固体潮汐应力与矿震触发之间的相关性及其作用机理分析

矿震的发生与地球固体潮汐活动存在一定相关性,为进一步探明固体潮汐应力对矿震的触发作用,本文以国内典型冲击灾害频发的华亭煤田矿区为研究背景,采用Schuster检验方法对发生在顶板中的矿震进行了固体潮日潮变化的统计分析。结果显示:1)固体潮汐应力对矿震的发生存在显著触发作用,矿震发生的频次与潮汐应力垂直、东西、南北和水平剪应力分量的相位角之间都有显著的相关性,Schuster检验P值均小于触发阈值0.05;2)潮汐应力对不同级别矿震触发作用存在差异,随着震级的增大,矿震的发生由重力控制转为构造应力控制;3)对不同类型矿震的触发力学作用不同,对于重力控制的中小型矿震,潮汐应力垂直分量最大(受压)、水平分量最小(受拉)时矿震较易发生,而构造应力控制的大级别矿震则与之相反;4)矿震活动也会造成相关区域地层中的钻孔应变时序形态产生畸变。     

煤矿覆岩空间结构演化与诱冲机制研究

煤层开采后,上覆岩层发生破断运动,对巷道和回采工作面施加静载荷和动载荷,诱发煤层顶板和冲击矿压灾害。而上覆岩层的运动不仅是单个工作面回采的结果,也可能是多个工作面回采共同作用的结果。微震监测表明,对于采用小煤柱护巷,尤其是覆岩中存在厚层坚硬关键层的矿井,冲击矿压震源往往集中在相邻采空区中的厚硬岩层中,说明煤矿覆岩在空间上存在着结构,并且采空范围(边界条件)不同,覆岩的空间结构是动态演化的。空间结构演化与失稳过程中造成的冲击矿压动力灾害称为覆岩空间结构失稳型冲击矿压。为了揭示此类冲击矿压的机理,提出煤矿覆岩空间结构演化与诱冲机制,并采用实验室物理模拟试验、FLAC3D数值模拟试验、理论分析和工程实践4种方法进行研究。煤矿覆岩破断后的形态是空间结构,空间结构的形成与失稳是动态演化的。煤矿覆岩在层面方向上各关键层破断成"O-X"形态,不同层位的"OX"结构形态空间上形成柱台体,与之相邻的边界覆岩在竖向剖面上形成"F"型结构。覆岩层面方向破坏的"OX"结构向上发展,剖面方向上的"F"结构也会发生破断失稳。因此,"OX"与"F"结构及其相互转化构成了煤矿覆岩的整体空间结构形态,"OX"与"F"结构的形成与失稳不断进行,称为煤矿覆岩空间结构的动态演化循环。考虑顶板断裂线、煤柱稳定性与动态破坏3个因素,给出覆岩空间结构动态演化的条件判据,根据工作面受"OX"与"F"的影响程度不同,将工作面分为"OX","F"及"T"型空间结构工作面,并根据关键层的破断特征进行详细分类。通过实验室相似材料试验,模拟多工作面连续回采时"OX","F","T"型工作面的空间结构的形成与演化规律。FLAC3D模拟表明覆岩性质不变的情况下,采空区范围不同,煤层应力集中程度的规律为:短臂对称"T">非对称"T">短臂"F">长臂对称"T">长臂"F">"OX",而关键层的来压次数则是长臂结构>短臂结构。"OX"工作面应力集中随工作面宽度线性增大;短臂"F"工作面,长度增加有利于整个工作面范围内支承压力的降低;长臂"F"工作面,工作面加大,端头支承压力将降低,中部支承压力将升高;孤岛"T"工作面加大工作面宽度对工作面端头与中部的应力降低均有作用。基于弹性板与关键层理论,分析了"OX"结构破断与形成过程,给出了基于纳维解法的应力精确解,提出了"F"结构存在主动与被动两种失稳模式,被动失稳能导致下位结构呈整体滑落失稳,失稳速度快,厚度大,冲击力强,危险程度高于主动失稳过程。覆岩空间结构失稳型冲击矿压的本质为动静组合加载的复合型冲击。从应力、能量与震动效应构建了表示冲击发生的判据。动静组合加载的模拟表明,在动静载之和相等的情况下,高静载+低动载的组合方式冲击危险性高于低静载+高动载的组合。针对覆岩空间结构失稳型冲击矿压的特点,建立了以动静载应力场监测为基础,以空下巷道布置、定向高压水力致裂为关键技术的预防体系,通过济三煤矿"F"工作面63下05与"T"工作面163下02C的防冲实践验证了论文提出的覆岩空间演化诱冲机制能够有效地指导现场防冲工作。     

应力波扰动诱发冲击矿压数值模拟研究

采用非连续离散元软件UDEC,对应力波扰动诱发冲击矿压形成发生全过程、巷道埋深H及扰动应力强度P,max对围岩稳定性的影响进行了有效的数值模拟,得到了巷道围岩在应力波扰动过程中响应速率、响应变形及岩体破损范围大小,以及发生冲击矿压的临界深度和临界扰动应力强度值.结果表明:扰动应力波是引起围岩裂隙延伸贯通,继而诱发冲击矿压的重要因素;围岩埋深条件及扰动应力波的强度决定了巷道围岩裂隙发展影响区域及形态,并最终影响到冲击地压发生与否.研究结果对揭示煤矿冲击矿压的诱发机理具有重要意义.     

深部矿井冲击地压、瓦斯突出复合灾害发生机理

为了探索深部矿井冲击地压、瓦斯突出复合灾害机理,为复合灾害的有效监测与防治提供理论基础,通过试验研究和理论研究相结合的研究方法,研究了瓦斯对煤岩体力学性质和冲击倾向性的影响,建立了圆形巷道冲击地压、瓦斯突出复合灾害模型并进行了解析分析,探讨了冲击地压和煤与瓦斯突出的诱导转化机理。结果表明:随着瓦斯压力的增大,煤岩体强度降低,弹性模量减小,峰值应变减小,冲击倾向性降低;煤岩体应力存在一个临界值,当煤岩体应力超过临界煤岩体应力时,系统失稳发生冲击地压、瓦斯突出复合灾害;冲击地压、瓦斯突出复合灾害的临界煤岩体应力随瓦斯压力的增加而减小,随煤岩体强度的增大而增大,随冲击倾向性的增大呈现先减小后增大的趋势;冲击地压诱导瓦斯突出多发生在煤岩体中存在含气封闭断层等储气构造或煤层底板含有高弹性模量岩层(夹层)等情况,瓦斯突出诱导冲击地压多发生在软硬煤相间、相互包裹的煤层或突出过程中破碎煤岩体的抛出形成较大的空顶面积等情况。     

初始应力场对爆破效果的影响

通过对存在不同初始应力场的几种材料的室内试验和地下矿山爆彼实例的分析，发现初始应力场对爆破效果有很大的影响。初始应力场的存在改变了爆轰波的传播规律，同时，对裂纹发展起着导向作用。正确认识和掌握初始应力场的规律，通过合理布置炮孔位置，正确选取爆破参数，可以大大提高工作效率。减少资源损失和改善爆破效果。     

定向水力致裂对煤层顶板三向应力的影响研究

煤层顶板水力致裂是处理坚硬顶板和防治冲击地压的重要技术手段之一,为了研究水力致裂技术对煤层顶板三向应力的影响,通过现场开展煤层顶板定向水力致裂试验,采用光纤光栅三向应力传感器得到了致裂前后顶板岩层的三向应力。结果表明：水力致裂之后,监测断面处顶板岩层三个主应力均有所降低,最大降幅约为20%,而主应力方向变化很小|在工作面坐标系下,致裂部位处各应力分量的降幅受致裂面方位的影响。顶板水力致裂能够显著降低或者转移顶板岩层三向应力,对致裂部位具有良好的卸压效果。研究成果可为现场水力致裂钻孔布置提供参考,并可用于冲击地压防治研究。     

深部高应力异常集中区冲击矿压动态防治实践

针对采动煤岩体的应力和储能的“时-空”演化特征,以徐州三河尖煤矿深部高应力异常集中的9202工作面及其轨道巷为试验区,提出了冲击矿压的动态防治技术体系：① 分析冲击危险的地质和开采因素,特别是垂直应力梯度的分布规律,进行冲击矿压危险的“时-空”预区划;② 针对不同的冲击危险区,制订相应的煤岩体强度弱化参数;③ 利用微震、电磁辐射以及钻屑法等多参量监测手段及时检验卸压治理的效果,如果检测指标超标,则继续进行卸压解危,直至指标明显突降。防治过程始终遵循“危险监测-卸压解危-效果检验”的动态循环。这一技术目前已在我国多个高冲击危险工作面进行推广应用。     

基于支承压力估算的合理开切眼位置确定方法

针对开切眼附近冲击地压事故,通过理论研究和现场勘查,探索了开切眼附近冲击地压发生的原因,提出了基于支承压力估算的合理开切眼平面位置确定方法。研究结果表明：开切眼布置在上覆岩层自重应力、采空区传递应力、构造应力等叠加区域内,叠加应力超过煤岩体冲击临界值是导致发生冲击的主要原因。基于现场微地震实测数据剖面分析,估算了关键岩层的断裂角。结合覆岩空间结构,建立了支承压力估算模型,估算了叠加总应力,并绘制了支承压力分布曲线。以动应力比d=σ/σc为冲击危险性判断标准,根据经验d值,在支承压力影响范围内划分冲击危险区,指导合理开切眼平面位置或现场防冲强度的确定。研究成果经河南某矿现场应用,效果良好。     

大型深埋硬岩矿床岩爆监测系统方案研究

根据冬瓜山矿床地质构造特征和深井开采条件，总结出开拓井巷岩爆发生的位置特征，采用数值计算方法预测了采场围岩岩爆危险区。指出该矿床岩层构造和岩性分布简单、原岩应力场较均匀、采掘工程引起的岩爆范围大、位置分散。提出了以微震监测系统和短周期地震波监测系统为主，以电阻率监测、电磁波监测和现场施工观察为辅的岩爆监测系统方案。     

冲击矿压的静动叠加失稳机制和发生模式

基于静动叠加冲击矿压的黏弹脆性体突变模型和黏弹性介质中震动波的传播规律,研究了煤体静动叠加冲击失稳机制,结合实例分析了静动叠加冲击矿压的2种基本发生模式:高静载低动载模式和高静载高动载模式,讨论了震动波频率、结构弱面刚度等因素对震动波传递的影响。认为高静载低动载模式和高静载高动载模式能够揭示两类典型的冲击过程;震动动载形成的瞬时动应力增量与静载蠕变阶段的静应力叠加使煤体满足临界条件而发生冲击失稳;震动波传递不仅随弱面的力学性质劣化而弱化,且随震动波的物理特性变化如频率的增大和波幅的降低而弱化。研究结果能为冲击矿压监测和防治提供指导。     

冲击危险评价的相对应力集中系数叠加法

冲击动力灾害是关乎矿井能否安全稳定生产的主要因素，目前越来越多的矿井需要在采掘工作面设计阶段确定冲击危险等级与区域，迫切需要发展科学、精确、定量、便于技术人员操作的冲击危险早期评价预警方法。为了解决冲击显现无法用现有强度准则进行表述、不同应力无法标量叠加的问题，提出了冲击危险评价的相对应力集中系数叠加法，将某一待分析区域内影响冲击矿压发生的某因素引起的最大主应力与自重应力的比值，称为相对应力集中系数分量，各分量的乘积为该区域的相对应力集中系数。将影响冲击矿压的因素从载荷特性上分为静载荷和动载荷，从对应力影响效果上分为增压型与减压型，给出了影响冲击的主要动载因素，以及相对应力集中系数计算方法。发生过冲击矿压的矿井利用冲击区域的总相对应力集中系数作为临界指标，未发生冲击的矿井利用临界应力与自重应力的比值作为临界值，根据相对应力叠加系数与临界值的比值对冲击危险等级进行了划分。现场应用表明，相对应力集中系数叠加法与监测冲击危险区域与等级具有较高一致性。     

冲击倾向煤岩纵波波速与应力关系试验研究

为了弄清煤矿中冲击矿压现象的发生机理,在实验室单轴条件下对冲击倾向性煤岩样的应力与纵波波速耦合关系进行了研究,建立了两者关系的试验模型,并对模型参数进行了分析.研究结果表明:1)岩样纵波波速对应力的敏感程度要高于煤样,即随应力增加,纵波波速变化更快；2)冲击倾向煤岩试样在弹性阶段纵波波速变化梯度大,塑性阶段波速变化趋于平缓,它表明应力与纵波波速间具有幂函数关系,与实测值的相关系数计算说明,模型具有较高的拟合度,能准确描述应力与波速的变化关系,并服务于现场层析成像冲击危险性计算.     

鄂尔多斯深部典型煤矿冲击地压发生机制与防治实践

鄂尔多斯矿区深部多个工作面发生破坏性冲击地压事故,被列为该地区煤矿开采的主要灾害,影响的煤炭产量占该地区总量的近1/3.采用理论、 试验和实测等综合方法,系统研究了冲击地压类型及发生机制,提出防冲关键对策.针对矿区深部开采典型条件,提出基于应力优化减冲和应变控制防冲技术原理的"采前、 采中、 采后"防冲技术对策,并在现...     

岩爆的超声波监测及预测预报方法试验研究

针对岩爆监测研究的不足,开展了完整硬岩岩爆单轴压缩试验及全过程超声波监测,分析了完整硬岩岩爆破坏特征及超声波前兆规律,探讨了完整硬岩岩爆的预测预报。结果表明:对于完整硬岩岩爆,当加载载荷达到其峰值强度便产生噼啪声响,随之发生爆裂,通过分析碎片,发现试样靠近外部区域劈裂现象明显,越靠近试样内部其破裂面的粉化程度越严重,剪切现象越明显,是源于内部被约束程度的增加导致的强烈摩擦作用和高耗能的结果;通过对完整硬岩岩爆全过程超声波监测,发现波速由平稳不变发展到波动状态、首波波幅由微小的起伏波动发展到较大的起伏波动、衰减系数从增加转为下降均可作为岩爆发生的前兆;首波波幅由总体上减小转为明显增加也可作为岩爆发生的前兆,首波波幅由一直减小发展到微小起伏波动可作为岩爆发生的前兆;硬岩超声波频谱图可反映硬岩试样在载荷作用下其内部由变形发展到产生损伤再到破裂随即岩爆的过程。     

冲击地压与区域构造应力环境相关性及其应变响应特征

为探明灾源体及其与周边相关区域构造应力环境之间的协同机制和作用机理,在华亭矿区建立了针对冲击地压监测的钻孔应变观测系统,并观测到了矿区内较大规模冲击事件和若干次天然地震的应变响应。实测表明,构造型冲击地压孕育及诱发过程所涉及的地层尺度要远大于传统的采场和采动影响范围;冲击地压引发的钻孔应变同震响应呈"阶跃"和"振荡"2种模式,冲击规模、观测点与震源的距离不同,响应模式也不同;灾源体与相关区域地层之间存在着"链式"相关机制;对天然地震的观测结果与之类似;初步验证了通过开采扰动的区域应力或应变效应观测来探索冲击地压孕育机理的可行性。     

构造应力场煤巷掘进冲击地压能量分区演化机制

在新建深部矿井,原岩应力区煤巷掘进冲击地压问题日益突出,且现场破坏具有区间性和方位性特征,为揭示这一机制,针对深部构造应力场条件下的煤层掘巷,基于数值模拟和理论分析研究,建立不同掘进速度下围岩弹性能空间分区演化模型,划定能量非稳态释放边界,分析其分布形态与能量特征,结论与现场实际破坏情况较为吻合。研究结果表明:依据弹性能所处状态及变化特征的不同,构造应力场煤巷掘进围岩在空间上可划分为6类区间,顶底板内同时分布能量积聚区和释放区,而巷帮仅存在能量释放区,这与最大主应力的做功特征密切相关。掘进速度增大时,围岩弹性能释放区的走向范围将同时向两端扩展,非稳态释能边界沿走向不断拉长,具有冲击风险的范围不断扩大。构造应力场中,巷帮潜在冲击启动区位于工作面附近,其冲击发生必要条件包括高原岩应力和快速掘进。巷帮和工作面潜在冲击启动区均位于围岩浅部。由于滞后区顶底板能量非稳态释放前积聚水平更高,加上顶板和帮部支护作用,导致底板滞后区冲击破坏强度要大于工作面附近顶底板和巷帮冲击破坏强度。研究结论与构造应力场现实冲击案例较为吻合,对构造应力场煤巷掘进冲击地压监测预警及解危方法的研究具有参考意义。     

构造应力下坚硬底板冲击地压机理分析

在存在向斜地质构造的区域进行煤炭开采,水平构造应力往往远超过垂直应力,并对底板型冲击地压的发生起着至关重要的作用.坚硬底板由于其强度高,抗变形能力强,易于积聚大量的弹性弯曲变形能.构造应力的作用为冲击地压的发生提供了必要的力源条件,而坚硬底板的存在则保证了大量弹性变形能的储存,二者的结合促使发生底鼓型冲击地压.     

冲击地压矿井综采工作面同时相向回采可行性分析

受矿井采掘布局影响,耿村煤矿13230工作面和13200工作面在一定回采时期会出现同时回采,两工作面同时回采期间存在应力集中叠加,增加工作面发生冲击地压危险性的可能性.为确定两工作面同时回采的可行性,通过FLAC3D软件建立2个工作面不同回采阶段的回采模型进行数值模拟和理论分析.结果表明,两工作面同时回采期间相互影响很...     

虹梯关隧道围岩岩爆分析

虹梯关隧道隧址围岩以硬质岩为主,该隧道属特长深埋隧道,其附近地质构造也十分发育,工程地质条件复杂,发生岩爆可能性很大。通过对岩爆影响因素的分析,采用水压致裂法地应力测试,经陶振宇判别法、切应力准则等应力判断方法,认为虹梯关隧道隧址部分地段可能会发生轻微～中等岩爆。     

某深井矿山岩爆特征及形成机理研究

地应力、构造发育。对矿山地质条件进行了阐述,通过现场调查,描述了岩芯饼化和围岩剥落现象,分析了岩爆特征,总结了发生岩爆的基本规律,对8#矿体进行了岩爆类型和岩爆烈度分级划分,得出了该矿体围岩从1 451 m中段至1 261 m中段具有中等至强烈岩爆倾向性,从原岩应力、地质构造及开采深度等岩爆影响因素分析了岩爆发生的成因和形成机理,为选择合理的采矿方法和岩爆控制技术措施提供了重要依据。