巷道内强主动支护与弱结构卸压防冲协调机制

为探索深部冲击地压巷道稳定性控制技术,解决冲击地压巷道支护与卸压之间的矛盾,以义马矿区常村煤矿21170运输巷为研究对象,依据冲击地压巷道的强弱强结构模型,采用理论分析、数值模拟、现场试验相结合,分析了强弱强结构消波吸能特性以及内强小结构破坏能量准则和弱结构吸能效应。根据钻孔破碎区力学特征理论推导了多次反复致裂中间弱结构卸压区影响因素,多次反复致裂半径与钻孔半径、初始应力、内摩擦角、弹性模量、降模量、峰值强度和致裂半径修正系数有关。通过数值模拟分析了内强小结构内置钢管支撑护壁技术对巷道围岩的强度和支护体结构完整性控制效果以及周围煤岩体的应力、位移的破坏规律。研究了内强小结构主动支护强化技术,中间卸压防冲弱结构的内置套管反复掏裂致裂方法,并通过微震能量监测验证了弱结构防冲吸能效应。研究结果表明:内置钢管支撑护壁技术在保护内强小结构不受破坏的作用下可以多次进行弱结构致裂,既防内强小结构松动圈裂隙扩展,又防止巷道支护层的整体失稳。工程实践表明:锚杆索主动支护+液压抬棚减跨强力支护+卸压防冲弱结构组成的"内支-外卸"组合技术,微震监测显示震动能量减少了50%,巷道两帮位移和顶板下沉显著较小,有效维护了巷道围岩稳定性,保证了工作面顺利安全回采。     

煤矿冲击地压巷道三级支护理论与技术

建立了冲击地压巷道"应力-围岩-支护"力学模型,得到了考虑巷道支护作用下冲击地压启动应力条件为远场应力大于临界应力,停止的能量条件为近场围岩吸收能量和支护吸收能量大于远场释放能量。基于巷道围岩与支护体动力响应分析发现,冲击地压发生过程中围岩阻尼特性、锚固岩体的抗冲击吸能特性及巷内支护体的阻尼及刚度对冲击载荷作用下巷道围岩的稳定性具有重要影响。提出巷道冲击地压防冲支护应从静-动力学两个角度,同时考虑"启动—破坏—停止"全过程。①在冲击启动前,依据冲击启动的应力条件降低煤体应力,减少弹性能积聚,提高支护阻力,增加启动难度;②依据冲击停止的能量条件,在冲击过程中,通过改变煤岩体结构与介质属性,吸收或消耗冲击能;③在冲击应力波传播的末端,通过提高巷内支护结构阻尼吸收剩余冲击能,减弱冲击应力波对巷道支护结构的破坏。提出冲击地压巷道支护结构应具有让压可缩与吸能特性,防冲支护应根据冲击地压能量特性进行分级设计。研发了吸能锚杆索、吸能O型棚、吸能液压支架等吸能支护装备,利用吸能构件的结合及功能互补特性建立了三级吸能支护体系,三级吸能支护系统具有径向让位、环向可缩以及轴向稳定特性,实现了冲击地压巷道三维立体吸能支护。     

基于冲击控制的释能吸能支护系统研究

为了有效控制冲击地压灾害,以高强度释能吸能支护系统为研究方向,选取彬长矿区高家堡煤矿深井冲击倾向性煤层的采掘活动为试验对象,分析了围岩应力-应变关系,研究了围岩支护特性曲线,结合冲击地压能量传播特性,提出了冲击地压条件下的支护系统"工况点漂移假说"和"漂移功"的概念。提出了基于安装载荷、支护强度、锚杆长度、围岩表面位移和冲击功的支护系统五维工况设计,开发了释能吸能抗冲支护五维工况点图解法,确定了合理的支护工况参数。高家堡煤矿203回风巷进行工业性试验,工作面采掘期间未发生强动力现象,矿压参数观测结果与设计一致,验证了释能吸能支护系统设计对冲击地压控制的可行性。     

吸能耦合支护模型在冲击地压巷道中应用研究

对冲击地压巷道围岩破坏原因和机理进行分析,建立了冲击吸能耦合支护模型(围岩-吸能材料-钢支架),分析了吸能耦合支护结构冲击能耗散机理,提出了冲击地压巷道吸能耦合支护方式,并提出建立安全巷道或部分安全区供避难场所.利用有限元计算方法,对直墙半圆拱形巷道吸能耦合支护前后应力和变形进行了数值分析.计算结果表明,无支护条件下,巷道顶、底部均形成应力集中区,顶角处应力最大,极易造成巷道两肩破坏;采用吸能耦合支护后,应力发生转移和扩散,围岩应力场和位移场趋于均匀化,应力集中区向两帮扩大,同时巷道整体变形明显降低,从而提高了冲击地压巷道安全程度,为巷道围岩安全支护提供了一种新方法.     

自移式吸能防冲巷道超前支架设计与研究

为提高支架抗冲击性能,有效防治巷道冲击地压,针对冲击地压矿井,从防冲角度创新设计了自移式吸能防冲巷道超前支架。支架可调节支护宽度,采用前推后拉实现自动移架,顶梁安装薄壁六边形吸能防冲构件,立柱安装扩径式吸能防冲构件,支架具有吸能让位防冲功能。采用吸能防冲支架支护巷道,将形成“围岩-吸能支护”系统,冲击地压发生时,一是吸能防冲构件通过塑性变形直接耗散围岩冲击能;二是吸能防冲构件让位空间给煤岩提供了一定的能量释放空间,间接耗散围岩冲击能;三是构件恒力变形阶段改善了支架受冲击载荷时的受力情况,也为液压阀开启提供了时间,有效提高了支架抗冲性能;四是支架吸能让位过程中,支架与围岩自调节后又形成新的“围岩-支护”系统,有利于巷道稳定。吸能防冲支架具有较高的支护强度和较强的抗冲击载荷能力,为防治巷道冲击地压提供一种新型支架。     

上覆遗留煤柱区冲击地压综合防控技术北大核心

为防止南山煤矿18~#煤层北三段工作面穿越上覆遗留煤柱区时发生冲击地压灾害,基于应力来源和表现形式,分析了冲击地压致灾力源因素,制定了静载荷卸压降载-动载荷减震消能的分源防控措施。实践表明,近距离遗留煤柱区动、静力源相互叠加,冲击危险性高,基于冲击力源分源防治思想,采用综放开采、爆破卸压降低巷道围岩静载荷水平,顶板爆破预裂、煤柱水力压裂降低动载荷扰动,巷道补强支护增强围岩抗冲能力,保证了巷道围岩处于低应力,微震能量以低能级、多频次形式释放,降低冲击显现程度,有效避免了遗留煤柱区冲击地压的发生。     

上覆遗留煤柱区冲击地压综合防控技术

为防止南山煤矿18~#煤层北三段工作面穿越上覆遗留煤柱区时发生冲击地压灾害,基于应力来源和表现形式,分析了冲击地压致灾力源因素,制定了静载荷卸压降载-动载荷减震消能的分源防控措施。实践表明,近距离遗留煤柱区动、静力源相互叠加,冲击危险性高,基于冲击力源分源防治思想,采用综放开采、爆破卸压降低巷道围岩静载荷水平,顶板爆破预裂、煤柱水力压裂降低动载荷扰动,巷道补强支护增强围岩抗冲能力,保证了巷道围岩处于低应力,微震能量以低能级、多频次形式释放,降低冲击显现程度,有效避免了遗留煤柱区冲击地压的发生。     

冲击地压矿井巷道支护理论研究及应用

针对现有支护理论、支护方法不能有效解决煤矿巷道冲击地压的问题,建立了冲击地压作用下的巷道围岩与支护响应的动力学模型,分析了支护刚度和支护阻尼对上覆岩体动力响应的影响,并由此提出了冲击地压矿井巷道支护设计的两个新思路,即提高支护刚度和快速吸能让位支护。其中,提高支护刚度主要以研制高强度的巷道液压支架为主,通过采用刚度较大的梁体和工作阻力较高的液压支柱来增加支护体系的整体刚度;快速吸能让位支护则采用多孔泡沫金属材料或吸能构件来增大支护中的阻尼系数,即利用其优异的吸能特性使支护体系能够在围岩冲击下快速吸收冲击能并稳定地变形让位,最终防止支护体系失效与巷道破坏,并据此研发了一种新型防冲吸能巷道液压支架并准备进行现场试验研究。     

人工调控围岩防冲减振数值研究

煤矿冲击地压产生的冲击应力波由围岩介质向巷道表面传播,强烈应力波作用致使支护结构严重破坏甚至失效。采用水力割缝、爆破、锚固以及注浆等人工调控技术,改变巷道附近围岩体物理力学性质,形成不同强度的层状结构,使其成为优良耗能体,增强衰减和散射冲击应力波能力,进而减少对支护结构的破坏。利用ANSYS/LS-DYNA非线性显式动力学有限元程序,模拟5种不同人工调控结构类型对耗散冲击应力波的影响。研究结果表明:当巷道附近围岩结构整体强度均匀时,其耗能性能较弱,冲击应力波作用使得巷道剧烈振动,支护结构受到强烈冲击力作用容易发生破坏;采用人工调控技术手段,围岩体形成不同强度的层状结构,具有较强的耗散冲击能作用,大幅度降低冲击应力波振动频率和幅值,支护结构受到冲击作用力明显降低,整体稳定性得到提高。人工调控围岩技术可有效降低冲击地压的振动作用和冲击应力波的强度。     

冲击地压煤层如何实现安全高效智能开采

冲击地压煤层如何实现安全高效智能开采是一项重大的产业技术难题,系统分析了我国冲击地压矿井分布特征、开采现状及冲击地压发展趋势,深入剖析了冲击地压矿井面临的主要开采难题。从区域地应力监测反演、矿井开拓布局优化、煤柱尺寸优化、井上下联合卸压、置换充填开采、高层位离层注浆等方面,全面阐述了冲击地压矿井全生命周期防控技术发展现状。针对巷道冲击地压防治难题,研发了冲击地压巷道全巷协同智能自适应抗冲击支护技术与装备,利用吸能防冲液压支架实现了正常状态对巷道围岩进行强支护、冲击过程迅速让位吸能的效果,结合支架智能运移装置、支架监测预警系统及全巷协同自适应抗冲击支护智能设计方法,构建了冲击地压巷道智能化吸能支护防控体系。分析了采煤工作面智能开采系统防冲原理,提出通过对围岩采动应力、覆岩断裂结构等进行监测分析,基于三维地质模型、大数据算法等对冲击地压发生位置、概率进行预测预警,并通过智能开采系统对液压支架的支护姿态与支护力、采煤机割煤速度等进行智能联动控制,实现采煤工作面智能开采与冲击地压智能防治。从采场应力与覆岩结构智能监测、冲击地压灾害数据库构建、冲击地压灾害分类预测预警等方面,分析了冲击地压智能防...     

基于能量计算的冲击地压巷道三级吸能支护参数确定

煤矿冲击地压的工程治理主要集中体现在冲击地压启动前的"防"与冲击启动后的"止",而如何依据冲击类型及能量特征设计吸能支护参数,有效地"止冲"对削弱冲击破坏程度具有重要意义。为实现冲击地压巷道吸能支护参数的量化设计,通过分析不同类型冲击地压释放的能量主体与破坏特征,指出了冲击危险巷道三级吸能支护方式的选择原则;基于能量守恒原理,考虑冲击释放能级、围岩破坏特征以及支护装备力学特性,给出了三级吸能支护参数的确定方法。研究结果表明:煤体压缩型冲击地压释能主体为煤体,释放能量一般不大于10~6J;顶板断裂型冲击地压释能主体为顶底板围岩,坚硬顶板断裂时释放能量不低于10~6J;断层错动型冲击地压释能主体为断层,释放能量在10~7J以上。不同类型冲击地压发生后,巷道围岩表现出不同程度的震动破坏,吸能支护设计应遵循原则:冲击能量分级设防、锚杆锚索主动支护优先、全断面主-被动联合支护、巷道支护结构整体稳定性与经济性。进行防冲支护参数设计时应采用逐次递进法设计吸能锚索、吸能U/O型棚、吸能液压支架的支护参数,当吸能锚索支护间距小于0.8 m时,升级为二级吸能计算,当吸能U/O型棚的排距小于0.6 m时,升级为三级吸能计算。现场实践表明:基于能量法的巷道支护参数可靠,防冲效果显著。     

特大断面冲击地压巷道破坏机理及控制技术研究

为解决马耿村矿特大断面冲击地压巷道支护难题,介绍了巷道地质条件及围岩地质力学参数特征,分析了冲击地压巷道围岩变形与破坏特征,冲击地压巷道变形破坏的主要影响因素是高应力、强动载、卸压和支护体系。频繁冲击能量会产生冲击破坏效应;卸压措施会对冲击地压巷道围岩结构及支护体系产生巨大影响;主动支护体系失效导致冲击地压巷道变形严重破坏。提出特大断面冲击地压巷道矿压特征明显不同于非冲击地压巷道,不同区域及位置的巷道表面位移和顶板离层差异较大;受掘进影响巷道变形更快速更剧烈,稳定时间更长;冲击地压巷道锚杆锚索受力呈锯齿形或台阶形剧烈波动。在耿村矿进行试验,13230上平巷掘进断面超过30 m2,属特大断面冲击地压巷道。矿压监测数据显示,采用提出的支护方案后围岩变形得到有效控制,巷道支护状况得以明显改善。     

复杂开采条件下高冲击危险区巷道支护技术研究

为解决深部复杂开采条件下面临的巷道冲击地压问题,通过采场覆岩结构理论研究,得到了工作面支承压力分布特征,采用数值模拟分析了工作面围岩应力分布规律,并根据冲击地压发生机理,预测出了巷道冲击地压发生危险区。在高冲击危险区采取了大直径钻孔卸压和深孔卸压爆破两种防治措施,同时,又采用了以防冲让压锚杆为核心的防冲让压巷道支护技术。工业性试验效果表明:防冲让压支护技术有效解决了复杂开采条件下巷道冲击地压问题,保证了矿井安全高效生产。     

震源扰动型巷道冲击矿压破坏力能准则及实践

针对震源扰动型巷道冲击矿压破坏机理进行研究,建立了巷道围岩冲击震源扰动型冲击破坏的动力分析模型,推导了巷道围岩承载结构在“静载+动载”组合作用下动力破坏的应力判据和能量准则。基于该力学模型及其机理分析,提出合理设置弱结构消波吸能的防冲理念,并从理论角度分析了弱结构消波吸能的作用机理。最后通过工程实例,应用能量准则进行了冲击煤层巷道的支护设计及其防冲性能核算,理论研究成果初步得到了应用和检验。     

深部冲击地压巷道锚杆支护作用研究与实践

以义马常村煤矿深部冲击地压巷道为工程背景,介绍了深部冲击地压巷道围岩地质力学参数分布特征,分析了冲击地压巷道围岩变形与破坏特征及主要影响因素,揭示出锚杆支护对冲击地压巷道变形的本质作用是保持围岩完整性,在围岩中形成支护应力场,降低应力集中系数,改善巷道围岩应力分布,充分发挥围岩的抗冲击能力。提出冲击地压巷道支护形式选择原则,介绍了高冲击韧性锚杆支护材料力学性能及锚杆支护参数设计方法。针对常村煤矿21220下巷条件,提出以全长预应力锚固、高强度、高冲击韧性锚杆与锚索支护为主,以金属支架为辅的复合支护方式,并进行了井下工业性试验。矿压监测数据表明,该种支护方式与围岩的整体抗冲击能力强,能够有效控制深部冲击地压巷道变形与破坏。在冲击能量影响下,锚杆、锚索受力特征明显不同于普通巷道,呈波浪状或锯齿状变化趋势。     

深部冲击地压巷道“卸压-支护-防护”协同防控原理与技术

针对深部冲击地压巷道高应力、强冲击造成的强矿压显现难题,分析了深部冲击地压巷道围岩变形破坏特征,确定了导致深部冲击地压巷道强冲击显现的防控难点,揭示了巷道冲击破坏机制。在分析深部冲击地压巷道破坏机制的基础上,建立了深部冲击地压巷道围岩力学模型,分析了动、静叠加载荷、支护应力、围岩力学属性与莫尔圆间的相互作用关系,提出了深部冲击地压巷道“卸压-支护-防护”协同防控原理。通过对巷道围岩远、近场进行卸压,从动、静载荷角度降低巷道冲击能量和所受应力;利用高预应力、高强度、高延伸率及高冲击韧性“四高”锚杆(索)主动支护,结合围岩结构重塑技术,提高巷道围岩自承载和抗冲击能力;结合钢棚、缓冲垫层及防护支架,通过高阻尼作用快速抑制巷道围岩的冲击震动。通过协调“卸压-支护-防护”3种技术手段的时空关系,改变冲击地压巷道能量释放、传播及耗散形式。基于“卸压-支护-防护”协同防控原理,提出了深部冲击地压巷道“卸压-支护-防护”协同防控技术,开发了长、短孔分段水力压裂工艺,研发了配套的压裂机具和设备;研制了高冲击韧性锚杆(索)系列支护材料,大幅度提高了支护材料的强度和韧性;提出了以钢棚、缓冲垫层及防护支架为一体的巷道复合防护结构,复合防护结构能有效吸收巷道围岩内的冲击动能,抑制围岩震动。研究成果在蒙陕和义马典型冲击地压矿井开展了工业性试验,“卸压-支护-防护”协同防控技术改变了厚层坚硬岩层冲击能量释放形式,有效抵御了高动、静叠加载荷,减小了巷道围岩整体冲击变形,控制了深部冲击地压巷道围岩稳定。     

冲击地压危险区域巷道三级吸能支护探索与应用

以峻德煤矿为研究对象，借鉴国内冲击地压矿井三级吸能支护体系的成功经验，分析了三级吸能支护体系防冲机理和实施条件，结合峻德矿区93172综放工作面冲击地压的实际情况，研发出一级支护围岩喷射混凝土、二级支护U型棚和三级微拱形液压单体框架吸能结构的支护技术，并在该矿冲击地压危险区域巷道支护中进行了实践应用，取得了良好效果。     

特厚冲击地压煤层分层综放开采巷道支护技术研究

华亭煤矿从特厚煤5层分层综放开采起,冲击地压显现异常剧烈,在采场已发生冲击地压上百次,致使巷道部分锚杆失效、锚索被拉断、底鼓、两帮移近、顶部下沉等严重变形现象,以及围岩松动圈不断扩大,巷道维修量大,严重影响矿井的安全生产,成为困扰和制约华亭煤矿可持续发展的重大安全问题。采用新型高强高预应力均让压支护技术对特厚冲击地压煤层分层综放开采巷道进行支护。工程实践表明,新型高强高预应力均让压支护显著改善了巷道的支护效果,有效控制了巷道两帮移近、顶部下沉等围岩变形现象,大大降低了巷道的维修量,取得了良好的经济效益,具有一定的借鉴价值。     

基于“强-弱-强”理论的深井巷道支护机理研究

研究了"强-弱-强"理论在深井巷道支护中的作用机理,其核心的"强-弱-强"力学模型实现了用一种支护结构对深井巷道防治冲击矿压与软岩支护2个问题进行统一解决的目标。对于深井软岩巷道支护,"强-弱-强"结构主要起到应力转移的作用,实现巷道围岩浅表应力向深部转移的目的;对于防治冲击矿压,"强-弱-强"结构主要起到消波吸能的作用,可有效降低冲击应力波的强度。     

济三煤矿坚硬顶板下回采巷道支护系统抗冲击能力分析

煤矿开采面临的煤岩冲击危险直接影响矿井的安全高效生产和工人的生命安全，对现有巷道锚杆支护系统的抗冲击能力提出了更高的要求。以济三煤矿183_下05工作面胶运巷为工程背景，结合工作面回采过程中微震监测结果及防冲措施等，采用动静载能量平衡原理和围岩体能量衰减特征相关理论，对不同顶板条件下胶运巷的初始支护强度开展了抗冲击能力分析，并提出了冲击地压巷道支护方案的优化建议，可为类似冲击地压巷道围岩安全稳定控制提供了借鉴和参考。