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。     

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。     

深井富水工作面“动—静”应力效应诱发冲击地压机理研究

冲击地压的发生是一个多因素诱发的结果。以郓城煤矿1301工作面为工程背景,研究“动—静”应力效应诱发的（“动”指工作面回采时,上覆岩层运动对前方煤体施加超前支承压力及扰动;“静”指水仓突水后,煤层上方相当于开采一个解放层,突水区域上覆岩层部分应力向周边转移,使突水区域周边的静应力升高）新型冲击地压发生的机理,本文采用采用理论分析、现场监测、工程试验、数值模拟等方法研究了冲击地压发生的应力来源、突水造成的煤体岩性改变特征、工作面回采的动态影响等,得出以下结论：①突水打破了原岩应力平衡,使其周边煤体静应力升高,这是冲击地压发生的静应力来源。②煤体浸水30天,使煤体的强度大幅降低,使其在同等应力作用下增大了“蠕变”冲击发生的风险。③1301工作面回采,超前支承压力是发生冲击地压的动应力来源;超前支承压力与高静应力叠加,增大了应力的集中程度,再加上上覆岩层对高应力集中区的动态扰动,使冲击地压发生的风险进一步加大。该方法对于富水工作面的防冲评价具有重要的参考意义。     

冲击地压危险源层次化辨识理论研究

 采用理论分析并结合现场案例,指出冲击地压发生前存在潜在危险源,并将广义危险源概念引入冲击地压监测中,定义冲击地压能量积聚至破坏启动的区域为冲击地压危险源,进一步分析冲击地压危险源具有触发因素、潜在危险性和发展趋势3个要素,指出一切冲击地压监测的统一目标为及时、准确地辨识到冲击地压危险源。对冲击地压危险源产生的时空状态进行分析,为不产生盲区,提出对冲击地压危险源进行时空上的层次化辨识,并且建立理论应用模型,在华丰煤矿分别选用微震监测技术、地音监测技术和煤体应力监测技术,分井田范围、工作面范围和局部危险点进行全矿井冲击地压危险源辨识。实践证明该理论可提高现场监测效率、并有效指导现场对于冲击地压显现的预测。     

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。     

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。     

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。     

深井富水工作面“动—静”应力效应诱发冲击地压机理研究

冲击地压的发生是一个多因素诱发的结果。以郓城煤矿1301工作面为工程背景,研究"动—静"应力效应诱发的("动"指工作面回采时,上覆岩层运动对前方煤体施加超前支承压力及扰动;"静"指水仓突水后,煤层上方相当于开采一个解放层,突水区域上覆岩层部分应力向周边转移,使突水区域周边的静应力升高)新型冲击地压发生的机理,本文采用采用理论分析、现场监测、工程试验、数值模拟等方法研究了冲击地压发生的应力来源、突水造成的煤体岩性改变特征、工作面回采的动态影响等,得出以下结论:(1)突水打破了原岩应力平衡,使其周边煤体静应力升高,这是冲击地压发生的静应力来源。(2)煤体浸水30天,使煤体的强度大幅降低,使其在同等应力作用下增大了"蠕变"冲击发生的风险。(3)1301工作面回采,超前支承压力是发生冲击地压的动应力来源;超前支承压力与高静应力叠加,增大了应力的集中程度,再加上上覆岩层对高应力集中区的动态扰动,使冲击地压发生的风险进一步加大。该方法对于富水工作面的防冲评价具有重要的参考意义。     

特厚煤层大巷复合构造区重复冲击致灾机制及控制技术EI北大核心CSCD

针对日益严峻的煤矿大巷群冲击问题,以某矿中央大巷复合构造区为工程背景,采用理论分析、数值模拟、现场监测与工程实践相结合的方法,研究大巷群重复冲击致灾机制及防治方法,得到如下结论:(1)中央大巷复合构造区冲击地压是在特定地质环境和工程结构叠加作用下,以静载为绝对主导的自发型冲击;(2)冲击后巷道围岩抗冲击能力下降和煤体应力恢复性增长是冲击地压重复发生的根本原因,没有支护的厚底煤承受高集中应力,成为能量释放的突破口,表现为底煤冲击;(3)采用顶板超长孔水平分段压裂技术对中央大巷复合构造区进行区域卸压,通过压裂,使原本完整较好的坚硬目标岩层内形成数量众多、方位和长度不一的网状裂缝,大幅减弱岩层的整体强度,破碎后的岩层可视为塑性垫层,能起到吸收部分能量和减弱上覆顶板应力传递的作用,使应力由“硬传递”转化为“软传递”,进而降低压裂区域下方煤层的整体静载水平,使其无法恢复到冲击地压发生所需临界载荷,实现了降低冲击致灾风险的目的。     

先裂后注防治冲击地压的机制与现场试验

为实现煤矿冲击地压的主动区域性防治,提出先裂后注冲击地压防治技术。首先,对常规冲击地压防治技术进行分类,分析常规冲击地压防治技术6个方面的局限性;其次,探讨先裂后注对煤层的作用过程,以及先裂后注防治冲击地压的机制;然后,总结硬煤压裂和软煤压裂2个现场试验的成果,分析先裂后注防治冲击地压的效果;最后,讨论先裂后注冲击地压防治技术的不足,以及现场可能出现的问题及相应原因。研究表明,先裂后注对煤层的作用包括裂化煤层和湿润煤层,其中裂化煤层能够起到弱化蓄能能力、均化应力、孤立冲击体的作用,宏观上改变了煤体的完整性和应力分布特征;湿润煤层能够降低煤层冲击倾向性,细观上改变了煤体的脆性、储能与耗能特性。研究结果对推广应用煤层压裂技术和实现冲击地压主动区域性防治,具有十分重要的意义。     

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。     

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。     

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。     

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。     

深部厚煤层断层煤柱型冲击矿压机制研究

 针对断层区采掘时冲击矿压频频发生的严峻现状,运用理论分析、实验室试验、数值模拟以及工程实践等方法,研究断层区的冲击机制。主要研究内容及结论如下：(1) 建立断层闭锁与解锁滑移的力学模型,理论推导得出上行解锁和下行解锁的判定公式,公式表明断层解锁与断层摩擦强度、断层倾角以及水平应力和垂直应力之比有关。(2) 提出断层区断层煤柱型冲击矿压的概念,认为断层煤柱型冲击分为断层活化型冲击、煤柱破坏型冲击和耦合失稳型冲击,并阐释各自的冲击作用机制。(3) 分析跃进矿25110工作面20次冲击震源分布规律、冲击影响因素和冲击作用机制,认为大部分冲击为断层滑移、老顶断裂和煤柱破坏诱发的断层煤柱型冲击。(4) 从弱化断层滑移和减弱煤柱冲击破坏两方面提出针对25110工作面断层煤柱型冲击矿压的治理措施,现场实践表明,控制工作面推进速度可减少断层活化型冲击,提高巷道支护强度和爆破卸压、大直径钻孔卸压可有效降低冲击矿压灾害。     

“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。     

深孔断顶爆破防治冲击地压的理论与实践

 简要阐述我国冲击地压作用机制及控制技术研究现状，深入探讨深孔断顶爆破的作用机制，采用数值模拟方法分析深孔断顶爆破防治冲击地压的基本原理，对于爆破前后的应力场进行对比分析，从计算结果来看，深孔断顶爆破能够从根本上改变煤岩体的应力分布状态，显著降低爆破有效范围内煤岩体中的应力水平，应力峰值出现的位置明显远离煤壁，峰值的大小大幅度降低；结合急倾斜煤层开采条件和倾斜煤层开采条件，进行深孔断顶爆破防治冲击地压的实践，并通过应力监测对其卸压效果进行检验。监测结果表明，采用深孔断顶爆破技术能够有效改变煤岩体的应力状态，对具有冲击危险的区域起到较好的卸压作用；在华亭煤矿急倾斜煤岩层条件下深孔断顶爆破的实践中，在监测期间内，深孔断顶爆破后顶板岩层出现3次明显的周期性垮断现象，压力显著降低，周期来压明显，从而降低冲击危险性，有利于矿井的安全生产。     

深孔断顶爆破防治冲击地压的理论与实践

简要阐述我国冲击地压作用机制及控制技术研究现状,深入探讨深孔断顶爆破的作用机制,采用数值模拟方法分析深孔断顶爆破防治冲击地压的基本原理,对于爆破前后的应力场进行对比分析,从计算结果来看,深孔断顶爆破能够从根本上改变煤岩体的应力分布状态,显著降低爆破有效范围内煤岩体中的应力水平,应力峰值出现的位置明显远离煤壁,峰值的大小大幅度降低;结合急倾斜煤层开采条件和倾斜煤层开采条件,进行深孔断顶爆破防治冲击地压的实践,并通过应力监测对其卸压效果进行检验。监测结果表明,采用深孔断顶爆破技术能够有效改变煤岩体的应力状态,对具有冲击危险的区域起到较好的卸压作用;在华亭煤矿急倾斜煤岩层条件下深孔断顶爆破的实践中,在监测期间内,深孔断顶爆破后顶板岩层出现3次明显的周期性垮断现象,压力显著降低,周期来压明显,从而降低冲击危险性,有利于矿井的安全生产。