集中程度,而侧压系数对最大主应力集中程度的影响较大。坚硬岩浆岩顶板在采空区上大面积悬顶导致其附近大面积煤体应力的整体升高,为冲击地压发生提供了静载荷;掘进施工诱发岩浆岩局部侵入带能量的瞬时释放,为冲击地压发生提供了动载荷;综上分析,建立岩浆岩侵入区巨厚煤层掘进巷道冲击地压的力学模型,得出冲击发生判据,进而获得冲击地压发生机制。应用研究成果,较好地分析了矿井实际掘进巷道冲击地压的发生机制,并有效地指导了冲击地压防治实践。     

煤矿掘进工作面冲击地压分区防治技术研究

针对在煤矿深部开采时出现的冲击地压灾害,以某矿掘进工作面为背景,研究冲击地压的防治措施。通过对工作面危险区域分级划分,对不同危险区域制定针对性的防治措施,重点加强对高冲击危险区域的监测。利用电磁辐射仪、钻屑法和实时监测系统对工作面进行监测,及时采取措施避免冲击地压。实践表明,煤矿掘进工作面采用冲击地压分区防治技术,成功消除多次冲击地压灾害,保证了掘进工作面的正常施工。     

基于电磁波CT探测的掘进工作面冲击危险性评价技术研究

针对目前掘进工作面常常发生冲击地压的实际问题,分析通过电磁波CT探测评价冲击危险性的理论基础,得出了电磁波CT探测与冲击危险性之间的关系,构建以裂隙煤岩对电磁波吸收系数的异常指数BI和梯度指数GI为指标的评价模型,从而建立能够对掘进面围岩划分冲击危险区和危险等级的电磁波CT评价技术,并将其应用于现场实践中。应用表明,评价结果能够对支护及卸压解危措施进行指导和效果检验。该技术探测频率较高(最高达32 MHz),克服了传统方法因无法对掘进工作面局部围岩进行较高精度探测而导致无法较好评价其冲击危险性的局限,对掘进工作面冲击地压防治具有重要意义。     

采场回采前冲击危险性动态评估方法研究

大量的现场观测表明,掘进期间应力异常的地段,回采期间也是冲击地压高发区.因此,提出通过采用微震、地音和应力监测系统对掘进期间的震动和应力动态信息进行监测,从而划定冲击危险区和危险程度的动态评估方法.利用掘进期间揭露的静态地质资料完善勘探资料,对回采工作面冲击危险性进行静态评价,进而构建动态与静态联合评价的方法.该评价方法结合掘进期间的动静态信息,克服传统静态评价方法因评价资料不完善而导致的评价结果不够准确的局限性,为采场回采前冲击危险区的治理提供更加准确的依据,具有较好的应用价值.     

深井特厚煤层综放工作面区段煤柱合理宽度研究

 留设合理宽度的区段煤柱是确保深井特厚煤层综放工作面顺利接续和安全回采的关键。以新巨龙矿井一采区区段煤柱宽度的确定为工程背景,首先采用微地震监测、应力动态监测和理论计算等方法确定深井特厚煤层综放工作面侧向支承压力分布特征,得出低应力区宽度约为20 m;其次,采用工程类比、数值模拟等方法确定深井特厚煤层综放工作面侧向煤体不完整区宽度约为3 m;最后,综合考虑资源回收、冲击地压防治、次生灾害控制和巷道支护等因素,确定深井特厚煤层综放工作面区段煤柱合理宽度为5.0～7.2 m。应用沿空巷道表面位移观测结果验证区段煤柱宽度的合理性。该研究结果对类似开采条件下的区段煤柱宽度确定具有参考意义。     

煤岩体应力动态监测系统开发及应用

煤岩体应力是矿井支护设计、矿压分析、冲击地压等煤岩动力灾害预测与防治的重要依据。为了定向测试煤岩体多向应力及其演化规律,自主研发了三向缸体压力感应器和煤岩体应力动态监测系统。感应器上设置的感应片可实现与煤岩体主动有效耦合,通过感应片伸缩变形和油压变化来反映煤岩体应力大小,进而通过该监测系统实现煤岩体应力多向、实时连续测量。将该系统应用于煤矿现场采动应力监测,分析了采场应力分布及演化规律。监测结果表明,多测点应力测量可反映巷道围岩应力分布及随采动等演化规律,可以确定巷道围岩卸压带范围、应力集中范围及应力集中程度等。实测分析得到了工作面巷道内帮煤体的三向正应力分布规律;各测点应力变化趋势基本一致,同一测点3个方向正应力并非完全同步;测试工作面巷旁存在2个应力峰值区及2个卸压带。该系统为定向监测煤岩体应力提供了有效手段和方法,可用于矿山应力监测分析、围岩稳定性监测分析、冲击地压等煤岩动力灾害监测预警等。     

特厚煤层冲击地压重复发生的机理研究

以现场同一区域重复发生冲击地压为工程背景,通过理论分析、现场监测、数值模拟等方法研究冲击地压重复发生机理,得出如下结论:1特厚煤层重复冲击区域存在应力恢复现象,而力源作用下的特厚煤层的扩容是导致应力恢复的主要原因;2重复冲击是冲击体受到的冲击力与阻抗力多次搏弈的结果,煤体由完整状态向碎裂状态过渡过程中满足冲击力大于阻抗力的条件而发生多次冲击,直至煤体进入碎裂状态;3通过消除力源、阻止应力恢复可防止冲击地压重复发生。研究结果对防治特厚煤层冲击地压具有重要意义。     

基于当量钻屑法的冲击地压监测预警技术研究及应用

 针对济三煤矿现场监测数据,通过分析和数值计算,建立钻屑量、支承压力以及钻孔应力的关系,在此基础上,研制冲击地压实时监测预警系统。通过应力测量代替钻屑量作为冲击地压危险性主要监测指标和实时监测工作面前方应力场的变化规律,实现冲击地压危险区及危险程度的实时连续监测预警。自主开发的分析预警软件可以实时显示随工作面推进的支承应力动态云图和测点应力柱状图,设定报警阈值,以判断危险区域及其危险程度,预报发生冲击地压的可能性。通过多个冲击危险矿井的应用,表明该系统能准确地预报冲击危险区及其危险程度,实现高冲击危险工作面的安全开采。     

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。     

孤岛工作面采前冲击危险性预评估研究

为研究开采扰动下孤岛工作面冲击危险性,基于覆岩空间结构理论分析了开采前后两侧采空区顶板结构动态变化和力学响应。首先基于能量力学模型,推导了工作面开采后覆岩演化高度的计算公式。根据两侧采空区顶板结构的不同,将孤岛工作面覆岩结构分为长臂对称"T"结构、短臂对称"T"结构和非对称"T"结构。进而通过理论分析了3种孤岛工作面覆岩结构的应力传递机制,建立了孤岛工作面静载荷、动载荷估算模型,进而提出了工作面支承压力估算方法,并构建了孤岛工作面采前冲击危险预评估体系。采用估算模型及评估方法,对朝阳煤矿3112孤岛工作面进行了冲击危险性评估,为现场实践提供理论依据。     

煤层超高压定点水力压裂防冲试验研究

针对国内外没有成熟的区域主动防冲技术的现状,介绍了一种采用超高压定点压裂煤层形成区域性低应力区,从而为快速掘进和回采创造条件的新技术。现场试验在采深1000 m的山东省华丰煤矿进行,采用微地震监测煤岩体破裂、应力动态实时监测系统监测煤岩体应力变化和压力传感器监测管路压力,实现试验全过程监测。试验得到的主要结论如下:1压裂的压力达到24 MPa并持续11 s之后,煤体产生初次破裂,持续13 min后压裂半径达到8 m;2压裂过程中压裂点附近煤体应力动态为:管路加压后距离压裂点9.5 m的煤层内应力值明显升高—煤体产生破裂并产生微震—管路压力骤降—测点应力趋于稳定;3压裂过程中将煤体切割成了近似6.2 m×8.0 m×6.2 m的长方体,同时随着大量水的注入有效降低了煤体的冲击倾向性;4试验证明定点压裂能够实现"转移应力、弱化煤体和降低蓄能"的防冲机理。     

秦岭输水隧洞微震活动特征研究

岩爆是深埋地下岩体工程中面临的世界性难题。针对秦岭输水隧洞岭南工程开挖过程中面临的岩爆问题,本文基于微震监测技术,分析了相邻洞段不同开挖方式、相同开挖方式不同洞段条件下的微震活动特征。结果表明:微震活跃性与岩爆风险高低密切相关,可作为岩爆防治的重要参考依据;埋深与岩性相近条件下,钻爆法比TBM法的微震能量相对更低,岩爆风险相对更低,但TBM法掘进效率更高;微震活跃性与开挖进尺、隧洞埋深不存在明显正相关性,围岩较好、微震活跃性较低时可适当增加掘进速度,提高开挖效率,当围岩变差、微震活跃性较高时宜适当降低掘进速度,延缓或降低岩爆风险。本研究结果可供类似工程岩爆防治和微震监测参考。     

Behaviors of overlying strata in extra-thick coal seams using top-coal caving method

Accidents such as support failure and excessive deformation of roadways due to drastic changes in strata behaviors are frequently reported when mining the extra-thick coal seams Nos.3e5 in Datong coal mine with top-coal caving method,which significantly hampers the mine's normal production.To understand the mechanism of strata failure,this paper presented a structure evolution model with respect to strata behaviors.Then the behaviors of strata overlying the extra-thick coal seams were studied with the combined method of theoretical analysis,physical simulation,and field measurement.The results show that the key strata,which are usually thick-hard strata,play an important role in overlying movement and may influence the mining-induced strata behaviors in the working face using top-coal caving method.The structural model of far-field key strata presents a "masonry beam" type structure when"horizontal O-X" breakage type happens.The rotational motion of the block imposed radial compressive stress on the surrounding rock mass of the roadway.This can induce excessive deformation of roadway near the goaf.Besides,this paper proposed a pre-control technology for the hard roof based on fracture holes and underground roof pre-splitting.It could effectively reduce stress concentration and release the accumulated energy of the strata,when mining underground coal resources with top-coal caving method.     

深井特厚煤层综放工作面断层活化规律研究

 以新巨龙公司2301N综放工作面过断层为工程背景,通过微震监测、数值模拟和理论分析等方法,对深井特厚煤层断层活化规律进行研究。得到的主要结论为：(1) 根据2301N工作面微震监测结果,将断层活化分为应力显现阶段(距断层274.8～214 m)、蓄能阶段(距断层214～84 m)和结构活化阶段(距断层84～0 m),并采用数值模拟进行了验证;(2) 工作面过断层期间存在断层活化型冲击和断层煤柱型冲击2类动力灾害,断层活化型冲击的机制主要是开采诱发断层两侧煤岩体积聚的构造应力释放,断层煤柱型冲击地压机制主要是工作面开采引起断层煤柱应力的高度集中;(3) 根据工作面过断层期间冲击地压发生机制,提出相应的防治技术,并进行现场验证,保障了工作面的安全开采。研究结果对类似条件下的工作面安全开采具有一定的借鉴意义。     

Case histories of rock bursts under complicated geological conditions

During the past decade’s exploitation of coal seams in Muchengjian Mine in Jingxi Coalfield, there were nearly thirty rock burst events, which hindered the safe and efficient coal production. Two typical mining areas were selected for analysis where almost half of rock burst events occurred. The research was aimed at finding connections between the occurrence of rock bursts and geological characteristics. The temporal and spatial characteristics of rock bursts were described in detail, the geological characteristics were investigated carefully, and the possible reasons for rock bursts were analyzed. The details documented in these cases not only provide an essential reference value for understanding the development mechanism of rock bursts, but also provide a basis for selecting control measures and optimizing related technical parameters during tunneling or mining under complicated geological conditions.     

工程缺陷防控冲击地压机理及应用

在对冲击地压显现全面调研的基础上,分析了冲击地压的防控现状与发展趋势,提出了高应力与高能量冲击地压的工程缺陷防控方法。针对冲击地压煤层的工程特性,进行了缺陷的定义与分类,详尽地论述了工程缺陷对冲击地压防控的力学机制;分析了含有缺陷介质体的冲击危险煤层应力分布特征,并结合实例详细阐述了工程缺陷防控冲击地压的机理及具体应用情况,对缺陷体的能量释放范围和程度进行了数值模拟验证,在深部与强冲击能量区域冲击地压治理方面获得了一定的成效。