采动影响下强冲击煤层大巷致冲机理及防控研究

针对煤层大巷冲击地压频发的实际问题,采用数值模拟、现场实测、监测分析等方法,对采动影响下强冲击煤层大巷致冲机理开展研究,并提出了防治方法。结果表明,坚硬顶板下特厚煤层开采,单采空区超前应力影响范围约为180 m,同侧双采空区叠加应力影响范围约为240 m,且双采空区叠加影响程度明显大于单采空区。工作面末采期间,受到双采空区叠加影响,煤层大巷区微震能量和频次均呈指数型升高,尤其是当工作面至煤层大巷的距离小于180 m后,升高幅度迅速增大,每15 d释放的能量总和为前15 d的43倍。相邻采空区上覆坚硬顶板形成的悬臂、巷道交叉密集是煤层大巷区静载荷的源头,而回采期间产生的扰动效应以及坚硬顶板突然垮断是煤层大巷区动载荷的源头;由上述因素产生的静、动载荷及其之间的“互馈”效应是导致采动影响下煤层大巷区冲击地压发生的显在原因。而采动影响下煤层大巷围岩内复杂力学系统基本机制的不稳定性,及其对周边环境扰动的敏感性,是其冲击显现的潜在原因。由此,将保护煤柱宽度优化、顶板深孔预裂爆破与煤层解危等方法相结合,开展有针对性的协同防控。现场实践表明,协同防控效果较好,尤其是优化保护煤柱宽度,使其大于双采空区叠加影响范围,能够大幅提升防控效果。

陕西煤矿冲击地压发生规律与分类防治

随着煤炭资源开采区域不断向西部以及深部转移,西部地区冲击地压矿井数量呈井喷式增长。陕西省作为煤炭大省,煤炭开发供应规模稳居全国前列,但冲击地压灾害尤为突出,为了有效遏制本地区煤矿冲击地压频繁发生势头,并为类似条件矿区冲击地压防治提供借鉴,通过分析陕西煤矿10年来的24座矿井、85起冲击地压案例,基本厘清了冲击地压发生规律,并开展了基于主控因素的分类防治研究。研究结果表明:陕西省煤矿冲击地压具有灾害矿井集中、灾害程度严重、多灾害叠加影响显著、防治难度大等特点;冲击地压监测技术、防治技术与地方法规建设历程几乎同步,达到了起步晚,起点高,示范效应强的结果;基于冲击地压主控因素,将陕西省冲击地压划分为3大类,分别为:坚硬顶板主导型、地质构造主导型和宽煤柱主导型,并针对主控因素提出弱化坚硬顶板、转移煤柱高集中应力、释放构造应力的防治方法。通过10年来的工程实践,不断优化矿井开采设计,探索煤层厚硬顶板千米顺层钻孔区域压裂新技术,加大防冲卸压技术的落实,冲击地压显现逐年减少,成果显著。

动静加载下煤的破坏特性及机制的试验研究

动静加载下煤的破坏特性及机制是研究动载冲击地压机制的基础问题,利用改进的霍普金森杆对该问题进行试验研究。首先,通过试验结果的回归分析发现煤在动静加载下有其不同于均质致密岩石的独特的破坏特性。然后,通过对试验结果的讨论对动静加载煤的破坏机制进行分析,发现较多裂隙的存在是导致独特破坏特性的主要原因。破坏模式以裂隙脆性扩展为主;动载的作用主要是使裂隙扩展,进而发生破坏;而静载的作用主要是改变原生裂隙的数量和裂隙尖端的蓄能。最后,基于试验结果对动静加载下煤的冲击危险性进行分析,得出动静加载下煤具有临界静载和最优动载;并将动静载荷下煤的强度作为动载抵抗指数,用来反映抵抗动载能力的强弱;将碎片的分维值作为动载冲击能量指数,用来衡量动载冲击破坏的剧烈程度。

爆破动载下强冲击危险巷道锚杆轴力定量损失规律的试验研究

针对目前冲击地压矿井卸压爆破参数常不合理导致支护损伤,降低防冲效果的问题,采用锚杆无损检测系统在井下强冲击危险巷道进行现场原位试验研究,定量化分析了爆破动载下锚杆轴向工作阻力的定量损失规律。通过分析,获得了不同药量的爆破导致锚杆轴力损失的影响程度及空间范围。发现了爆破药量不小于6 kg时,随至震源距离的增大锚杆轴力的平均损失率基本呈乘幂关系衰减,但也存在局部突增的可能。同时爆破下锚杆轴力损失是与锚杆方位相关的,距震源越近与锚杆方位的相关性越显著。随着爆破药量的增大锚杆轴力损失率升高,药量越大升高速度越快。通过分析发现,众多影响因素中至震源的距离和锚杆方位只是表层因素,而爆破药量和煤体性质才是核心因素,并且核心因素间也存在相互影响。综合考虑爆破下锚杆轴力损失规律以及煤层爆破的卸压效果,优化了内蒙某矿强冲击危险巷道爆破卸压参数,现场应用效果理想。由此建立了冲击地压矿井煤层卸压爆破参数优化的现场原位试验方法。

基于地震波和电磁波CT联合探测的采掘巷道冲击危险性评价方法

电磁波CT能够探测掘进工作面,但无法探测掘进工作面后方的大面积区域;地震波CT能够探测回采工作面内部,但是探测不了两侧的煤柱,即基于单一CT探测手段的冲击危险性评价方法,在矿井采掘巷道存在评价盲区。针对上述实际问题,建立了一种基于地震波和电磁波CT联合探测的采掘巷道冲击危险性评价方法;将2种现场实测手段电磁波CT和地震波CT2相结合,研究了基于2种CT探测的冲击危险性评价方法的数学表达;以时间和地点为状态变量,以现场动力显现情况及CT探测结果为驱动变量,确定了评价方法的内在逻辑关系及实施流程。通过分析基于地震波和电磁波CT探测的冲击危险性评价的力学基础,建立了冲击危险性评价模型;在2种CT探测的基础上,实现了采掘巷道冲击危险等级的确定及危险区域的划分;将该评价方法进行工程实践表明,通过将2种CT探测方式联合起来,实现了掘进工作面及其后方大面积区域,回采工作面及区段煤柱区的冲击危险性评价,验证了评价方法的有效性。该方法克服了基于单一CT探测手段的评价方法在探测尺度上的局限,几乎覆盖了矿井采掘巷道所有潜在冲击危险区域,为冲击地压治理提供了较为准确的依据,具有较好的应用效果。在时间上,该方法将CT探测与矿井的采掘接续相结合,初步确定探测顺序,并根据实际的动力显现情况和之前CT探测的结果加以调整。从空间来说,覆盖了掘进面、回采工作面和煤柱等矿井采掘巷道几乎所有潜在冲击危险区域,基本保证了无评价盲区。并且,该方法充分发挥了震动波与电磁波CT探测操作过程的便捷性,能够较好的适应井下现场动力显现的突发性。

动静加载下组合煤岩的应力波传播机制与能量耗散

运用改进的霍普金森压杆,在波动力学理论的基础上,研究动静载下煤岩结构的应力波传播机制与能量耗散,分析应力波幅值和静载对煤岩组合体中应力波的波形、透射系数、反射系数和能量耗散的影响规律。研究结果表明：应力波幅值和静载明显的影响组合煤岩中应力波的传播性质;并且煤岩组合结构初始处于弹性与塑性状态的透射、反射系数随动载的变化规律是不同的。动载能量耗散随应力波幅值的增大而增大,随着静载的增大呈现先增大后减小的趋势。同时注意到组合煤岩在静载在0.50~0.75动载耗散能量迅速降低,并且组合加载下煤岩结构的破坏失稳可分为两种形式,包括动载主导和动载诱发,分别以动载和静载为主要能量源。由静载对应力波传播机制和能量耗散的影响可知,埋深不同或距离采掘空间的远近不同,应力波传播机制和能量耗散是不同的。

基于地音与电磁波CT的掘进工作面冲击危险性层次化评价方法研究

目前掘进工作面冲击地压事故频发,通过分析各评价方法在掘进工作面应用中存在的优势与局限,建立了一种基于地音监测与电磁波CT探测的掘进工作面冲击危险性层次化评价方法;该方法将冲击危险性评价目标在时间和空间上进行分解,通过地音实时监测确定评价的时间层,通过电磁波CT探测确定评价的空间层,以时间层的执行结果做为空间层的执行判据,克服了基于单一监测或探测手段的评价方法在掘进工作面应用中存在的不足,实现了掘进工作面冲击地压实时预警及危险区域精准划分的双重功能,提高了掘进工作面冲击地压评价的效率与准确性,指导了现场实际卸压工作。

基于卸支耦合的冲击地压煤层卸压爆破参数优化

针对目前参数设计不合理的卸压爆破常常导致支护围岩损伤破坏、降低防冲效率的实际问题,提出了卸压支护耦合思想,并建立其数学模型,推导出最优卸压强度的表达式,分析其主要影响因素,由此,提出了基于卸压支护耦合的煤层爆破参数优化方法。研究结果表明:最优卸压强度与卸压和支护前的初始状态无关,与卸压和支护对冲击危险性的影响权重、卸压和支护与冲击危险性之间的相关参数、卸压和支护之间的转化系数有关;最优爆破方案为卸压效果较好并且对支护损伤较小的爆破方案,依此将古山煤矿爆破卸压方案优化为孔深为12 m,药量为6 kg。现场实践表明该优化方法应用效果良好,既能够确保优化结果的实用性,还可以大幅减少现场工程量,提高优化效率。

基于冲击启动过程的近场围岩冲击危险性电磁波CT评估方法

近年来,随着开采深度和强度的逐渐增大,冲击地压灾害发生频率逐年升高,严重威胁矿井的安全生产。针对目前基于现场实测的冲击危险性评价方法仅从能量聚集角度进行危险性判别,导致评价结果不能反映现场全部冲击危险情况的问题,考虑了冲击启动过程经历的"能量释放→能量传递→冲击显现"3个阶段,分析了基于冲击启动过程的冲击危险性评估原理,通过理论研究,构建了包括能量集中指数、屈服接近指数、能量传递衰减指数和支护损伤指数等4个指标,设定了各指标的权重,包括根据各指标量值差异程度设定的属性权重,以及根据各指标危险等级设定的等级权重;由此,以电磁波CT探测系统为平台,建立了能够划分近场围岩冲击危险区域及危险等级的电磁波CT评估方法,并将该方法编程实现。应用此方法对亭南煤矿207工作面现场实测数据进行处理,发现区段煤柱内布置巷道大幅升高了相邻煤柱区的应力集中程度及支护损伤程度,进而增大了相邻煤柱区的冲击危险性。通过钻屑法验证了基于冲击启动过程的冲击危险性评估方法的有效性。该方法依据冲击启动过程将评估体系细化,能够有效提升对冲击危险区域及危险等级的辨识度,为巷道冲击地压治理提供了更为准确的依据,尤其能为煤柱区冲击地压防治提供借鉴。

动静加载下组合煤岩破坏失稳的突变模型和混沌机制

为进一步加深对动载诱发冲击地压机理的认识,采用时效损伤本构模型与尖点突变理论相结合,得到了一维动静加载下煤岩组合系统的破坏判据、突跳位移以及释放总能量的数学表达式。并建立一维动静载下煤岩组合系统的非线性动力学模型,发现外载能量与系统自身固有能量之间的相互作用导致模型的演化过程呈阶段性并出现混沌现象;当组合系统本身的非线性作用与外部载荷的作用能力相当时,系统的演化进入混沌阶段。由此得出,井下煤岩体结构与动静载荷之间的相互作用是影响动载诱发冲击地压演化过程的关键。最后,对理论结果进行一维动静加载试验验证,表明理论和试验值吻合较好。

输煤巷道煤尘扩散的数值模拟

研究了井下皮带输煤巷道中煤尘的扩散规律。提出煤尘扩散的数学模型,对空气流运动采用雷诺平均数值模拟,再与澳博利恩公式耦合模拟出巷道中煤尘的浓度分布。选取三种不同大小的煤尘分别进行模拟。选定五个观测点,分别绘出浓度在y向的变化曲线,揭示了煤尘的起尘规律以及煤尘的颗粒直径对起尘浓度的影响。研究表明颗粒的起尘浓度与颗粒直径成反比。巷道中的气粒两相流从非均质流向均质流演化,演化的速度与颗粒的直径成正比。呼吸性煤尘起尘浓度大,煤尘颗粒主要集中在输送带到其上方1 m处。

FLAC^(3D)中爆破震动下锚杆轴力损失的修正及应用

针对FLAC3D现有模型无法实现由于CABLE结构单元在动载下出现损伤而导致支护轴力损失的问题,基于最大剪应力准则和应变能密度准则,提出了爆破震动下CABLE单元破坏损伤判据,以及锚固结构损伤量沿震波传播路径的分布规则,由此建立了锚杆轴力动力损失修正模型。基于FISH语言平台开发修正模型的计算程序,使得FLAC3D具备由于CABLE结构单元动力损伤而导致轴力损失的功能,并应用该功能进行了爆破震动下单排锚杆轴力损失与全锚杆巷道支护质量减弱的对比分析,结果表明:1修正模型锚杆轴力在爆破下,经历平稳→下降→平稳3个阶段,锚杆轴力损失率随至震源距离的增大呈指数衰减,达到了锚杆轴力定量损失的预期效果。2通过修正模型得到了爆破对巷道支护的主要损伤范围和程度,其中6和8 kg药量爆破下锚杆轴力损失率峰值分别为35%和76%,并且至震源0~4和0~12 m内锚杆轴力损失率超过25%,支护损伤较大。同时,修正模型能较大幅度修正动力分析中的围岩变形量以及塑性区体积,其中6和8 kg药量爆破下变形修正系数峰值分别为70%和37.5%,而塑性区体积修正系数分别为22.2%和9.9%,说明爆破药量越小修正效果越显著。3修正模型计算结果与现场实测结果具有较好的一致性。

卸压爆破振动下锚索支护全煤巷道动力响应特征

针对目前参数不合理的卸压爆破常损伤巷道围岩,减弱防冲效果的问题,基于PASAT-M型便携式微震系统实测的卸压爆破振动参数,并引入爆源模型对爆破震源进行描述,由此在FLAC3D4.0平台上研究了卸压爆破下巷道围岩的损伤破坏模式以及锚索支护的振动特征。研究发现:剪切破坏是爆破振动下巷道围岩的主要破坏模式。爆破振动下近场围岩应力水平出现小幅增加,其中顶板内水平应力增幅约为8%,爆破帮内垂直应力增幅在8.3%,爆破后近场围岩的弹性应变能得到一定的释放。卸压爆破通过造成支护结构锚固段附近煤体变形损伤,而导致锚索支护轴力的降低。利用三维全景钻孔窥视方法对巷道围岩裂隙带进行现场实测,验证了数值模拟结果的可靠性。

我国煤炭深部开采冲击地压特征、类型及分源防控技术

我国煤炭资源大规模步入深部开采,深部开采冲击地压事故频繁发生,为了厘清深部开采冲击地压特点、启动类型以及防治与浅部开采的区别,为深部开采防治冲击地压提供理论与技术指导,以我国煤炭资源深部开采冲击地压特征研究为切入点,从诱发冲击地压的载荷源角度,结合工程实例,建立力学模型,研究提出了我国深部开采冲击地压的3种类型,最后提出了深部开采巷道冲击地压动静载荷分源防控方法。结果表明,我国煤炭深部开采冲击地压特征总体表现为因基础静载荷充足,发生门槛降低,冲击显现位置点多面广,发生原理隐蔽性、自发性、时滞性占比大,防治范围扩大,应力恢复快,高强度、长时效卸压要求突出;将我国煤炭深部开采冲击地压划分为3种类型,即深部动静载叠加型、深部高静载加载型、深部高静载卸荷型。深部动静载叠加型,因深部煤炭资源高地压环境,与浅部相比,较高的基础静载荷获得微动载扰动、叠加可发生冲击地压。深部高静载加载型冲击地压,其静载荷缓慢对极限平衡区加载过程冲击是材料失稳,导致工程结构体结构动力失稳的结果,而深部高静载卸荷型冲击地压,其高静载荷最小阻抗带减小,静载荷卸荷过程是围岩结构稳定性遭到破坏,导致工程结构体材料动力失稳的结果,2者存在本质差别;深部冲击地压防控与常规浅埋冲击地压防控,差别在于基础静载荷充足,增量顶板等动载荷来源复杂,冲击危险区域基础静载荷获取增量静、动载荷门槛降低,因此必须高强度、长时效实现静、动载荷源分源防控,阻止诱发冲击地压的载荷条件形成;在动静载荷分源防控指导思想下,针对顶板动载荷源,开发了顶板“钻-切-压”一体化技术,深度弱化顶板,消除顶板动载源;针对巷道两帮垂直应力集中,开发了煤层一次成孔300 mm超大直径无人钻孔技术,高强度、长时效疏导煤体垂直应力;针对巷道底板高水平应力,开发了巷道底角联排桩基,高强度切断水平应力,阻止底板冲击滑移等技术,现场应用效果良好。

深部盘区巷道群集中静载荷型冲击地压机理与防治

针对深部矿井,盘(采)区巷道群屡次发生冲击地压这一问题,以我国新建千米深井盘区巷道群冲击地压发生为背景,理论分析了巷道群无动载诱发冲击启动的机理与防治方法。结果表明,巷道底煤的厚度对底板水平应力集中影响较大;褶曲构造带也显著影响巷道群应力环境;巷道底臌量与底板释放动载荷量值、底煤厚度均成正相关关系;深部煤层巷道群冲击启动原理,是巷道群自身应力叠加在巷间煤柱,提供了基础静载荷;灾害发生地段底煤厚度以及褶曲构造影响,提供了时机静载荷,2者叠加导致巷间煤柱垂直载荷超过了临界值,同时底板煤体承受的载荷超过了其极限承载力;深部煤层巷道群冲击地压属集中静载荷型,采用基于集中静载荷疏导的深孔区间爆破法可防治冲击地压灾害。

基于集中静载荷探测的冲击地压危险性预评价

为了解工作面冲击危险状态,提前采取防冲措施,降低后期防治强度,理论分析了集中静载荷与冲击地压发生的相关性,建立了基于集中静载荷探测的冲击危险性预评价模型,并开展了实践验证。结果表明:集中静载荷在冲击地压启动过程中起主导作用,并可在工作面开采前探测并卸载;区域性集中静载荷可通过地震波法探测得出,基于地震波参数建立的冲击危险性预评价模型能够对工作面危险性做出评价,并且能够指导预卸压工作实施和检验解危效果。

基于能量耗散率的钻孔防冲效果评价方法

采用理论分析、实验室试验及数值模拟等手段,研究了从能量角度评价钻孔防治冲击地压效果的方法。钻孔前后应力总量计算表明,钻孔对煤岩体的作用在于"调压",并非仅"卸压"。相对于应力角度,从能量角度评价钻孔防冲效果的过程更为简便。不同矿井煤样单轴加卸载试验发现,采用线弹性体弹性应变能计算公式的计算结果要大于实际值,且冲击倾向性越弱,计算误差越大,提出了基于弹性能量指数的修正公式。钻孔围岩弹性应变能的变化受最大主应力的做功特征主导,围岩应力调整过程中,弹性应变能能否积聚与围岩方位及侧压系数有关。在此基础上,提出钻孔耗能率的概念,可定量评价不同钻孔防冲设计之间的优劣,并通过FLAC3D进行数值模拟实现。以钻孔耗能率为评价指标得出,钻孔防冲效果与钻孔孔径呈幂函数关系,与煤层强度呈负相关。与φ100 mm钻孔相比,φ150 mm钻孔耗能效果是其2.9倍,φ200 mm钻孔耗能效果是其6.5倍。

浅部矿井静载荷主导型冲击地压监测方法与实践

针对浅埋强冲击危险区静载荷高度集中、无顶板活动就面临冲击危险的特征,以古山煤矿为例,确定其冲击地压发生类型为集中静载荷主导型,对集中静载荷采用地震CT技术、数值模拟、现场实测等方法开展了分步评价,分步驱散,联合检验。结果表明:浅埋厚硬单层岩浆岩顶板提供集中静载荷,本次冲击地压无动载荷参与,冲击地压监测应以监控静载荷为主;据采前地震CT探测结果揭示冲击发生后,仍然存在静载荷高度集中区域;开采过程中静载荷实时监测与数值模拟揭示的强冲击危险区相吻合,微震、地音监测技术提供的动载荷信息检验了静载荷监测结果,表明工作面推进中顶板未垮断,高集中静载荷导致底板、煤层破裂。

深部冲击地压智能防控方法与发展路径

为了解决冲击地压威胁深部智能开采与防控人员安全问题,提出了深部冲击地压智能防控方法。基于基础静载荷诱发冲击地压启动的关键作用,指出深部冲击地压智能防控的理论基础是自动探测采掘空间内围岩基础静载荷,并实现智能化、精准化降低其集中程度,以提高后期获取增量静载荷、动载荷的门槛,从而达到冲击地压防控目的。提出了未来深部冲击地压智能防控研究发展路径:冲击地压灾害多源信息主动调度理论与方法,多源信息融合的防灾治灾方案专家库,高速交互智慧机器人与信息化装备,冲击地压灾害智能治理与复合灾害自适应技术,重大灾害防控效能自评价技术。

岩浆岩床下伏短壁综放面集中静载荷型冲击启动原理

为了探索没有动载荷源的冲击地压发生原理,以平庄某矿为例,采用数值分析、理论分析结合现场实测的方法,研究了巨厚岩浆岩床下伏短壁综放面回采前冲击启动原理。结果表明,巨厚岩浆岩床下伏短壁综放面开始推进前、后,下巷冲击启动都不需要动载荷源,难垮岩浆岩顶板的悬臂为冲击启动提供了足够的集中静载荷;短壁工作面开采使得下巷处于高位高应力区中,加剧了下巷冲击危险性;倾斜煤层巷道冲击时,围岩主应力方向大致与煤层倾向正交,使围岩冲击、鼓出非对称局部化,并且大致位于煤层倾向面的法线方向,这一认识为倾斜煤层冲击地压巷道支护与卸压实行非对称性提供新论点。