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。

异形煤柱条件下工作面采动冲击地压机制研究

亭南煤矿4号煤经鉴定和评价均具有强冲击危险,针对回采时受超前应力、“工作面见方”大采空区连空、巷道群等因素影响,冲击风险高、治理难度大的难题,通过开展强冲击煤层、异形煤柱条件下工作面冲击地压治理技术研究,借助断裂力学、损伤力学、突变理论及时效损伤模型,建立坚硬顶板条件下上述各种煤柱动静载叠加失稳力学模型,分析采动影响下坚硬顶板破断失稳对异形煤柱动力失稳的扰动效应,分区域、分阶梯、分等级制定有针对性的治理措施,降低冲击地压发生风险和不断优化卸压方案,提高卸压效果,保证工作面安全回采。

煤岩冲击前兆微震频谱演变规律的试验与实证研究

冲击矿压造成煤矿巷道及开采空间的破坏,其主要原因是冲击震源产生的振动波传递并扰动处于极限应力状态的煤岩体而诱发能量的突然释放。微震监测技术通过反映煤岩体变形破裂释放的能量以及频谱特征而实现冲击矿压的监测预报,其前兆信息研究是识别冲击矿压危险程度的关键。利用TDS–6微震采集系统测试三河尖煤矿组合煤岩试样变形破裂直至冲击破坏全过程的微震信号,发现在循环加载的后期,冲击前兆微震信号的低频成分增加,频谱向低频段移动,振幅较低,而试样冲击破坏诱发主震信号的高频成分增多,且振幅达到最大值。现场冲击矿压监测表明,前兆微震信号频谱中低频成分增加,且振幅开始逐渐上升。当冲击矿压发生时,主震信号的振幅达到最大值,频谱相对于前兆信号而言,高频成分明显增多。由此,微震信号的频谱向低频段移动,且振幅逐渐增加可以作为冲击矿压发生的一个前兆信息。这一结论对于利用微震监测系统监测预报冲击矿压具有一定的借鉴意义。

顶板岩层破断诱发矿震的频谱特征

揭示顶板破断过程中的微震活动规律,采用频谱演变来评价顶板动力危害的强度,并进一步监测顶板的破断。采用SOS微震监测系统,针对坚硬以及软弱顶板破断来压的过程进行了实测,取得如下结论:(1)顶板破断之前,低频段微震幅值逐渐增加,来压时信号的幅值达到最大值,之后产生突降。同时微震前兆信号主频与来压强度呈负相关。(2)软弱顶板破断之前,微震信号主频开始向低频段移动,但前兆主频均大于20Hz,来压之后主频又开始向高频段移动。(3)坚硬顶板破断过程极其短暂,主震信号幅值较高,但主频小于5Hz,来压前后低频微震信号的幅值较低,前兆效应不明显。利用上述规律,可以对顶板破断的过程及其强度进行有效的评价和预测。

坚硬顶板诱发煤体冲击破坏的微震效应

利用TDS-6微震采集系统测试了忻州窑煤矿组合煤岩试样变形破裂直至冲击破坏过程中的微震信号,特别是冲击破坏前后微震频谱的变化规律.采用SOS微震监测系统,对忻州窑煤矿8929工作面冲击矿压的微震活动规律进行了监测,结果表明:(1)冲击前兆信号呈现低频特征,随着与主震间隔的时间越短,主频越低.主震信号频谱较宽,但低频(0～50 Hz)成份增加,余震信号呈现高频特性.(2)微震信号的频次、累积能量与主频之间呈负相关关系.尤其当工作面顶板来压以及诱发冲击矿压时,微震信号的主频达到最低值.(3)现场监测表明,冲击前兆微震信号的主频为0～50 Hz,且振幅较低.冲击主震信号频谱较宽,但较低频(0～20 Hz)成份明显增加,同时振幅达到极值.余震信号主频为0～200Hz,呈现高频、低振幅特征.

深部高应力集中区域矿震活动规律研究

研究深部矿区,特别是高应力集中区域的矿震活动规律对于冲击矿压等动力灾害"时间–空间–强度"的监测具有重要的意义。利用三河尖煤矿微震监测系统,分析研究9202高冲击危险工作面开采全过程的矿震活动规律,研究结果表明:(1)矿震活动与区域最大垂直应力梯度具有较强的相关性。区域最大垂直应力梯度越高,矿震信号越强,频谱则明显向低频段移动。(2)不同类型的矿震信号具有相应的波形及频谱特征。如卸压爆破信号呈现宽频谱、多峰值型的高频特征,而冲击矿压前兆信号则呈现出低频、低振幅,主震信号具有相对较高的频率和振幅。(3)矿震强度与电磁辐射幅值以及钻屑量具有很好的对应关系,对于监测冲击危险区域具有较强的一致性。最后,提出降低区域应力集中控制矿震强度的弱化技术,并进行现场实践,取得了预期的效果。

岩体微震监测的频谱分析与信号识别

微震作为预测预报矿井重大动力灾害的一种区域性的监测手段,同时具有谱成分丰富、频带较宽的特性。获得微震异常信号的突变时刻及突变时刻所对应的频率成分,是微震监测中亟待解决的关键问题。本文采用时–频分析技术分析了两种典型微震信号的功率谱和幅频特性,以便从谱特性进行微震信号的辩识。从而为预测预报矿井重大动力灾害提供一条新的途径。

煤样三轴围压钻孔损伤演化冲击实验模拟

采用大试块煤样进行三轴条件下的钻孔损伤冲击试验,研究了其损伤演化过程特别是发生钻孔冲击时的电磁辐射及声发射规律,即电磁辐射信号在钻孔冲击前会产生一个明显的突降,而声发射信号基本上呈现先不断增强、后逐渐减弱的趋势.

煤矿冲击矿压的强度弱化

提出了冲击矿压的强度弱化控制机理.通过深孔卸压爆破来弱化煤岩结构的强度,降低其聚能能力,释放所积聚的大量弹性能,使得煤岩体中所积聚的弹性能达不到最小冲击能;同时利用电磁辐射检验强度弱化治理效果,以达到消除或降低冲击危险的目的.通过在三河尖煤矿9202高冲击危险工作面以及济宁三号煤矿6303冲击危险工作面的现场治理实践,证明了该控制技术的有效性.

深部高应力异常集中区冲击矿压动态防治实践

针对采动煤岩体的应力和储能的"时-空"演化特征,以徐州三河尖煤矿深部高应力异常集中的9202工作面及其轨道巷为试验区,提出了冲击矿压的动态防治技术体系:①分析冲击危险的地质和开采因素,特别是垂直应力梯度的分布规律,进行冲击矿压危险的"时-空"预区划;②针对不同的冲击危险区,制订相应的煤岩体强度弱化参数;③利用微震、电磁辐射以及钻屑法等多参量监测手段及时检验卸压治理的效果,如果检测指标超标,则继续进行卸压解危,直至指标明显突降。防治过程始终遵循"危险监测—卸压解危—效果检验"的动态循环。这一技术目前已在我国多个高冲击危险工作面进行推广应用。

基于能量机理的卸压爆破效果电磁辐射检验法

冲击矿压是一个具有复杂结构和行为特征的开放系统和能量耗散系统,促使这个系统演化的动力是该系统内部和外界环境中的能量流和信息流。根据突变理论,只要煤体中能量的积聚与耗散维持一个动态平衡,则其储存能将始终维持在某一正常水平,煤体中能量积聚与耗散的载体——微缺陷(裂纹、孔洞等)就不会失稳断裂而形成冲击。卸压爆破作为一种有效释放弹性能、降低冲击危险的措施,其效果可以通过电磁辐射来检验。

组合煤岩冲击倾向性演化及声电效应的试验研究

在采掘工作面及巷道中,顶板、煤层、底板共同组成一个力学平衡系统,当这个系统受到采动的影响时,就有可能诱发煤岩体所积聚的弹性能通过弱面结构突然释放,形成冲击矿压灾害。因此,研究不同组合类型的顶板–煤样–底板组合试样的冲击倾向性演化及声电效应规律对于监测、预警冲击矿压灾害及强度弱化治理起到非常重要的指导作用。通过大量组合煤岩试样的冲击倾向性及声电效应的试验研究发现,随着煤样强度、顶板岩样强度及其厚度的增加,组合试样的冲击倾向性随之增强,且电磁辐射与声发射信号强度随着组合试样的强度、顶板岩样的高度比例以及冲击能指数的增加而增强。同时发现试样冲击破坏前,声电信号的强度达到极值,冲击破坏之后,信号强度均产生突降。上述研究成果对于指导现场冲击矿压灾害强度的弱化控制以及卸压解危效果的检验具有重要的意义。

煤岩动力灾害的弱化控制机理及其实践

煤岩动力灾害的实质是能量积聚与耗散的自组织临界过程,当煤岩体中所积聚的弹性能达到其极限冲击能时,就会发生冲击矿压.实验室研究发现,弹脆性煤体是能量积聚与耗散的主体,顶板关键层(坚硬厚层砂岩顶板)的运移则会导致能量积聚与耗散,加速失去动态平衡.以煤岩冲击倾向性与顶板强度及厚度的关系为基础,依据能量积聚与耗散理论,提出了煤岩动力灾害的强度弱化机理,即通过钻孔卸压与深孔卸压爆破来弱化煤岩体的强度,降低煤岩体的聚能能力,释放煤岩体中所积聚的大量弹性能,使得煤岩体中所积聚的弹性能达不到最小冲击能,同时利用电磁辐射监测仪来检验煤岩体强度弱化治理的效果,以达到消除或降低冲击危险的目的.通过在三河尖煤矿9202高冲击危险工作面的生产实践,充分证明了这种技术的有效性.

隧道围岩的损伤与声电监测

采用EAE-04声电测试系统,利用声发射(AE)和电磁辐射(EME)信号上升沿时间和持续时间的关系,排除噪音等影响,从而确定有效信号;采用AE频度和能量率的变化规律,以及EME脉冲数的变化规律,分析隧道围岩的活动性并进行实时监测.实践表明,连续动态监测隧道围岩的活动性就能够确保隧道及其上方建筑物的安全.

褶皱构造对深井采动应力演化的控制规律研究

针对褶皱构造引起的采场应力异常及采场动力灾害问题,采用FLAC3D数值模拟的方法,研究了褶皱区域煤层开采过程中的应力演化规律,分析了褶皱区域不同位置工作面煤岩应力分布特征。研究结果表明:受上覆岩层和水平挤压作用形成的皱褶,背斜与向斜轴部水平应力集中,其中背斜与向斜内弧压应力集中,外弧拉应力集中;在褶皱中回采时,水平应力起主要控制作用,工作面接近背斜轴部时,顶板岩层稳定性逐渐降低,而底板岩层稳定性逐渐升高;工作面在背斜与向斜之间推进时,自背斜轴部仰采推进时煤壁前方应力更低,回采更安全。赵楼煤矿千米埋深的7301工作面在褶皱中推进时,俯采接近向斜轴部时微震日平均能量增大,仰采推进至背斜轴部时发生工作面煤壁片帮,顶板破碎、垮落等现象,现场观测与模拟分析结果较为吻合。研究结果对采场褶皱区安全开采具有一定的指导意义。

电磁辐射检验卸压爆破效果技术

由于煤岩体中积聚大量弹性能诱发冲击矿压,可以采用卸压爆破技术来逐步释放弹性能,使得冲击矿压发生的敏感指标降至临界值以下,从而避免冲击矿压的发生。通过对冲击矿压发生的敏感指标值理论分析和实践都证明,电磁辐射幅值(强度)能够反映煤岩体的应力状态和积聚的弹性能,是一个能够反映冲击矿压发生概率的敏感指标。

冲击矿压诱因—能量积聚与耗散的自组织临界性

针对能量积聚具有耗散结构的自组织性,依据突变理论,只要煤体中能量的积聚与耗散维持一个动态平衡,从而其储存能将始终维持在某一正常水平,从细观损伤、断裂力学的角度来看,煤体中能量积聚与耗散的载体-微缺陷(裂纹、孔洞等)就不会失稳断裂而形成冲击。通过理论研究与现场实测发现煤体中能量的积聚与耗散具有自组织临界性(SOC),因此可以通过煤体中能量的释放率来控制能量的积聚率,并利用电磁辐射强度(幅值)来检验能量释放的效果,使得能量的积聚与耗散维持动态平衡并处于自组织临界值之内,从而实现冲击矿压的动态防治。

煤岩体电磁效应的影响因素

本文从电磁学的角度 ,重点论述了煤岩体在载荷作用下的电磁效应原理 ,并辅助利用 MTS伺服材料实验机及 MISTRAS声发射仪器和 KBD5矿用本安型电磁辐射仪详细分析了不同煤岩体的电磁效应规律及在徐州三河尖煤矿预测预报冲击矿压的应用 ,产生了很好的经济效益和社会效益 。

煤矿冲击矿压强度的弱化控制机理

煤矿冲击矿压的防治是国际岩石力学与工程界的一大难题，主要原因在于缺乏有效的理论指导以及治理效果的综合检验技术。论文以不同组合类型的组合煤岩试样为研究对象，利用Disp-24声电测试系统、TDs-6微震采集系统、FLAC数值模拟软件的Dynamic模块以及理论建模的综合研究方法，研究了组合煤岩试样冲击倾向性的演变规律，揭示了组合煤岩试样冲击破坏过程中的声电以及微震效应，模拟分析了影响组合煤岩体冲击效应的关键因素。结果表明：组合煤岩试样中各组件的力学强度参数、冲击倾向性指数与声电以及微震信号的强度之间呈正相关关系。即组合煤岩体中顶底板以及煤样的强度、顶板的整体性厚度以及矿震的扰动能量对于煤岩体的冲击效应具有显著影响。依据煤岩体变形破坏的冲能原理，建立了冲击矿压强度的弱化控制原理。该原理已经在我国10多个具有冲击危险的矿区进行了应用，取得了预期的效果。

组合煤岩试样的冲击破坏效应及其应用

煤矿冲击矿压的防治是国际岩石力学与工程界的一大世界难题，其主要原因在于缺乏有效的理论指导以及治理效果的综合检验技术。本文以不同类型的组合煤岩试样为研究对象，利用Disp-24声电测试系统测定组合煤岩试样变形破裂直至冲击破坏过程中的声发射、电磁辐射信号，揭示了组合煤岩试样冲击破坏过程中的声电效应。研究结果表明，组合煤岩试样中各组件的力学强度参数、冲击倾向性指数与声电信号的强度之间呈正相关关系，即弱化煤岩体中顶板的强度及其整体性厚度、煤体的强度就能够降低其冲击倾向性。以此，提出了冲击矿压强度的弱化控制机理以及治理效果的综合检验技术。并在徐州三河尖煤矿9202高冲击危险工作面进行了工程实践，取得了预期的效果。