煤矿开采激发应力波扰动下逆冲断层失稳机理

【目的】煤矿开采中,人工爆破、顶板垮断等震源激发应力波易诱发断层失稳并导致冲击地压等灾害。【方法】以河南义马矿区F16逆冲断层为研究对象,通过开展断层动光弹实验、数值模拟实验和理论分析,对应力波在断裂结构中的传播规律和应力波作用下断层摩擦能演化特征进行了研究,探讨了震源位置及能量对逆冲断层滑移的扰动规律,阐释了应力波扰动下逆冲断层失稳机理和失稳类型。【结果和结论】研究结果表明:(1)应力波传播会被断层阻隔,并造成断层活化加剧、摩擦能迅速增大。(2)震源应力波能量增大可加强断层自锁效应,当能量超过一定阈值时断层才会解锁。(3)应力波自上至下分区扰动断层并造成断层滑移,其滑移模式受初始应力状态和应力波扰动强度影响。(4)初始高水平静载和强应力波扰动是断层失稳的必要条件。研究成果对断层型灾害防控技术发展具有重要的指导意义。

多次采掘扰动煤体力学特性演化规律试验研究

【目的】矿井开采过程中,多次采掘扰动所引发的循环加卸载效应对煤体力学性能的改变是导致冲击地压灾害发生的原因之一。揭示煤体在此过程中的关键力学参数响应特征及损伤机制可为冲击失稳状态判别提供依据,对提升灾害预测能力具有重要意义。【方法】采用大尺寸类煤体试样,将准静态单轴循环加卸载和冲击动载相结合,精确捕捉试验过程中试样应力、应变以及声发射等响应信息,全面揭示多次采掘扰动作用下试样力学参数变化规律及损伤演化过程。【结果和结论】结果表明:(1)最高加载载荷是影响多次循环加卸载作用下损伤煤体力学性能的最关键因素,随着循环次数的增加,对于加载至屈服阶段的试样,其残余应变呈现先增大后减小再增大的变化趋势,耗散能密度及加载至最高载荷时所对应的声发射特征值逐渐增大,试样损伤程度不断增加;对于加载至弹性阶段的试样,其上述力学特征参数均呈现先减小后增大的变化趋势;而对于试验过程始终处于压密阶段的试样,3组数据均呈现不断减小的变化趋势。(2)在施加冲击动载作用后,3组试样均发生冲击破坏,前期准静态循环加卸载试验中所受载荷越小的试样,其损伤程度越小,发生冲击破坏所需的诱发动载强度越大,峰值破坏弹性模量越大。(3)从应变与能量2个角度对试样损伤度进行表征,通过对比分析,发现能量损伤度对此试验过程中试样损伤程度判别更为敏感。(4)对试样孔洞内部冲击破裂特征观察发现,试样在发生冲击破坏过程中共经历平静期、颗粒弹射期、稳定破坏期以及冲击破坏期4个阶段。(5)可将循环加卸载后期残余应变增大起始值以及冲击破坏过程中稳定破坏前期阶段作为损伤煤体冲击失稳前兆预警信息。研究获得了受多次采掘扰动煤体力学特性的演化规律,可为工程中损伤煤体冲击失稳状态判别提供理论依据,对于及时发现损伤煤体的潜在失稳风险,从而优化支护方案,确保矿井安全开采具有重要意义。

义马矿区大型逆冲断层防冲方法研究

大型断层活化会导致煤矿冲击地压灾害频发,保证开采工作面与断层的充分距离是防治此类冲击地压的关键手段之一。以义马矿区大型逆冲断层为例,基于钻孔探测和沉陷观测,分析了断层空间形态、断层运动特征及其与冲击地压的关联性,基于矿区开采下的冲击显现归纳与断层滑移模拟,提出了冲击次数与断层距离呈反比例的关系,得到避免断层滑移的工作面-断层安全距离,制定了逆冲断层条件下的井间工作面接续方案,微震监测评估了防冲效果。研究结果表明,断层对浅部的水平应力环境起主导作用,断层滑移错动过程中上盘地表抬升程度高于下盘,断层错动诱发了工作面冲击显现。工作面距离断层越近,断层运动越明显,冲击显现频次和能量越高,避免断层活化的工作面-断层最小安全距离为455 m。相较于近断层工作面开采,跃进-常村井间区域的远断层工作面开采使断层活化次数、冲击显现程度和微震能量显著降低。研究结果为大型断层条件下冲击地压控制技术提供理论基础。

基于多传感器信息融合的煤与瓦斯突出预警模型研究

煤与瓦斯突出是我国最严重的煤矿灾害之一,监测预警是预防煤与瓦斯突出事故发生的有效手段。通过将多传感器数据融合技术与实际煤矿瓦斯环境相结合,基于动态和静态突出预测指标综合分析,确定突出预警指标,利用层次分析法对指标进行权重计算并排序,并依据指标排序构建了一种基于多传感器信息融合的煤与瓦斯突出预警模型。指标排序结果依据权重由大到小依次为:综合指标D/K、地质构造T、最大钻屑量S、钻孔瓦斯涌出初速度q、巷道类型Y、作业方式Z、煤层倾角α、煤层垂直深度H和煤层厚度M。以实际矿井工作面突出指标数据为例,利用自回归模型对指标数据进行预测,结果表明,模型能够反映指标的变化趋势,预测值与实际值具有较小的误差,可用于突出指标预测,且预测精度较高。

煤矿防冲安全性分类赋权评价方法及应用

针对当前矿井冲击危险性评价主要聚焦于设计阶段或防冲措施实施之前,缺少对实施防冲措施后的采掘工作面防冲安全性评价的现状,综合考虑冲击地压发生地点、破坏形式、载荷类型和震源位置等,将冲击地压类型划分为煤体型、煤柱型、顶板型、断层型、综合型5种类型;基于分类防治思想,综合考虑冲击危险性、巷道围岩、监测预警体系、防冲支护体系、冲击地压防治措施和防冲管理能力等因素对防冲安全性的影响,提出了分类赋权评价方法;给出了防冲安全性系数计算公式;将防冲安全等级划分为安全、基本安全、不安全3个等级。以某矿31119工作面为例,给出了防冲安全性评价的完整流程和结果;运用分类赋权评价方法对部分典型冲击地压矿井具有冲击危险的工作面进行了防冲安全性评价,结合实际的冲击显现情况,验证了分类赋权评价方法评价结果的可靠性。

煤矿冲击地压源头防治理论与技术架构

我国煤矿安全状况虽持续好转,但煤矿冲击地压灾害的影响却愈发严重,仅近5 a就发生了8起冲击地压事故,累计死亡48人。我国煤矿冲击地压防治多为“头痛医头、脚疼医脚”,冲击地压发生源头、孕灾机理不清。同时,以山东巨野、兖州等煤田为代表的东部充分采动矿井,具有开采深度大、采动影响因素复杂等特征;以内蒙古鄂尔多斯和陕西彬长矿区为代表的西部非充分采动矿井,则具有高强度开采、厚硬岩层等特征,均给冲击地压防治带来了新的挑战。因此,煤矿冲击地压源头防治已成为当前亟待解决的重大工程科学问题。针对这一难题,从冲击地压基础理论与模拟技术、监测及危险区判识技术、区域与局部防控技术装备等3方面系统的分析了当前冲击地压研究取得的成果与不足,结合前期研究基础与现场实践,提出了煤矿冲击地压源头防治思想。进而将其梳理为煤矿冲击地压源头属性与特性、煤矿冲击地压全过程孕灾与源头防治原理等2个科学问题,冲击地压全过程精细模拟技术、矿井全生命周期煤岩体应力与全尺度覆岩结构监测技术、冲击危险精准甄别与智能识别技术、煤矿冲击地压井上下协同防控技术等4个技术问题。根据生产矿井和新建矿井的特点,分别制定了相应的防治思路与技术框架。研究成果为我国煤矿冲击地压防治提供了一种新的思路,为煤矿“零冲击”目标提供理论依据与技术支撑。

人性化干预联合认知行为压力管理对晚期肝癌患者负性情绪及生活质量的影响

目的探讨人性化干预联合认知行为压力管理对晚期肝癌患者负性情绪及生活质量的影响。方法根据干预方案的不同将105例晚期肝癌患者分为对照组(52例)和观察组(53例),对照组患者接受常规干预,观察组患者在对照组的基础上接受人性化干预联合认知行为压力管理。比较两组患者的负性情绪[焦虑自评量表(SAS)、抑郁自评量表(SDS)]、生活质量[欧洲癌症研究与治疗组织生命质量测定量表(EORTCQLQ-C30)]及满意度。结果干预后,两组患者SAS、SDS评分均低于本组干预前,EORTCQLQ-C30各维度评分均高于本组干预前,观察组患者SAS、SDS评分均低于对照组,EORTCQLQ-C30各维度评分均高于对照组,差异均有统计学意义(P<0.05)。观察组患者的总满意度为96.23%,明显高于对照组患者的78.85%,差异有统计学意义(P<0.01)。结论人性化干预联合认知行为压力管理可以缓解晚期肝癌患者的负性情绪,并且提高生活质量和满意度。

不同应力路径下大理岩声发射特性试验研究

利用TAW-2000高温岩石三轴伺服试验机和德国VallenAMSY-6声发射信号采集系统,对大理岩在单轴压缩、等幅循环加卸载和分级循环加卸载条件下损伤破坏全过程的声发射特性进行研究,并用快速傅里叶转换(FFT)对单轴压缩试验全过程的声发射信号、循环加卸载过程中Kaiser点和Felicity点的声发射信号频谱特性进行了分析。试验结果表明:单轴压缩试验过程中,声发射主频带主要位于两个区域——低于200 kHz区间和300 kHz附近,并且随着加载应力的增加,主频由低频向高频转移,主频幅值总体呈下降趋势;提出一个新的反映声发射波形信息的指标——次主比α,并指出单轴压缩过程中次主比呈上升趋势。分级循环加卸载过程中Kaiser点和Felicity点的主频变化不明显,Felicity点的次主比总体大于Kaiser点;采用第2次循环中与首循环峰值应力等值应力点的AE数作为Kaiser效应中"明显增多"的尺度能够观察到明显的Felicity效应。

不锈钢储罐化学清洗施工工艺研究

以新能源项目电解液溶剂项目不锈钢储罐化学清洗施工为例,为满足储罐内产品99.99%的洁净度要求,研究优化化学清洗施工工艺,简化施工流程,形成一套经济适用的清洗方案,为今后施工提供参考。

逆冲断层卸载失稳机理研究

逆冲断层失稳诱发的冲击地压严重威胁着煤矿的安全,但目前采动条件下逆冲断层的失稳机理仍不清楚,使得断层冲击地压防治工作缺乏科学指导。为探索逆冲断层卸载失稳机理,基于典型逆冲断层控制型矿区的工程地质概况,分析了逆冲断层冲击地压的显现特征;采用相似模拟和数值模拟手段,研究了开采扰动引起的逆冲断层卸荷效应,阐明了义马矿区逆冲断层卸载失稳的模式及过程;通过实验室实验方法,揭示了单侧卸载过程中逆冲断层失稳瞬态的位移场时空演化规律,建立了断层卸载失稳的力学模型,阐释了断层失稳瞬间的黏滑过程。研究结果表明:随着开采范围与F16断层距离的减小,断层冲击地压危险性显著增大,冲击地压所释放能量急剧增高;采动引起逆冲断层产生卸荷效应,即开采扰动使得断层带新裂纹萌生并局部离层,断层带上交错出现应力集中区和应力减弱区,断层上段出现逆时针滑移,而下段顺时针滑移;卸荷效应导致断层失稳的过程可分为线性稳态(I)、非线性稳态(II)、亚失稳(III)和失稳(IV)4个阶段;断层卸载失稳瞬间正应变和剪应变总体上呈突降-突增-降低至稳定的变化趋势,且相对于中部和下部,断层上部滑移位移受卸载扰动影响较大;断层卸载失稳瞬间的能量传递过程为:震源单元-围岩杆单元-相邻围岩杆单元-相邻断层带单元等,其黏滑失稳是一系列单元连锁失稳构成的综合结果。通过本文研究,对逆冲断层卸载失稳的机理形成了新的认识,包括卸载失稳模式、失稳过程、失稳瞬态的能量传递等。

卸载条件下逆冲断层滑移实验研究

煤矿开采活动对断层系统的卸荷效应,往往诱发逆冲断层失稳进而导致冲击地压灾害。以义马F16逆冲断层为工程背景,采用实验室实验研究了卸载条件下逆冲断层的差应力变化特征,分析了逆冲断层卸载过程中的位移场、变形场演化规律,阐述了逆冲断层失稳瞬态的滑移位移及声发射特性,探讨了逆冲断层的失稳过程。研究结果表明:逆冲断层卸载失稳时发生多次差应力"突跳"现象,以首次"突跳"变化量最大,差应力"突跳"量为0.36 MPa;断层不同部位滑移情况具有显著差异,其中下部滑移量大于中部和上部、下盘远场滑移量大于近场和上盘;断层岩体的法向应变和剪切应变呈"降低—突增—波动—稳定"的变化趋势,且变形场受位置影响较大,如下部法向应变"突跳"量大于中部和下部,两端剪切应变"突跳"量大于中部;断层失稳瞬间可分为启滑、主震、后震3个阶段,主震将释放大部分能量,为断层冲击地压的主要能量来源;卸载导致逆冲断层滑移的过程分为线性稳态、非线性稳态、亚失稳及失稳4个阶段,失稳瞬间剪应变的变化趋势为"突降—回弹—稳定";开采扰动引起的卸荷作用,造成F16断层不同位置呈不同的滑移模式,即浅部逆时针滑移、深部顺时针错动。

基于一孔多点式应力与位移监测系统的掘进巷道冲击危险性评价

随着煤矿开采深度逐年增加,深部掘进巷道冲击地压灾害愈发严重,研究其监测预警及评价技术具有十分重要的意义。为科学评价深部巷道掘进过程中的冲击危险性,解决其冲击地压实时预警问题,基于掘进巷道围岩弹塑性力学模型,分析其失稳的应力和应变条件;以强冲击倾向性煤体为试验对象,模拟巷道掘进过程煤体受力过程,开展"固定轴压-加围压""加轴压-卸围岩"两种应力路径下煤体破坏过程中应力与位移梯度演化特征研究;基于光纤光栅测量原理及分布式测量的优势,研发一孔多点式应力与位移监测系统并开展系统性能测试;以应力梯度和位移梯度为评价指标,构建巷道冲击危险性评价指标体系;基于层次分析和模糊数学理论,提出掘进巷道动态冲击危险性评价方法;研究成果在典型冲击地压矿井开展工业试验。结果表明:随着应变梯度和应力梯度的增大,掘进巷道煤体的冲击危险程度增加,开采扰动引起的煤体采动应力梯度以及横向应变梯度可作为表征掘进巷道冲击危险性的特征参量;一孔多点式光纤光栅应力与位移监测系统能够实现应力和位移的实时测量,经测试应力计误差为1.54%,位移计最大误差为3.78%;通过工业试验,初步验证了基于一孔多点式应力与位移监测系统的掘进巷道冲击危险性评价技术的现场适用性。

我国冲击地压矿井类型及防治方法研究

针对我国煤矿开采深度增加和采掘范围扩大,导致冲击地压灾害强度和频度明显增加的问题,总结分析了冲击地压发生的条件,认为只有同时满足内在条件、结构条件和应力条件时才会发生冲击地压。根据我国煤矿近年来冲击地压发生的条件和特点,将冲击地压矿井分为浅部冲击地压矿井、深部冲击地压矿井、构造冲击地压矿井、坚硬顶板冲击地压矿井和煤柱冲击地压矿井5类。在深入分析不同矿井引发冲击地压力源的基础上,提出浅部冲击地压矿井的主要防冲措施是按顺序开采及控制顶板压力;深部冲击地压矿井的主要防冲措施是开采保护层,按顺序开采以及控制开采强度;构造冲击地压矿井主要采用长钻孔卸压的方法防治掘进期间冲击地压;坚硬顶板冲击地压矿井主要通过控制空顶长度防治冲击地压;煤柱冲击地压矿井主要采取诱发卸压措施防治冲击地压。

不同煤岩介质弯载作用下的断裂特征

煤矿覆岩破坏主要为弯载作用下发生的断裂,而煤岩介质的断裂特征对于冲击地压、煤与瓦斯突出等煤矿灾害密切相关。采用煤、泥岩、砂岩等不同介质的三点弯曲实验,研究了弯载作用下煤岩介质的强度特征、裂纹扩展规律、宏细观断口形貌特征及声发射变化特性,基于弹性断裂力学与均匀化方法对煤岩断裂机制进行了分析。研究结果表明:煤、泥岩样品的断裂峰值载荷、断裂能、断裂长度等断裂参数分布较离散,而砂岩样各参数分布则相对集中,该特征与煤岩介质内部结构密切相关,主要是由于煤及泥岩样品内部发育的微裂隙、微孔洞使得其均质度比砂岩样品高;宏观断口形貌方面,煤的宏观断口清晰可见原生裂隙,泥岩的宏观断口以微裂纹、微孔洞及层理为主,砂岩的宏观断口则仅包含少量杂质;细观断口形貌方面,煤的细观形貌表现为拉、剪断面和微裂隙,泥岩细观断口表面上分布有较多晶间断裂、微孔洞、黏土矿物及解理断裂,砂岩细观断口则仅为晶间断裂和少量微孔洞;煤样断裂声发射波形远比岩石要复杂,主波峰不明显,小断裂激发的声发射事件持续发生,而泥岩和砂岩的主断裂事件较显著,且在主断裂事件发生前通常有明显的起裂事件;弯载作用下煤岩介质尖端断裂扩展的临界应变能释放率主要受其弹性模量E控制,而介质的弹性模量与细观结构有关,且结构方向性对煤岩介质断裂特征具有重要影响。介质断裂的力学属性与宏细观断口特征之间具有密切的关系,对不同煤岩介质的断裂特征进行了初步的研究,认识到不同煤岩介质的细观结构对于其宏观断裂的重要影响,对于更科学严谨的结论,仍需要大量的实验数据支撑才能得以验证;煤岩介质的非均质性、各向异性使得其断裂机理十分复杂,探讨宏细观断裂的跨尺度问题、建立细观结构特性与宏观力学属性之间的内在联系,对于解决工程遇到的实际问题意义重大。

基于粘滑理论的断层冲击地压发生机理研究

冲击地压是目前我国煤矿开采发生的主要动力灾害之一,并常发生在断层、褶曲和煤层变化带等构造异常区域,给矿井造成严重的破坏后果。针对断层冲击地压频繁发生的情况,采用相似模拟和数值模拟的方法,对断层冲击地压发生过程及其应力场演化规律进行了研究;并基于"粘滑理论",从力学的角度对断层冲击地压发生机制进行了阐释。研究结果表明:工作面接近断层时,断层冲击地压的发生过程可分为"起始活化"—"剧烈活化—"冲击显现"三个阶段;开采活动引起了覆岩破坏,导致裂隙带向断层扩展,断层应力场受到扰动,从而诱发了断层冲击地压;采动影响使得断层带应力场呈现应力比先减小后增大的变化规律,当应力比达到极值时,断层错动失稳;开采扰动导致断层开始粘滑的临界剪应力值降低,使得断层剪应力更易达到该阈值,是断层冲击地压的根本原因。

冲击倾向性煤体加载破坏的红外辐射特征研究

为探讨不同冲击倾向性煤体失稳破坏的红外前兆信息,以无、弱、强3种冲击倾向性矿井煤样为对象,开展煤体加载破坏过程中红外辐射特征观测试验。试验结果表明:无冲击倾向性煤体温度场变化幅度较小,表面平均温度变化在0.01℃内,弱冲击倾向性煤体表面平均温度升高达0.18℃,强冲击倾向性煤体表面平均温度升高达0.21℃;无冲击倾向性煤体加载过程无明显高温区域,而冲击倾向性煤体加载时则出现剪切破坏形成的高温区域,且冲击倾向性越强,区域范围和强度越大;冲击倾向性煤体破坏前,煤样表面破裂区域为升温变化前兆,而未破裂区域为降温变化前兆。

不同应力水平下大理石蠕变损伤声发射特性

为研究不同应力水平下岩石的蠕变损伤与破坏规律,保持大理石分别在裂纹压密阶段、弹性变形阶段、裂纹的稳定扩展和扩容阶段与裂纹的非稳定拓展至破坏阶段处于蠕变应力作用,之后卸载重新加载至破坏,同时采集试验过程岩石的声发射数据。试验结果表明:前两个阶段应力持续作用下岩体承载能力增强,声发射AE数较少,以微裂纹闭合为主,之后加载破坏时AE数明显增多,产生时间也有所提前,b值下降时间更早;而后两个阶段应力持续作用下大理石发生蠕变破坏,裂纹的稳定扩展阶段和扩容阶段大理石发生突发式破坏失稳,只在破坏突然产生较大的AE数和能量释放率,最终破坏为主裂纹贯通破坏;裂纹的非稳定拓展至破坏阶段大理石发生渐进式失稳破坏,AE数持续产生,破坏前AE数和和能量释放率增加不明显,最终破坏为多条裂纹贯通破坏。

组合煤岩结构体冲击倾向演化数值模拟

针对单纯以煤层或顶板岩层进行煤层冲击倾向性判定存在"低估"问题,采用RFPA2D模拟软件开展不同高度比和不同顶板强度、厚度、均质性及接触面角度下组合煤岩结构体的冲击倾向性数值试验.研究结果表明:组合煤岩结构体冲击倾向性高于纯煤层或岩层测定结果,更接近实际.随着顶板强度、厚度、均质性的增加,组合煤岩结构体冲击倾向性增强,随接触面角度的增大,其单轴抗压强度降低,峰后塑性变形阶段越来越明显.在接触面角度一定的情况下,随着顶板岩体强度的增加,组合煤岩结构体冲击破坏声发射累计释放能量减弱.

逆冲断层下冲击危险煤层采场矿压规律试验研究

为了了解义马矿区F16大型逆冲断层对该矿区5个生产矿井回采工作面的矿压的影响情况,在考虑断层结构面的分形特征和断层两侧覆岩赋存特征的基础上,通过搭建大型相似模拟试验平台,采用位移、应力等多种监测手段,研究了随工作面向断层方推进过程,靠近断层附近时工作面覆岩运动特征和矿压显现特征。研究结果表明,受断层构造运动和上覆巨厚砾岩的影响,当工作面未进入断层影响范围前,工作面覆岩"三带"特征明显,底板基本不受采动应力影响。进入断层影响区后,顶板离层量呈跳跃式增长,采动应力诱发断层"活化",底板应力达到最大值。当推过断层一段距离后,随着上盘关键岩层悬臂岩梁长度的增加,工作面煤壁发生屈曲破坏,底板应力增加,待岩梁垮断挤压应力释放后,底板应力随之下降,伴随着工作面上方"短砌体梁"结构发生切落且沿断层面滑动。

基于“零排放”工艺的某火力发电厂高盐废水处理方案探究

以宁夏某一2×330 MW的火力发电厂为例,在其工业生产过程中需要大量的水,其中循环冷却水量高达150m^3/h。为了实现废水的"零排放"和回收利用,必须对火电厂产生的高含盐循环冷却废水进行处理,现提出了"预处理+脱盐浓缩+蒸发结晶"的组合工艺。在此工艺的基础之上,设计了4种不同的方案,分析结果显示4种方案均可以达到"零排放"的要求,并且最终的淡水回收率达到96%以上。通过技术和经济的分析结果表明:方案三,"石灰碳酸钠软化+反渗透膜浓缩+EDR浓缩+蒸发结晶"适用于本工程的实际情况。