综放开采见方构造区冲击危险性分析及防治研究

目前针对综放工作面的冲击危险性分析只是从单一地质构造或见方效应因素考虑,而冲击地压矿井的开采条件一直变化,影响因素复杂多样,需要具体分析综放开采条件下地质构造与见方效应耦合区域内的冲击危险性。以胡家河煤矿401111工作面为工程背景,采用微震台网监测技术获取了见方构造区内微震事件能量及频次分布特征,研究了见方构造区的冲击危险性,得出以下结论:(1)见方构造区冲击危险性高,区域内断层及褶曲分别影响煤层连续性及变形特征,致使构造应力异常。(2)上覆岩层压力伴随工作面开挖逐渐向煤层转移,区域内静载荷集中程度显著,工作面推进过程见方效应致使顶板活动频繁,导致较高水平的集中动载荷。(3)见方效应与地质构造联合作用时,工作面近场煤体内集中静载荷处于最高水平,远场集中动载荷扰动最频繁,两者耦合作用下的区域冲击潜在风险极大。针对见方构造区存在的冲击危险性,从空间维度由上及下对见方构造区的3个层位采取了具体的防治措施:(1)厚硬顶板断裂会产生较高水平的动载荷,对其进行预裂爆破,降低顶板与相邻采空区的联通活动。(2)工作面间煤柱及实体煤受上覆岩层的压力影响,静载荷集中程度高,实施大直径钻孔卸压,降低煤帮完整性支承压力向深处煤层转移。(3)对底板实施大直径钻孔+爆破卸压技术,阻断帮部支承压力向底板转移路径,降低巷道底鼓变形。工程实践结果表明,该防治措施卸压效果良好,见方构造区内顶板周期来压步距缩短,基本在15m以内,工作面微震事件能量均小于104 J,无大能量事件发生,可为同类型矿井条件的冲击地压防治提供参考。     

张双楼煤矿应力集中区冲击地压灾害防控实践

目前的爆破卸压防治措施仅针对煤层顶板,对顶板-煤体-底板三协同爆破卸压治理研究较少,特别对坚硬厚层砂岩顶板覆层区域的冲击灾害防治研究更少。针对上述问题,以江苏徐矿能源股份有限公司张双楼煤矿74101工作面为工程背景,从开采布局、煤岩冲击倾向性、砂岩覆层区应力集中程度方面分析了其冲击灾害诱发因素,揭示了煤岩体突然失稳破坏诱发冲击灾害的原因,认为顶板砂岩覆层异常、断层地质构造、底板坚硬细砂岩等地质条件造成局部高应力集中是诱发冲击灾害的主要原因。采用矿震震动波CT反演技术精准探测得到74101工作面强冲击危险区:运输巷侧沿巷道75 m,延伸工作面60 m椭圆形区域;轨道巷侧沿巷道60 m,延伸工作面80 m椭圆形区域。针对划分的高应力集中区,提出了精准的“顶板-煤体-底板”一体化爆破卸压技术,对74101工作面冲击危险区域进行卸压防冲,并采用微震监测手段及现场观测对卸压防冲效果进行评价。结果表明:爆破卸压后,74101工作面厚硬砂岩覆层区矿震日累计能量由1.57×104 J降低至104 J以下,震动频次降低50%,矿震活动呈现低能量、低频次的特征,冲击危险性显著降低,验证了一体化爆破卸压技术适用于张双楼煤矿厚硬砂岩覆层区冲击动力灾害防治。     

复合构造区域煤岩体应力分布及冲击地压危险性评价

工作面构造区域应力异常集中与冲击地压关系密切,而基于煤岩体波速与应力的良好相关性,地震波CT探测技术广泛用于冲击地压危险性评价与预警,但现有研究仅针对简单条件或单一构造区域,未对存在多种地质构造形成的复合构造区域进行探讨。以山东某矿2305综放工作面为例,针对其复合构造区域内微震事件集中且曾发生过冲击地压的情况,采用地震波CT探测技术获取构造区域内煤岩体应力分布情况,并引入含地震波波速和波速梯度的特征指数c分析应力分布特征及冲击地压危险性。研究结果表明:(1)微震事件分布集中与邻近构造相关,可将集中区域按构造数量分为单一或复合区域,按受扰动程度分为强或弱扰动区域。(2)强扰动复合构造区域静态应力集中程度最高,弱扰动单一构造区域应力集中程度最低;断层单一构造区域应力增高水平与受扰动程度呈正相关关系;低扰动复合构造区域内向斜较断层应力增高显著。(3)构造区域围岩静态应力集中是导致围岩活动剧烈的主要原因,综合考虑围岩静载荷与采动影响下动载荷增量情况,可得出不同微震事件集中区域的冲击地压危险性。     

深部冲击地压智能防控方法与发展路径

为了解决冲击地压威胁深部智能开采与防控人员安全问题,提出了深部冲击地压智能防控方法。基于基础静载荷诱发冲击地压启动的关键作用,指出深部冲击地压智能防控的理论基础是自动探测采掘空间内围岩基础静载荷,并实现智能化、精准化降低其集中程度,以提高后期获取增量静载荷、动载荷的门槛,从而达到冲击地压防控目的。提出了未来深部冲击地压智能防控研究发展路径:冲击地压灾害多源信息主动调度理论与方法,多源信息融合的防灾治灾方案专家库,高速交互智慧机器人与信息化装备,冲击地压灾害智能治理与复合灾害自适应技术,重大灾害防控效能自评价技术。     

基于Logistic回归的大采深厚煤层冲击地压预警

针对大采深厚煤层冲击地压监测预警难题,分别建立了基于常规指标(支护阻力、钻孔应力和瓦斯浓度)及常规指标(支护阻力、钻孔应力和瓦斯浓度)与地球物理指标(微震平均震源距、微震日能量、微震日频次、电磁辐射强度)综合的Logistic回归冲击地压预警模型,得到了冲击地压危险性(发生概率)与监测指标之间的定量表达式,并结合千秋煤矿现场实测数据对冲击地压预警模型进行验证。研究结果表明,基于综合指标Logistic回归的冲击地压预警模型预测准确率达89.2%,其拟合优度和预测准确率均优于基于常规指标Logistic回归的冲击地压预警模型。     

巷道掘进过程中煤炮现象发生范围及机理研究

为了说明煤炮现象的发生范围和发生机理,采用RFPA2D数值计算软件对某煤矿巷道掘进过程中围岩的变形破坏过程和声发射现象进行了数值模拟研究。研究结果表明,矿井工作面回采巷道发生的煤炮现象是在巷道两帮15 m及顶板约10 m范围内在巷道变形破坏过程中积聚的大量弹性能量释放的过程,是一种能级相对较小的动力现象,不是冲击地压发生的前兆信息。     

屯宝煤矿逆断层破碎带巷道变形控制研究

针对屯宝煤矿逆断层破碎带煤柱侧巷道受采动影响造成的巷道变形量大、巷道底鼓、煤柱侧帮鼓、巷道顶板局部下沉等问题,采用锚杆测力计对锚杆应力进行监测,采用PASAT-M应力探测方法对逆断层煤柱侧巷道应力分布和巷道变形规律进行了研究。研究结果表明:胶带巷煤柱侧锚杆应力峰值出现在超前工作面10~15 m,轨道巷上帮锚杆应力峰值出现在超前工作面5~10 m;巷道不同位置的锚杆应力、围岩应力及巷道变形量均受T 2逆断层影响,应力和变形量集中分布在逆断层附近;距离逆断层25 m内围岩应力中等危险区分布相对集中。根据研究结果,提出了巷道补强支护和大孔径卸压综合治理措施,工程实践结果表明,该措施为围岩提供了稳定的支护力,适用于屯宝煤矿逆断层影响区域围岩变形的防治。     

基于小波分析的冲击地压微震前兆信号研究

采集某煤矿1300工作面冲击地压发生前后的微震信号,进行时序特征分析,并采用db5作为小波基函数对微震信号进行5层分解,得到各层子频带的频谱特征和能量百分比。分析结果表明:冲击地压发生前,微震次数和能量呈现先增加后减少再增加的趋势;冲击地压发生前1h出现了前兆信号,能量主要分布在62.5～250Hz的中高频段,能量百分比达到55%;冲击地压发生时,波形起伏明显,振幅明显增大,低频信号占主要成分,能量主要集中在0～62.5Hz的低频段,且占总能量的70%左右。得出冲击地压前兆:振幅增加,微震主频明显降低,频带由高频向低频发展,且前震发生的时间越靠近主震,低频信号越多,低频信号所占的能量百分比也越大。因此,可将微震主频急剧降低、振幅明显升高、低频信号能量百分比增加作为冲击地压前兆的主要特征,结合每日微震次数和能量变化趋势进行冲击地压预测。     

孤岛工作面冲击地压多指标监测及危险性区域划分

孤岛工作面回采过程中受煤柱应力集中和工作面动压的叠加影响,容易发生冲击地压灾害。现有方法采用单一指标对冲击危险性进行预警,存在较大的预警误差,无法全面反映采掘过程中的冲击危险性。针对上述问题,为了研究孤岛工作面回采过程中的冲击地压危险程度,以济宁二号煤矿93下05孤岛工作面为工程背景,提出了孤岛工作面冲击地压多指标监测方法,利用工作面回采过程中钻屑量、微震、钻孔应力等多指标综合分析了该工作面的冲击危险性,并根据工作面不同区域的冲击地压危险性进行了区域划分。分析结果表明:在联络巷附近及未保护区,微震日最大震动能量及震动总能量、钻屑量及钻孔应力值均明显提高,得出在孤岛工作面回采过程中,联络巷附近及未保护区是冲击地压的危险性区域。根据危险性区域划分结果,考虑到在不同区域应力集中程度的差异性,提出并提前实施了参数差异化的大直径卸压防冲措施,降低了应力集中程度,防止了冲击地压灾害发生。     

煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出感知报警方法研究

提出了基于温度的冲击地压和煤与瓦斯突出感知报警方法:使用红外热像仪等监测物体温度,使用甲烷传感器监测环境甲烷浓度;当物体温度高于煤矿井下环境温度和已暴露煤岩温度,并且高于环境温度和已暴露煤岩温度的物体数量较多、体积和面积较大,则判定发生冲击地压、煤与瓦斯突出、矿井火灾或瓦斯和煤尘爆炸事故;进一步判别高温物体温度,若大于设定阈值,则判定发生矿井火灾或瓦斯和煤尘爆炸事故,反之,则判定发生冲击地压或煤与瓦斯突出事故;进一步分析甲烷浓度变化,若甲烷浓度迅速升高,则判定发生煤与瓦斯突出事故,反之,则判定发生冲击地压事故。提出了基于速度的冲击地压和煤与瓦斯突出感知报警方法:使用激光雷达、毫米波雷达、超声波雷达、双目视觉摄像机等监测物体移动速度,使用甲烷传感器监测环境甲烷浓度;当物体移动速度不小于设定阈值时,则判定发生冲击地压、煤与瓦斯突出或瓦斯和煤尘爆炸事故;进一步判别速度异常物体的数量、体积和面积,若速度异常物体的数量较少、体积和面积较小,则判定发生瓦斯和煤尘爆炸事故,若速度异常物体的数量较多、体积和面积较大,则判定发生冲击地压或煤与瓦斯突出事故;进一步分析甲烷浓度变化,若甲烷浓度迅速升高,则判定发生煤与瓦斯突出事故,反之,则判定发生冲击地压事故。提出了多信息融合的冲击地压和煤与瓦斯突出感知报警及灾源判定方法:监测并融合温度、速度、加速度、掩埋深度、声音、气压、风速、风向、粉尘、甲烷浓度、设备状态、微震、地音、应力、红外辐射、电磁辐射、图像等多种信息,感知冲击地压和煤与瓦斯突出;通过不同位置参数变化的幅度、先后时序关系及传感器损坏情况,判定灾源。     

微震监测技术在顶板来压预测预报中的应用

介绍了微震监测系统在千秋煤矿预测预报顶板来压中的应用情况。实践结果表明,微震监测系统可实现对综放工作面老顶初次来压的预测判断;微震监测与日常钻屑量监测、矿压监测等数据较为一致,采用综合性的冲击地压预测预报技术能更有效地对采场动力灾害进行预测预报;用大能量事件频次作为微震监测系统的有效参数可较准确地对采场动力现象进行预测预报,并总结出顶板来压的前兆信息模式,该项结论能有效预防采场动力现象和冲击地压事故的发生。     

煤层顶板深孔“钻-切-压”预裂防冲技术试验研究

针对现有顶板定向水力压裂技术中缝槽预制工序繁琐、成缝质量差的问题,提出钻孔、高压水射流切缝、高压水力压裂(钻-切-压)一体化预裂顶板防冲技术,并在葫芦素煤矿进行了试验研究。试验结果表明:“钻-切-压”一体化技术与装备在不退钻杆的前提下能够进行人工切槽,并采用单孔后退式多次压裂,提高了施工效率;使用的对称双孔型高压射流器能够高效形成4~5 mm宽度的人工缝槽,增大了切缝效果,并降低了压裂时裂缝起裂压力,扩展了压裂半径,单轴抗压强度为50~60 MPa的顶板岩层,单次压裂半径最大可达15 m;“钻-切-压”技术弱化顶板使得巷道围岩应力水平降低,临空巷道附近高能微震事件数量大幅减少,微震频次和能量无急剧变化,保证了工作面顺利回采。     

近距离煤层群综采工作面瓦斯治理优选措施

相对于单一煤层或其他煤层群开采,近距离煤层群在开采过程中邻近层受到开采层应力影响更为剧烈,瓦斯更容易通过发育的裂隙涌入开采层,造成开采层工作面瓦斯积聚。现有的针对近距离煤层群的瓦斯治理研究主要侧重于单一措施参数的确定及效果分析,没有深入研究瓦斯治理措施在时间、空间层面之间的联系,对综合瓦斯治理措施的优选组合、具体参数的确定依据及措施采取后的效果分析不够深入。针对上述问题,以阳煤一矿81403综采工作面为研究对象,通过数值模拟方式分析了近距离煤层群条件下开采应力分布及演化过程,研究了上覆岩层破坏及裂隙发育变化规律,得到了81403综采工作面瓦斯主要来源为煤层解吸瓦斯、上邻近层卸压瓦斯、采空区瓦斯等,针对不同瓦斯涌出源头和特点,优先采取顺层预抽+高抽巷+高位钻孔+采空区埋管的瓦斯抽采措施,即在开采前充分预抽减少煤层解析瓦斯量,通过高位钻孔、高抽巷处理邻近层瓦斯涌入,采用埋管治理上隅角瓦斯局部聚集,在时间和空间上形成综合的治理体系,从而达到瓦斯治理目的。实际应用结果表明,工作面回采期间瓦斯抽采率达到了89.9%,回风巷及上隅角瓦斯体积分数保持在1%以下,保证了工作面的安全回采。     

锚固体参数对冲击危险性巷道围岩稳定性的影响分析

针对冲击危险性的锚网支护类回采巷道,运用动力学理论分析了巷道锚固体抑制冲击矿压灾害机理,采用数值模拟软件FLAC3D研究了不同锚固体参数对冲击危险性巷道围岩稳定性的影响程度。研究结果表明,巷道围岩变形量的主要影响因素是锚杆长度与锚杆间距,巷道巷帮变形量对锚固体参数的灵敏度反应远高于巷道顶、底板。     

厚松散含水层失水沉降相似模拟实验研究

目前缺乏对厚松散含水层地质采矿条件下覆岩破断及变形规律的深入研究。以淮南矿区潘四东煤矿11111工作面为工程背景,构建相似材料模型,采用数字摄影测量提取位移法记录模型开挖过程中覆岩破断过程及覆岩变形情况。分析了含水层失水沉降原因:覆岩在W型剪切应力拱作用下形成2条纵向的主导水裂隙带,导水裂隙带的进一步发育引起含水层失水固结,在厚松散层重力作用下进一步压实,随着覆岩破断运动的加剧,在弯曲带和覆岩共同挤压下形成О型剪切应力拱,压缩薄层空间,导致地表下沉量增大。分析了失水状态下覆岩损伤情况:工作面开采工作完成且覆岩达到稳态后,前垮落角为57°,后垮落角为62°,导水裂隙带高度为63 m,开切眼及终采线上方覆岩在应力集中作用下断裂,产生纵向裂隙,开切眼及终采线上方垮落带区域内覆岩产生横向离层裂隙,纵向裂隙和横向离层裂隙加剧了覆岩与含水层间的水力联系。给出了失水状态下覆岩动态运动规律:随着开采工作面的推进,各观测线覆岩下沉量逐渐增大,接近开采工作面的观测线覆岩下沉量最大,工作面上方覆岩的观测线下沉量曲线走势基本类似且跳变一致,含水层上方的观测线下沉量曲线走势基本吻合且跳变同步,工作面上方与含水层上方的观测线下沉量跳变异步,表明含水层对覆岩移动变形具有重要作用。     

小煤柱应力集中区钻孔卸压机理的数值模拟研究

文章分析了小煤柱应力集中区钻孔卸压机理,利用ADINA有限元软件模拟了钻孔卸压的作用机理、钻孔动态损伤破坏发展和应力场重新分布过程;通过小煤柱应力集中区不同钻孔孔径和孔距数值模拟对比发现:具有合理钻孔孔径和孔距的卸压孔可以导致煤层的结构性破坏,从而使煤柱高应力区向深部转移。仿真结果表明,小煤柱应力集中区钻孔卸压对控制煤柱变形与破坏具有显著效果。     

基于FBG传感器网络的煤矿巷道在线监测系统设计

在掘进和采煤的过程中,巷道围岩的受力情况复杂多变,因此,巷道离层位移和围岩压力的实时监测是保证巷道正常工作的一个重要因素。设计了一种基于FBG传感器网络的煤矿巷道在线监测系统。该系统实现井下700 m数据采集,井上分析处理,可提供时序趋势变化、结构分布变化和阈值报警等功能。根据朱仙庄煤矿巷道的特点,系统安装4只FBG位移传感器、4只FBG土压力传感器和4只FBG温度传感器,对巷道掘进区域的离层位移、围岩压力和温度变化进行在线监测。监测结果表明:系统对离层位移、围岩压力和巷道温度变化反映灵敏,能够有效保证巷道掘进的正常进行,且为后续巷道施工提供数据支持和理论依据。