深井高应力大巷煤柱释能改性防冲机理及应用

针对当前我国深井高应力大巷煤柱频繁发生冲击地压的现状,采用现场调查、理论分析、数值模拟和工程试验等方法,研究了我国大巷煤柱冲击地压发生类型与机理,提出了一种高应力大巷煤柱释能改性防治冲击地压的新方法,基于该方法开展了防冲原理研究、技术体系设计、井下工业试验等一系列研究工作,得到:基于大巷煤柱冲击地压的主导力源类型,结合多起冲击地压典型案例,将我国大巷煤柱冲击地压划分为基础应力叠加型、附加应力诱发型和自身蠕变失稳型3类,分别建立并推导了3类大巷煤柱冲击地压发生机理的力学模型与工程判据,揭示了3类大巷煤柱冲击地压的发生机制。提出一种深井高应力大巷煤柱压裂−注浆协同防治冲击地压的方法,其防冲原理体现在“释能”和“改性”2个方面,井下工业试验发现弹核煤体起裂压力约40 MPa,整体最大压裂宽度达19.5 m,现场监测验证该方法能够降低大巷煤柱能量积聚水平,提高大巷煤柱整体冲击阈值。设计了深井高应力大巷煤柱释能改性防冲成套技术体系,包括孤立煤体冲击危险“评估−检验−校核”方法、弹性核水力压裂增缝释能技术和整体注浆加固改性技术。研发了大巷煤柱弹性核压裂“震动−应力−位移”三场监测设备和PS-Z-A/B型无机双组份速凝整体注浆改性材料。

煤矿覆岩主控致灾层位危险识别及现场应用

针对煤矿地面水力压裂技术施工中工作面覆岩主控致灾层位难以准确辨识的难题,以孟村煤矿401102工作面地面水力压裂工业试验为背景,采用理论分析、微震监测、现场调研等方法,揭示了煤矿厚硬覆岩运动诱发矿震和冲击地压的动力灾害机理,分析了基于载荷三带理论的厚硬覆岩分区运动特征与诱发动力灾害之间的关系,建立了基于关键层运动状态的矿震能量预测模型与采场等效附加应力估算模型,提出了基于K-means聚类算法和肘部法则的煤矿覆岩主控致灾层位识别技术方法,确定了现场压裂施工层位并进行工业试验,根据现场微震监测数据及理论分析结果进行了效果验证,得到结论如下:孟村煤矿401102工作面致冲关键层及矿震关键层均为距离煤层66 m的安定组关键层R9,其初次破断运动采场等效附加扰动应力理论值为7.23 MPa,初次破断运动释放矿震能量理论值为6.08×105 J,致灾危险性较强;震−冲关键层压裂后,矿震能量理论值降幅94%,采场等效附加扰动应力理论值降幅76%,工作面上方5×10^(3)J大能量微震事件出现明显上移趋势,上移量约为15 m;10^(3)J及以上能级微震事件频次占比显著下降,由60.39%降至17.89%,最大微震事件能量由6.65×10^(5)J降至9.75×10^(3)J;10^(2)J及以下能级微震事件频次占比显著上升,由39.61%增至82.11%。

煤矿冲击地压的微地震监测研究

为了研究煤矿冲击地压与岩层在三维空间破裂之间的关系,进而探索依据岩层破裂规律预测和预报冲击地压的可能性,文中采用自行研制的防爆型微地震定位监测(MS)系统,基于定位原理,监测了山东华丰煤矿冲击地压煤层(四层煤)及其解放层(六层煤)开采过程中的岩层破裂过程和二次应力场分布变化的过程,得到了如下结论:冲击地压的发生与岩层破裂密切相关,四层煤下顺槽处于六层煤顶板破裂区的外边缘时,正处于高应力区内,在此处掘进容易引发冲击地压,必须将六层煤下顺槽位置向实体煤侧移动20 m以上,或将四层煤下顺槽位置内移20 m以上,才能消除四层煤的冲击地压;六层煤和四层煤开采时,工作面前方断层活化的距离分别为250 m和350 m左右,根据这一距离,及时对断层带进行卸压处理,可以消除由断层带引发的冲击地压;监测显示了工作面周围岩层的三维破裂形态和范围,为矿井确定防水煤柱的高度提供了可靠的依据;监测证明了厚层砾岩的破裂、断层活化、采场附近关键层的破裂是引起冲击地压的主要原因,证明了所研制的硬件和定位软件具有较高的精度和实用性,可以在煤矿和边坡、隧道等领域应用.

高精度微震监测技术在煤矿突水监测中的应用

为了监测导水通道(断层、陷落柱等)在采动影响下的动力学活动和失稳过程,以及对其造成的突水危险性进行实时预测预报,利用高精度微震监测技术进行煤矿突水危险监测的工程实践。采用全局寻优定位技术,充分考虑内、外场震源定位的不同影响因素,结合速度结构、检波器一致性等校正技术,实现微震震源的高稳定、高精度定位;优化布置微震监测台网,对大断层、陷落柱等隐伏构造进行实时监测,通过对定位结果的三维展示和分析,得到地质构造的活化规律、底板破裂深度、顶板破裂高度、合理煤柱尺寸等实测参数,实现对突水危险性的预测预报。工程实践证明,微震监测能够准确诊断出断层和陷落柱等构造活化的强度、烈度以及相关的时空参数,是实现突水预警预报的强有力的地球物理监测手段。建立基于定位结果的岩体空间破裂场的定量描述模型、实现定位结果的多角度、多层次的展示技术,从防治水、矿山压力等多学科角度出发实现突水监测的超前预警预报,是突水监测预警的重要的发展方向。

长壁采场覆岩空间结构探讨

基于微地震定位监测技术监测岩体在三维空间破裂的成果,以及多种边界条件工作面岩层运动和应力场的观测结果,提出长壁采场覆岩空间结构的概念,并根据采场的边界条件,将覆岩空间结构分为中间有支撑的“θ”型、中间无支撑的“O”型、“S”型和“C”型4类。基于观测实例,阐述微地震定位监测技术用于监测空间结构的形成过程和范围、采空区边缘煤体内应力计用于反演综采放顶煤采场中间无支撑空间结构内部的覆岩运动、“孤岛”煤体应力计用于判断中间有支撑空间结构煤柱变形方式等多种观测方法及这些方法在覆岩空间结构研究中的综合应用途径。最后,展望覆岩空间结构学术观点及其研究方法在采矿工程中的应用前景。

冲击地压防治关键理论与技术分析

基于50多个煤矿的防冲实践总结,介绍了13个冲击地压治理的关键理论和相关技术,并重点阐述冲击地压治理的成套体系中的开采前危险性评价、开采设计方案优化、开采前危险区的防冲预处理、开采过程中监测预警、开采过程中的危险区解危、解危效果检验、工作面安全管理、防治经验总结等8个重要环节,并提出在实践方面需要建立防冲的组织体系、技术体系、管理体系和闭环式的工作流程,且在技术方面需做到在冲击地压危险区进行"强卸压、强监测和强防护"的防冲技术。

巨厚砾岩与逆冲断层控制型特厚煤层冲击地压机理分析

以某典型冲击地压事故为背景,通过理论研究和现场勘查,研究了巨厚砾岩与逆冲断层控制下特厚煤层工作面冲击地压致灾机理和防治方法。通过对地层结构与开采形成覆岩空间结构的研究,建立了侧向静态支承压力估算模型,得到了21221工作面上覆岩层空间结构与应力分布规律;估算了巨厚砾岩传递应力、自重应力与F16逆冲断层及相变带构造应力的叠加总应力,该应力超过了该矿的临界冲击应力;特厚煤层在叠加应力作用下发生塑性滑移,逐渐形成滑移线场,并产生塑性膨胀,导致巷道围岩应力增加,在外部扰动应力作用下,煤体发生瞬间大范围滑移是发生冲击地压的主要原因。针对这类冲击地压的致灾机理,通过合理设计巷道平面位置以避开传递应力峰值区域、采用半煤岩巷道以减小滑移线场范围和合理设计煤层大直径卸压孔参数以改变煤体滑移方向等措施,有效治理了该类冲击地压。

深井高应力腐蚀环境下锚杆强度劣化机理及预测

煤矿深部开采除了面临“三高一扰动”之外,还面临井下腐蚀性大气和高应力、强扰动等因素共同形成的高应力腐蚀环境,井下大气腐蚀环境等级能达到CX(极高腐蚀)级。以山东巨野煤田深部矿井为工程背景,首先分析了深井开采高应力腐蚀特征及影响因素,对锚杆杆体材料开展实验和理论研究,揭示了高应力腐蚀环境下锚杆强度劣化机理,推导了杆体强度劣化理论模型。①通过对杆体材料开展SEM、腐蚀SSRT和加速腐蚀实验发现:腐蚀会造成杆体材料的断后伸长率和断裂时间的衰减,相较于惰性条件分别减少了8.22%和8.34%;随腐蚀率增加,材料破坏形式由韧性破坏向脆性破坏转变,区域腐蚀类型逐渐由点蚀发展为均匀腐蚀。②结合实验结果、电化学理论与非均匀腐蚀模型,引入Pruckenr温度影响因子,推导出杆体材料强度劣化时变模型。深入探究该模型中服役环境温度T、杆体截面半径R和杆体材料常温腐蚀速率V_(h,298K)对杆体服役寿命的影响发现,R与服役寿命呈线性正相关;T和V_(h,298K)与服役寿命的关系表现为服役寿命衰减程度随影响因素水平升高而减小。③结合实验结果与锚杆防冲吸能原理,对巷道锚杆支护极限抗冲能力进行计算分析。结果表明,随锚杆腐蚀率增加,锚杆吸能减少,可抵抗最大震级降低,巷道动力失稳灾害发生风险增加。

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。

深井综采(放)工作面异常来压控制研究

通过事故调研、理论分析和现场实测,研究深井综采(放)工作面异常来压的发生机制、控制技术及其危险性的分区分级评价方法。得到的主要结论为:(1)工作面异常来压诱发因素主要有顶板来压、顶板水、控顶距增大、初撑力低、采高变化、断层、推进速度以及这些因素的叠加;(2)异常来压的发生机制是上述影响因素引起顶板结构与支架作用关系失衡后,导致顶板异常活动和支架异常受力;(3)异常来压的控制方法为开采前进行评价,预处理危险区,开采过程中实施矿压监测,采用工作面调斜、适当降低采高、提高初撑力、提前疏放水或加固顶板、预裂顶板、加快推进速度、优化支架阻力等措施,降低危险性。研究结果在赵楼煤矿1306工作面进行应用,取得良好效果,可有效避免压架事故。

单事件多通道微震波形的特征提取与联合识别研究

通过对矿山现场数据的处理分析,提出一种基于微震单事件的多通道联合识别方法,建立了"初步判断"、"联合识别"及"优化判断"的微震波形识别机制。对矿山微地震信号进行滤波等预处理,采用经典STA/LTA算法拾取波形的到时与终时,截取整个信号中的有效部分,并进行波形校正;建立波形的频谱特征(f)、时长(L)、振幅特征(A)、振幅分布(AD)、门限阈值特征(TS)及互相关特征(R)的定量描述方法,并求取相应的特征值;分层次对有效岩石破裂波形进行有效性判断与识别,优化选取最终定位通道。以山东某矿的一次微震事件为例对该方法进行了验证研究。结果表明,该方法能够有效提取波形的特征,并能实现对单事件多通道波形电磁干扰、底部噪声等的快速分类识别,识别精度满足现场应用需求。

冲击地压实时监测预警技术及发展趋势

通过分析国内外冲击地压监测预警理论、技术和装备现状以及我国煤矿在冲击地压预警领域存在的问题,提出了提高冲击地压监测预警水平的关键途径,即正确确定冲击地压类型、判定冲击危险区域和确定相应的监测预警方法及关键指标。介绍了冲击地压发生"时间-空间-强度"实时在线监测预警系统的技术架构,以及以"高精度微地震监测和冲击地压(应力动态)实时在线监测预警系统"为主、其他手段为辅的实时监测预警系统在多个煤矿的应用情况。提出了"危险区域-危险程度"一体化监测,实时远程监测为主、人工抽样检验为辅和以治理为目的的监测是冲击地压实时监测预警技术的发展趋势。

四面采空“孤岛”综放采场矿压控制的研究与实践

论文通过理论和实践研究,提出了四面采空“孤岛”采场的顶板结构和相关矿压控制技术。此类采场矿压控制的理论问题,是采场覆岩的多层空间结构运动及其与采动应力场的关系;其工程问题,是煤柱失稳造成的灾害形式及其判定方法、煤柱失稳的灾害的控制技术以及水、火和瓦斯的控制问题。论文通过河南义马煤业集团的实例,系统介绍了灾害监测技术和控制方法。开采结果表明,论文中提出的对岩层结构的认识和采取的控制技术是正确的,可以在条件相似的矿区推广应用。

冲击地压及煤与瓦斯突出和透水的微震监测技术

介绍了井下高精度微地震监测成套技术及其在监测煤矿冲击地压、煤与瓦斯突出和透水等灾害中的应用方法。通过微地震监测定位精度方法在2个煤矿的实际应用表明,微地震监测技术是监测矿山灾害的有效手段,可以在矿山推广应用。

构造控制型冲击地压的微地震监测预警研究与实践

采用微震监测方法,研究了构造控制型冲击地压的分类和预警方法,提出了将构造控制型冲击地压分为增压和减压2种类型。当采掘工作面接近增压型构造时,微地震事件在构造附近将出现明显的"分区性",表明构造附近在积聚应力,可以作出危险性预报;当构造附近微地震事件能量不大,震动间隔较均匀,且能够随工作面推进向远处迁移,表明构造附近没有大量积聚应力,冲击危险性较小。在煤矿应用时,通过分析微震事件的动态特性、分布特性和能量耗散特性,确定预警危险区,采用钻孔法确定危险区的危险程度,最后作出危险性预警,为制定对策提供依据。本文的研究结果已在山东朝阳煤矿千米深井冲击煤层开采过程中得到了验证和应用。

构造活化的微震监测与数值模拟耦合研究

采用高精度微震监测技术对长壁工作面断层、陷落柱、高角度裂隙带等地质异常体的灾变过程进行监测,为突水危险工作面预警突水灾害提供"通道形成、扩展和灾变"的动态信息;同时,将数值模拟得到的工作面围岩中的位移场和应力场与微震监测得到的断层、陷落柱、高角度裂隙带等地质异常体活化信息进行耦合分析,揭示采动引起构造活化和灾变的机制。根据微震监测与数值模拟耦合分析结果,结合试验工作面围岩中断层、陷落柱、高角度裂隙带等分布情况,实施针对性的防治水工程。分析结果证明:微地震监测与数值模拟耦合分析方法能够用于构造活化的研究和指导矿山防治水工程。

微地震波在煤矿岩层中的传播特征研究

在塔山矿8103工作面微地震监测中,测到距离震源远的底板孔检波器比距离震源近的顶板孔检波器先接收到微地震波的异常现象。研究表明,微地震波的直达波和透射直达波两种传播模式是造成这一异常现象的主要原因。在性质相近的介质中,微地震波是按直达波模式传播,现场监测到的"顶板断裂产生震动波—顶板—顶板检波器"的路径是典型的"直达"传播模式。而在性质差异较大介质的界面处,微地震波在入射界面上的入射点将形成新的震源点,并以新震源点为起始点,再按直达波模式传播,从而形成"透射–直达"传播模式,现场监测到的"顶板断裂产生震动波—综放支架—底板—底板检波器"的路径是典型的"透射–直达"传播模式,这是造成微地震监测中"远点先达"现象的重要原因。根据微地震波在煤矿岩层中的传播特征可以确定合理的定位方法和验证震源定位的准确性。实践证明,在性质差异较大的介质中定位震源时,需将性质相近介质中的检波器信号放在一起定位,这样可以减弱"透射–直达"传播模式造成"远点先达"现象的影响,提高定位精度。

鲍店煤矿硬岩断裂型矿震的预测

为研究矿震诱发型冲击地压的机理与防治方法,基于覆岩空间结构理论的基本思想,结合矿山压力与力学分析,研究了"不对称孤岛综放工作面"覆岩运动规律,探索了"硬岩断裂型"矿震的预测方法,结合鲍店煤矿103上02工作面的开采实际,准确预测了103上02切眼至103上01切眼工作面轨道巷冲击地压危险区、相邻工作面初次来压阶段、单工作面"见方"阶段、双工作面"见方"阶段、103上02工作面接近103上03终采线5个极易发生动力灾害的危险区以及危险程度,并在危险区内提前进行了卸压处理,在工作面推进过程中发生数十次2.5级以上矿震的情况下,成功避免了井下矿震诱发的冲击地压灾害,保证了103上02孤岛综放工作面的安全开采,实现了"有震无灾"的控制目标。

煤矿复合动力灾害危险性实时预警平台研究与展望

为解决复合动力灾害危险性实时预警的难题,通过研究煤矿复合动力灾害发生机理和发生前兆的关联性,将复合动力灾害发生前兆分为共性和个性两类,并与监测参数类型相对应,提出了针对复合动力灾害危险性的临场预警、中期预警以及远期预警的关键监测参数。复合动力灾害危险性实时预警平台的构成主要包含监测硬件、分析软件及预警方法 3个部分,硬件主要指动力灾害监测系统及平台监控室硬件;软件主要指平台采集及分析软件;预警方法指标包括复合动力灾害危险性联合预警方法和单参数与多参数联合预警方法。在河南、山东等存在复合动力灾害的矿井进行了预警试验和基础研究,预警了矿井的复合动力灾害。同时,展望了复合动力灾害危险性实时预警平台的发展趋势。

老顶的基本结构形式

本文以现场实测、实验和工程实践的成果为基础,从顶板控制设计和老顶来压预报的角度出发,对老顶的结构形式进行了研究,主要结论如下: 1) 老顶的结构形式随岩层的质量的状况而变化; 2) 老顶存在三种基本结构:类拱式、拱梁式和梁式。它们的不同组合形成了多样的顶板结构; 3) 三种基本结构的运动规律、支承压力显现规律及其控制要求,既有区别又有联系。是一个从量变到质变的辨证过程。本文的主要结论已应用于顶板控制设计专家系统和来压预报专家系统,并得到了验证。