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。     

钻屑扭矩法测定煤体应力与煤体强度研究

通过对钻孔过程中钻杆扭矩及钻屑推力的力学分析,理论上给出了利用钻杆扭矩及钻屑推力判断煤体应力、煤体强度的可行性,提出通过测试钻孔过程中的钻杆扭矩和钻屑推进力来判断煤矿冲击地压危险性的方法。利用自行设计的扭矩-推力测试装置,对预制煤体相似材料试件进行了不同煤体应力、不同煤体强度和不同推进速度条件下的钻孔试验。研究结果表明：①单一因素影响下,钻杆扭矩与煤体所受应力存在线性递增关系,钻屑推力与煤体应力呈近似线性递减关系,且钻杆扭矩变化规律与煤体应力及钻屑量具有较好的一致性。②钻杆扭矩和钻屑推力均与煤体强度呈线性递增关系。③同种煤岩体材料,相同压力条件下,钻进速度越快,钻屑扭矩越大,反之,钻屑扭矩越小。研究结果可为煤矿动力灾害的预测预报提供参考依据。     

钻屑法测量围岩压力的探索

<正> 在大量的岩土工程实际问题中,由于工作条件比较恶劣,加上岩体经受多次采动影响而形成破碎岩石等一系列问题,一般的围岩压力测试方法存在着许多缺点。如比较费时,影响生产,测量结果又难以及时指导生产实践,而且要求条件苛刻,现场难以满足等。目前,钻屑法已用于预报瓦斯突出,冲击地压。本文旨在将钻屑法应用于定量测量破碎岩体及工作条件恶劣的采掘工作面上的岩体应力。     

煤体振动方法防治冲击地压的机理研究

 研究了一种新的冲击地压控制方法, 即煤体振动方法的机理。在实验上, 采用分形几何方法, 研究了煤体在受振后裂隙的变化规律, 发现受振后煤体的分形维数增大, 表明煤体的裂隙增加, 且经过一定振动时间后, 分形维数趋于稳定; 研究了振动对煤体力学性质的影响, 发现受振后煤体的抗压强度、弹性模量和降模量降低, 且受振时间越长或初应力水平越高, 振动对煤体力学性质的影响越明显。应用采煤工作面和巷道冲击地压的分析结果, 从理论上证明了煤体受振后煤岩体的稳定性增加。     

我国冲击地压分布、类型、机理及防治研究

在对我国冲击地压分布状况进行研究的基础上，将冲击地压分为煤体压缩型、顶板断裂型和断层错动型等三种基本类型，并分别研究其发生机理，提出了通过煤层注水、卸压爆破、机械振动致生岩体裂隙改变煤体性质防治煤体压缩型冲击地压，通过开采解放层、本层煤解放的高压水射流钻孔割缝、留设煤柱改变顶板运动规律防治顶板断裂型冲击地压，通过限制断层移动防治断层错动型冲击地压等有针对性的治理措施。     

考虑有效应力的钻屑量理论分析及试验研究

考虑深部开采条件下水平地应力作用不能忽略,引入有效应力,推导得到新钻屑量公式,分析给出了有效应力与钻屑量间关系,提出了通过有效应力判断钻屑量方法。在此基础上以典型阜新孙家湾矿突出危险煤层为例,利用自主研制的三维应力煤体钻屑量检测试验装置,改变轴压模拟垂直地应力、围压模拟水平地应力、孔隙压模拟瓦斯压力作用,进行了实验室尺度下钻屑法模拟试验,研究了有效应力、煤层深度、瓦斯压力对钻屑量影响规律。研究结果表明:钻屑量与有效应力呈线性递增关系,试验值略大于理论值,平均误差为7.9%,与前人结论一致,验证了新钻屑量公式有效性及三维应力煤体钻屑量检测试验装置可靠性;随着煤层埋藏深度增大,钻屑量越大,钻屑量与煤层深度呈线性递增规律,且钻屑量随钻孔深度增加呈先减小、后递增、最后缓慢递减规律,在钻孔深度12.5 cm处钻屑量最大,表明此处为应力集中区;钻屑量随瓦斯压力增加,呈指数函数递增规律,瓦斯压力越大,孔壁裂纹扩展越明显,说明瓦斯对煤体软化作用越显著。上述研究结论对该矿深部煤与瓦斯突出预测和防治具有重要参考价值。     

煤体压缩型冲击地压分析

主要针对煤体压缩型冲击地压进行阐述,以具体实例分析了煤体压缩型冲击地压产生的危害性和原因,从理论和数值模拟两方面分别对煤体压缩型冲击地压产生的机理和危险区域进行说明,所得结论可为煤体压缩型冲击地压的预测和防治提供参考。     

冲击地压预测的PSO-SVM模型

冲击地压是一种复杂的非线性动力学现象,其发生机制非常复杂,而在监测数据的基础上对其进行分析预测,是冲击地压的一个重要研究方法,但是采用传统的数学力学方法很难表达冲击地压与其影响因素之间的复杂非线性关系,其中采用时间序列进行预测是一个重要的研究方向。针对这一问题,将冲击地压看作一时间序列过程,采用支持向量机建立冲击地压序列之间的非线性关系;同时,考虑到支持向量机参数对预测效果的影响,采用微粒群算法对支持向量机参数进行优化选择,从而提出冲击地压预测的PSO-SVM模型,提高支持向量机的推广预测能力,并对一具体算例进行研究分析。研究结果表明,该方法是科学可行的,并具有很好的精度。     

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。     

基于混沌时序预测方法的冲击地压预测研究

冲击地压的预测研究通常是通过监测对冲击地压的发生、发展过程比较敏感的指标来进行的，监测指标值的大小和变化规律是进行预测的基础，监测数据在未来一定时期的峰值变化和走势变化规律对于预测过程具有重要意义。首先，通过对互信息和伪邻近点数的计算，确定观测序列的延迟时间和嵌入维数等相空间重构参数；然后，在对观测序列相空间重构的基础上，运用一阶局域近似法和基于最大Lyapunov指数法等混沌预测方法对冲击地压上作面的观测时间序列进行数学建模，并与传统的数理统计预测方法进行对比分析；最后，用实例对冲击危险区域的电磁辐射序列及顶板下沉速度序列等进行预测运算和分析，其结果表明，运用混沌理论的预测方法可达到较高的预测精度。     

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。     

基于应力与围岩分类的冲击地压危险性评价研究

 基于山东某矿井复杂多样的地质和开采环境,提出了对冲击地压实行分类评价的技术思路。根据外部应力与巷道围岩相互作用后的围岩结构稳定性及其冲击倾向性,对围岩的冲击危险性和类型进行分类。外部静应力计算时采用倾向“载荷三带”理论模型,动应力计算时采用长壁工作面走向“载荷三带”理论模型,再叠加上构造应力等,实现了外部应力的近似计算;将外部应力作用于不同的围岩结构,结合煤岩体的冲击倾向性,得到围岩的冲击危险性和冲击类型。以此为基础形成的冲击地压分类与评价方法能较准确地反映回采工作面的冲击类型和危险程度,为制定针对性的治理措施提供了较准确的依据。研究成果已经在山东能源集团进行了应用,取得了良好的效果。     

气液复合加载的岩爆模型试验研究

 针对现有岩爆模型试验设备及方法存在的不足,采用自主研发的气液复合型岩爆模型试验装置,进行不同应力梯度下的大尺寸岩爆模型试验。通过对试件宏观破坏现象、内部变形规律及声发射特征参数的分析,研究岩爆发生、发展过程及破坏机制。结果表明：岩爆的发生与荷载梯度、能量的集聚程度和破坏时能量的释放速率密切相关,模型荷载梯度差值不一导致局部应力集中程度不同,影响试件破坏前期能量的耗散与集聚及岩爆时刻能量的释放速率,竖向破坏荷载梯度差值越大,局部应力集中程度越高,能量释放速率越快,转化为动能的能量越多,岩爆现象越易发生。模型试件破坏时,顶部竖向最大荷载值 处于与单轴抗压强度 比值为0.5～0.7范围,梯度荷载条件下,动静组合加载是试件破坏荷载降低的主要原因,其试验方法符合工程岩体的实际受荷。     

金刚石钻头钻削石材参数对其表面温度影响研究

本文采用热压烧结金刚石钻头钻削花岗岩、大理石和砂岩.采用红外线测温仪在线测量金刚石钻头表面温度.实验结果表明金刚石钻头表面温度随主轴转速和进给速度增加而加大,同时表面温度随钻削时间增加而加大.钻削花岗岩时表面温度最高,钻削砂岩时表面温度最低.     

基于钻进过程指数定量评价岩体完整性原位试验研究

钻孔过程中钻具实时响应特征蕴藏着大量工程地质信息,通过解译钻进数据定量评价岩体完整性,可为快速获取工程岩体的地质特征提供新途径。采用高精度数字液压、扭矩、转速和激光位移传感器监测地质钻机传动部位,搭建了新型地质钻机数字钻进监测系统。开展了均质材料和裂隙岩体原位钻进试验,根据实时、连续及同步获取的钻具响应特征参数,建立了钻进压力、钻进扭矩、钻头转速和钻进速度的函数关系。在此基础上,滤除钻机机械参数对钻进速度的影响,提出了用于表达岩体完整性的新指标——钻进过程指数。研究发现,钻进过程指数的数字变化趋势能综合反映岩体的破碎程度,能通过信息化方法和数据运算获取岩体完整性,削减了人工统计RQD和编纂岩芯柱状素描图等繁杂的工序,还降低了人为主观因素的不利影响。     

冲击地压煤层局部保护层开采的减压机理研究

保护层开采是区域性防治冲击地压的有效方法,但当开采保护层不具有经济价值、不开采保护层又不能保证主采煤层防冲安全的条件下,提出了开采局部保护层的防冲方案并进行了防冲和防大变形灾害的机理研究。为了论证开采局部保护层防冲方案的安全性,通过建立局部保护层和被保护层的力学关系模型,推导了在局部保护层作用下岩体应力的计算公式,绘制了不同宽度局部保护层条件下引起冲击的垂直应力和剪应力分布云图,给出了发生冲击和大变形边界的应力判据,为设计被保护层巷道的安全位置提供了理论依据。结合河南某煤矿的实际情况,给出局部保护层减压效果的计算方法,计算结果在该煤矿强冲击危险工作面设计中得到了应用。     

玲珑金矿花岗岩岩爆倾向性的实验研究

通过基本岩石力学实验,得到了花岗岩的力学参数,在此基础上,建立了三种岩爆倾向性指标(岩石脆性指数、岩石弹性变形能指数、岩石冲击能指数)对其进行岩爆倾向性判别,结果表明:玲珑金矿花岗岩为强岩爆倾向性,已具备了发生强烈岩爆的内部条件。     

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。     

山西大同煤矿区冲击地压灾害分析与防治建议

煤矿冲击地压是煤矿井巷或工作面周围煤岩体剧烈释放煤岩体造成巷道挤压、破坏、冒顶的一种动力现象。近年来随着煤矿开采强度、深度不断增加,已成为中国煤矿安全生产的重大灾害之一。山西是中国重要煤产地,采煤历史悠久,矿井数量众多。山西最早冲击地压事故出现20世纪60年代的大同侏罗系矿区,2004年以来随着煤矿开采深度的增加,冲击地压对煤矿安全生产影响愈加突出。通过对山西大同矿区煤矿冲击地压的分类和扰动因素的分析以及防治和监测预警方式的分析,发现大同矿区已发生煤矿冲击地压事故主要为浅部冲击地压,发生冲击地压的岩体主要是煤体、顶板和底板, 其中以坚硬顶板型和煤柱型冲击地压为主；煤矿冲击地压的自然扰动因素主要是顶板冲击倾向性和煤体冲击倾向性,此外地应力环境和矿井地质构造也是影响煤矿冲击地压的两个重要因素。煤柱集中载荷和不合理的支护方式是大同矿区煤矿冲击地压事故的两个重要人为扰动因素。大同矿区应优化开采和掘进方式,从井田和矿区层面上尽可能减少和避免冲击地压的发生。此外,应重视对地应力和冲击地压发生机理的研究。建议对山西全省400 m以深矿井冲击倾向性进行全面的“体检”和筛查,从区域上对煤矿冲击地压发生进行预测预警。