基于“应力场-震动波场”的深部工作面合理终采线位置确定

大量的现场实践表明,深部工作面终采线和下(上)山煤柱区冲击显现频发。受巷道布局影响,此段煤体容易形成"准煤柱",在高静载作用下易于诱发冲击地压,其与回采速度关系不大,主要与高位覆岩结构及支撑围岩的状态有关。以山东曲阜星村煤矿3302工作面"7·26"冲击地压为例,通过理论分析和现场监测数据,构建了基于"应力场-震动波场"联合评价的合理终采线位置确定的方法。首先,基于掘进期间揭露的静态地质资料计算分析工作面超前应力场分布规律,对工作面终采线附近的冲击危险性进行静态评价。根据工作面采空区上覆主关键层破断与否,将其顶板结构划分为全空间OX结构和半空间OX结构。通过理论分析2种顶板结构的应力传递机制,建立了工作面超前支承压力估算模型,提出了超前支承压力估算方法。其次,根据微震和应力在线监测系统对工作面回采期间的矿震和应力动态信息进行监测,基于震动场监测识别应力异常区域,进而动态的确定工作面终采线位置。钻孔应力监测通过工作面推进过程中应力的变化,推断超前支承压力的影响范围;微震监测对于终采线位置的确定,主要考虑回采时引起的各能量级震动的超前范围;震动波CT反演技术建立以波速异常系数An和波速梯度异常系数VG为主要因子的冲击地压危险评估模型,根据波速分区特征确定工作面的超前支承压力带。采用本文提出的静态估算模型及动态评估方法,对3302工作面终采线位置进行了优化。结合理论分析(255 m)、应力在线监测(200 m)、微震监测(262 m)和震动波CT反演(220~250 m)结果,最终可确定3302工作面终采线保护煤柱宽度应不小于262 m。

基于声发射特征的含水煤体钻屑法临界指标优化试验研究

蒙陕部分冲击地压矿井由于受到洛河组砂岩含水层的影响,煤层含水率过高钻屑煤粉泥化成团导致钻屑量始终不超标,钻屑法结果存在误差甚至失效,影响现场冲击地压危险的监测预警。基于此,以不同含水率煤体为研究对象,开展不同应力加载水平下的三轴加卸载钻进试验,探究含水率0、1.7%、3.7%和5.6%煤体钻进过程中声发射(AE)及其损伤空间特征,获取计算理论钻屑量数值的方法,通过理论与试验称量钻屑质量比确定煤体在不同含水条件下钻屑法临界指标。结果表明:(1)随应力水平和含水率增高,声发射事件呈现钻孔中心向周围扩散的现象,破坏趋势由剪切部分破坏向剪切整体破坏转变;(2)载荷水平和含水率对由声发射事件空间分布确立的损伤椭球体(DE)体积影响较大,损伤椭球体与声发射事件空间分布特征具有一致性,计算得出的损伤椭球体质量为含水煤体受到应力及钻杆切削作用的主要损伤空间质量M;(3)通过分析理论与试验称量钻屑质量整体变化趋势,发现含水煤体受到水的弱化作用后理论钻屑量有所增加,但相较于水的弱化作用,水的黏结占主导作用,导致现场收集的钻屑量偏小;(4)依据理论与试验称量钻屑质量比值得出不同含水率煤体的钻屑法修正系数H,当含水率为0~1.7%、1.7%~3.7%和3.7%~5.6%时,H分别取值1.00、2.32和4.05,当含水率大于5.6%时,钻屑法失效。

富水冲击地压煤层区段煤柱等效宽度研究

受采空区积水浸泡影响,工作面区段煤柱承载能力降低,不利于灾害防治。为研究富水煤层区段煤柱的等效宽度,以某矿4^(-2)302工作面为例,采用理论计算、数值模拟及工程实践等方法,分析了浸水与自然含水条件下区段煤柱的应力分布特征及其演化规律。理论计算结果表明:相较于浸水条件,自然含水煤柱宽度减少了5.66 m,塑性区宽度减少了2.69 m,弹性核区宽度减少了3.53 m。通过数值模拟对比分析36 m浸水和26、28、30、32 m未浸水煤柱应力峰值和范围,发现30 m未浸水煤柱和36 m浸水煤柱应力分布曲线类似。

工作面采前冲击危险性预评估

随着开采深度和强度的增加,冲击地压灾害愈发严重,严重制约井下的安全高效生产和人员安全,因此如何进行有效地采前冲击危险区域的预评价显得尤为重要。首先,基于现场典型冲击地压案例分析,总结归纳了影响工作面冲击危险的主要地质和开采技术因素,并给出了相关影响因素的重要程度排序。其次,合理确定了工作面采前冲击危险的预评估指标,进而构建了工作面采前冲击危险的三级预评估体系。最后基于层次分析法(AHP),计算得出各预评估指标的权重,建立了工作面采前冲击危险综合评估模型。采用文中提出的冲击危险预评估模型,对崔木煤矿21309工作面进行了采前冲击危险性评估,为现场实践提供理论依据。

拟建建筑物下方多煤层采空区的分析与治理

以晋能控股煤业集团马脊梁矿为背景,研究地表拟建建筑物下方存在多煤层采空区的采空区治理问题。对该矿区不同煤层采空区煤柱及覆岩破坏情况进行稳定性分析,对建筑物载荷影响深度进行计算,分析拟建建筑物影响的采空区范围,确定了地面建筑物的治理类别、治理范围。最终提出采用地面注浆,针对不同埋深采空区采用不同注浆量的方案,通过注浆充填多层采空区,提高采空区煤岩层稳定性,确保地面建筑物的安全修建和使用。该研究对多煤层采空区上方地表拟建建筑物的修建及稳定性提供了分析方法和相应治理方案。

被保护层首采工作面的错峰减压布置研究

被保护层首采工作面布置的合理性对于保护层的防冲效果至关重要。以葫芦素矿井2-2中煤首采工作面为背景,通过理论分析和现场实测,构建了上保护层开采后的煤体应力分布力学模型,将被保护层首采工作面的布置问题转化为水平错距L的合理取值问题,进而基于半无限平面体内的应力传递理论,推导了被保护层煤体内的垂直应力分布规律并对其进行数值模拟求解。求解得:当L=50~75 m时,巷道掘进最有利;当L=80~140 m时,回采扰动对两巷影响最小;当L=40~100 m时,遗留煤柱对工作面回采影响最小。通过AHP评价方法,求解了3组相悖的判别条件权重值及不同L值下的峰值应力加权值,结果表明:L=60 m时,被保护层首采工作面整体应力水平最低。研究结果可为邻近矿井被保护层工作面的布置提供参考。

应力波扰动作用下断层滑移失稳的数值反演

断层滑移失稳是诱发煤矿冲击地压的主要因素之一。为探究应力波扰动作用下断层围岩系统的受力状态和动力学响应,利用数值模拟计算比较了应力波扰动作用下的断层面位移场、应力场和速度场的动力学响应规律。结果表明:应力波扰动作用下断层滑移的动力学响应对不同的开采影响因素具有不同的敏感性,断层带上的正应力和剪应力分布受采深、应力波强度和工作面回采进度等影响较大。受断层倾角影响,断层带上垂直应力和垂直速度峰值变化较大,断层隔震效应显著。结合数值模拟结果,从降低高静载应力集中和弱化高动载两方面提出针对断层冲击地压的治理措施,现场实践表明,断层附近实施顶板预裂爆破卸压措施可有效降低断层冲击地压灾害。研究结果为类似条件下的断层冲击地压治理提供借鉴和理论指导。

富水条件下冲击煤体钻屑法试验研究

陕西彬长、永陇矿区冲击煤体在洛河组砂岩含水层影响下,钻屑泥化成团使得钻屑量指标难以清晰反映煤体应力状态,导致钻屑法失效,影响矿井冲击地压危险的有效监测预警。采用自主研制三轴加卸载钻进平台,以自然及含水状态煤体为研究对象,开展不同应力水平下冲击煤体钻进试验,探究富水条件下煤样钻进过程力学响应、钻孔效应及应力能量演化规律和损伤破坏模式。试验结果表明:(1)随着含水率增加,煤体损伤破裂模式由微观结构间的“点状”摩擦损伤向软弱结构面的层间滑移、错动、摩擦转变,宏观层面表现为试样水平及垂直方向裂纹数目增加。(2)冲击煤体动力响应频次与含水率成正相关,含水煤体弹性能储存能力相较于自然煤体有所下降,动力事件孕育过程缩短,频次增加但单次能量释放量级有所降低。(3)自然煤体孔洞结构在应力作用下,损伤分为“移进集中”、“起裂”、“裂纹贯穿”三个阶段,随着含水率增加,试样仅表现出前两阶段特征。(4)钻孔变形损伤范围与含水率成正相关,当含水率分别为1.4%,2.3%,3.7%时,试样沿孔心损伤半径为钻进半径的2.03,2.98,3.36倍。试验结果可为富水条件下冲击煤体钻屑量指标修正及灾害防治提供参考。