急倾斜巨厚煤层复杂空间结构区微震时空演化规律及诱冲机理

煤矿冲击地压灾害的发生与空间结构密切相关,尤其在复杂空间结构区灾害发生更频繁。掌握煤层开采复杂空间结构区煤岩灾变规律并揭示其发生机制对于冲击地压防控具有重要意义。以乌东煤矿为研究背景,采用数值模拟、微震监测、理论分析等方法,研究了岩柱应力异常尺寸效应,分析了复杂空间结构区微震时空演化规律,揭示了复杂空间结构下冲击地压发生机理,评估了煤层开采不同区域的冲击危险性。研究结果表明:①急倾斜岩柱厚度更窄、出露高度更大其撬动效应更强,岩厚变异应力异常形成5个分区。②岩柱厚度更窄区域微震频次更多,能量更高,时空活动度更强,离散性更高。高应力区、应力梯度区、应力平稳区依次呈现“低频次-高能量”、“高频次-高能量”、“低频次-低能量”的微震响应特征。③特殊空间结构区域微震事件簇集且能级增大,时空活动度及离散性陡增,尤其在结构边缘该特征更明显,能量积聚及释放速率增大,冲击地压发生的概率及强度更高。位于岩柱更窄区域的特殊空间结构内微震活动更剧烈。④岩柱厚度越窄(煤柱高度越大)则岩柱向深的弯矩及能量增长速率越快,冲击危险性更高。依据结构面强度效应推断出断裂带发生滑移错动,是能量积聚与释放的优势区域。揭示冲击地压发生机理为高静载及低临界载荷共同作用,基于应力集中特征评估煤层开采不同区域的冲击危险性。

基于机器学习的急倾斜巨厚煤层掘进巷道冲击地压预测方法

针对急倾斜巨厚煤层掘进巷道冲击地压前兆信息挖掘不充分的困境,以新疆乌东煤矿急倾斜巨厚煤层掘进巷道的冲击危险预警为背景,探究了多项物理指标的演化规律,采用BP神经网络、随机森林(RF)、支持向量机(SVM)、梯度提升决策树(GBDT)等4种机器学习算法,分别建立了急倾斜巨厚煤层掘进巷道冲击地压的预测模型,并对各模型预测性能进行了验证和实例分析,明确了掘进条件下神经网络算法对急倾斜巨厚煤层各指标的敏感性分布。研究结果表明:机器学习算法能够有效提取出各物理指标发展趋势中蕴含的冲击前兆特征其中BP神经网络算法的建模精度最高,相较于其他模型平均绝对误差分别降低了58.44%55.64%,26.37%;R^(2)分数分别提高了11.25%,8.37%,3.66%;依据BP神经网络算法得到的各物理指标敏感性排序分别为A(b)值、b值、矿震活动度S值、等效能级参数EEM值、缺震值、算法复杂性AC值;应用R值评分法对乌东煤矿急倾斜巨厚煤层掘进巷道的冲击预警进行了效能验证结果表明该模型预测准确率较好,总体预测准确率为90.65%,并成功预测了掘进期间的两次大能量事件,该方法适用于急倾斜巨厚煤层掘进巷道的防冲预警,建立的模型对于冲击地压危险的预测有着较好的潜力,研究结果可为类似条件下急倾斜煤层冲击危险的演化发展提供参考。

急倾斜巨厚煤层巷道掘进安全支护技术

乌东煤矿急倾斜巨厚煤层赋存条件复杂,巷道掘进存在夹矸多、顶板易破碎区段,存在较严重的安全隐患,为了解决该隐患,乌东煤矿在巷道常规段采取长、短锚索及锚杆联合支护方式,在易破碎段增加管棚支护。经数值模拟与现场观测表明,常规段联合支护效果显著,相较未支护顶板下沉减小50%,巷道围岩内部没有严重破坏区,巷道表面平整,没有大块片帮及冒落情况;易破碎段管棚支护下巷道顶板平整未出现垮冒。微震监测结果表明,在掘进期间巷道围岩活动平稳,表明该支护技术可以很好地控制巷道变形,对于复杂条件下巷道安全支护提供借鉴及指导,具有重要的应用价值及科学研究意义。

预留煤柱形状对煤矿工作面稳定性的影响研究

煤矿开采过程中常需预留煤柱支撑上部岩体,预留煤柱的径高比和大小不尽相同,对工作面的稳定性影响较大。通过对煤体及煤岩组合体进行不同径高比下的单轴压缩数值模拟试验,分析煤体和煤岩组合体的力学性质及破裂过程,研究不同径高比预留煤柱对工作面稳定性的影响。结果表明:(1)随着径高比逐渐增大,煤体和煤岩组合体峰值强度同步增大,煤体先由脆性向延性转变,随后又由延性向脆性转变,煤岩组合体也由脆性破坏向延性破坏转变,延性逐渐降低;(2)随着径高比逐渐增大,煤体及煤岩组合体主要以劈裂破坏为主,且引起煤体裂纹破坏的扩展方向动态变化,煤岩组合体随煤体的劈裂破坏而破坏;(3)随着径高比逐渐增大,煤岩组合体与煤体的峰值强度差值也变大,煤体峰值轴向应变随着径高比的增大无明显变化,煤岩组合体峰值轴向应变呈一定程度增大,且当D/L=0.8时,峰值轴向应变较高。

乌东煤矿冲击地压监测预警平台搭建与应用

为应对乌东煤矿越来越严峻的冲击地压预警与防治形势,提高冲击地压灾害预警准确性,保障煤矿安全高效生产,运用大数据分析方法和云计算技术,结合该煤矿特殊地质条件和复杂开采手段,搭建了集成微震、地音、矿山压力等多种监测手段的冲击地压预警平台,从“时间—空间—强度”三个维度建立多系统多参量监测预警指标体系,构建冲击地压危险综合预警模型。该平台实现了对监测矿井冲击危险的“全天候”、“全方位”的实时动态感知,主要功能包括:能够实时采集各监测系统的数据并完成前兆信息特征提取;展示各单系统预警指标及其临界值,并实现单系统单一指标预警到多系统融合预警的转变;可一键生成报表,实时查看设备状态,节省大量人力、物力。该平台已在乌东煤矿应用,实现矿井的分区分级预警,有效提高了冲击地压监测预警的准确性和可靠性,指导现场冲击地压防治工作,辅助科学决策。

近直立特厚煤层上覆煤柱下巷道掘进冲击地压防治实践研究

以近直立特厚煤层终采线煤柱下掘进过程中遇到冲击地压问题为工程背景,通过数值模拟、理论分析和现场实践的方法,研究了保护煤柱下方掘进面开采过程中冲击危险程度的变化,提出了相应的防治手段和检验措施。研究发现,巷道掘进影响了终采线煤柱区域应力分布状态,增加了终采线煤柱区域应力集中范围及冲击危险性;掘进工作面经过煤柱边缘应力集中区时,前方应力峰值较大,围岩冲击危险性较高。根据PDCA管理模式提出了理论分析→实施解危→效果验证→掘进实践→优化调整→效果验证的双循模式管控,通过实施迎头密集大孔径卸压孔和全方位高压注水软化等系统性防治工程,并采用微震、地音、电磁辐射等技术进行效果验证,实现了掘进工作面安全通过煤柱影响区域,为矿井冲击地压防治提供了参考和借鉴。

近直立特厚煤层应力演化规律研究

为了及时准确的识别工作面走向和倾向应力集中区,进行设计合理的卸压参数和防护措施,降低近直立煤层冲击地压动力灾害的破坏性,采用应力在线监测系统对工作面超前区域的应力演化过程进行连续监测,研究近直立特厚煤层应力演化规律。研究表明:近直立特厚煤层走向方向超前支承压力影响范围为超前综采工作面5~20m,倾向方向应力集中峰值区距巷道壁6~13m;依据获得的应力演化规律,针对影响范围和峰值区采用了煤体卸压爆破和煤层注水方法开展了现场防冲工程实践,卸压工程实施后经检验,煤体应力集中程度明显减小,巷道变形量也得到了有效控制,研究结果起到了较好的指导意义。

近直立煤层群水平分段开采应力分布与演化特征

为揭示近直立煤层群水平分段综放开采条件下围岩应力分布与动态演化特征,以乌东煤矿南采区B1+2和B3+6工作面为工程背景,采用理论分析、数值模拟等方法,对同水平两工作面交替开采的应力分布与动态演化特征开展了研究。结果表明:随开采深度增加,整体上两工作面煤体支承压力峰值不断增大,峰值点不断下移;煤体应力集中峰值呈"锯齿状"波动增长,应力峰值点下移距离呈"阶梯状"增长,B3+6工作面优先开采对B1+2煤体起到卸压作用,降低了其应力集中峰值,B3+6煤体应力峰值始终大于B1+2煤体,应力峰值位置始终低于B1+2煤体应力峰值位置;函数拟合得出了应力集中峰值与应力峰值位置与2个工作面开采深度的线性相关关系式;提出了随开采深度增加冲击地压防治方案优化思路。

近直立煤层地表垮冒与工作面微震活动关系

为研究近直立煤层地表垮冒与井下围岩活动关系,采用理论分析、现场观测等方法,建立力学模型研究了煤层覆岩三铰拱结构跨长与拱高的关系,通过微震监测研究了地表垮冒滞后距离、围岩活动强度及工作面冲击危险规律,揭示了地表垮冒与工作面微震活动关系。结果表明:随着开采深度的增加,残留煤矸的高度不断增大易形成稳定的拱结构,导致顶板难垮;地面垮冒距离越大围岩活动强度越剧烈,围岩能量积聚与地表垮冒距离呈正相关性;地表垮冒滞后距离小于15 m时,微震监测数据相对平稳,工作面区域无明显应力集中现象,超过25 m时,微震事件能量较前期呈现明显上升。特殊区域结构条件下,地表滞后垮冒距离过大时,工作面出现明显应力集中现象、围岩活动具有不稳定性,工作面冲击危险性越大。

近直立特厚煤层分段综放开采巷道布置研究

为优化近直立特厚煤层综放分段开采巷道布置,以乌东煤矿南采区近直立煤层开采工程为例,运用理论分析、数值模拟等方法,研究全煤巷道和半煤岩巷道围岩应力和位移分布特征及巷道稳定性。顶板侧巷道围岩应力集中程度明显高于底板侧巷道;布置全煤巷道时,巷道变形程度较大而应力集中程度较低,影响巷道稳定主导因素为围岩变形;布置半煤岩巷道时,巷道变形程度较小而应力集中程度较高,影响巷道稳定主导因素为围岩应力。研究结果表明:综合考虑巷道围岩变形大小、应力集中程度和围岩稳定性控制等因素,近直立特厚煤层应采用不留煤皮的全煤巷道。

近直立特厚煤层应力调控防冲方法及机制

近直立特厚煤层的地质与开采条件与一般煤层差异较大,冲击地压防治形势严峻.本文综合采用理论分析、数值模拟、现场监测等方法,研究了近直立特厚煤层动静载力源分布特征,提出了应力调控防冲方法,揭示了其防冲机制,并进行了工程应用.结果表明:近直立特厚煤层主要受水平构造应力作用,水平应力通过工作面两侧的顶底板岩层传递至煤层中,并在巷道上下方形成静载集中区;近直立特厚煤层顶底板岩层难以发生破断,然而顶底板岩层破裂释放能量可形成强动载扰动;动载扰动作用于巷道上下方静载集中区并与集中静载叠加可诱发冲击地压.据此,提出了弱化工作面两侧顶底板岩层和下方煤体的应力调控防冲方法,其防冲机制为:弱化顶底板一方面可弱化岩体传递水平应力的能力进而降低巷道上下方的静载集中,另一方面可降低岩体静载集中进而减弱岩体破裂导致的动载强度;弱化煤体可进一步降低巷道下方静载集中并将静载集中区向深部转移.对近直立特厚煤层现场实施的防冲措施进行了优化设计并确定了关键参数,应用表明,工作面高能级微震事件减少了143~178起、微震事件总能量降幅达90%,未发生冲击显现,工作面冲击危险性显著降低,证实了方法的有效性.研究成果可为近直立特厚煤层冲击地压防治提供支撑.