底板岩层冲击倾向性分类及指数测定方法

底板型冲击是冲击地压灾害的显现方式之一,明确底板内在冲击属性可以更好地评估底板型冲击危险性,指导底板型冲击地压灾害防治。在参照顶板岩层冲击倾向性分类及指数测定方法基础上,通过简化简支梁受力模型,借助小变形位移相等、岩梁长度相等方法,将底板岩层受力作用等效为均布载荷,基于薄板理论推导临界应力表达式,确定底板主控岩层位置和弯曲变形岩层层数,计算底板岩层弯曲能量指数,判断底板岩冲击倾向性,基于此建立底板岩层冲击倾向性分类和鉴定流程;以义马矿区跃进煤矿为例对该方法进行了验证,应用结果表明跃进煤矿2-1煤底板岩层的冲击倾向性由弱变强,更符合结合现场实际情况,证明了该方法的合理性和可行性。

四体构件真三轴数值试验底板冲击失稳研究

针对深部地下工程底板冲击失稳的相关特点,提出了采用四体构件模拟煤岩体结构,运用FLAC3D数值软件模拟试件真三轴压缩过程,通过不同中间主应力系数和卸载路径模拟深部开采环境,从构造应力和能量角度出发,分析了深部开采底板冲击相关特点。结果表明:当从最小主应力方向卸载时,卸载后到底板冲击发生所经历的时间较卸载中间主应力时长;不同的卸载方向导致底板冲击所经历的时间步与中间主应力系数呈指数关系,当卸载最小主应力时,煤层开采到发生冲击所经历的时间步与中间主应力系数成指数关系上升,而卸载中间主应力时反之;发生冲击的岩体经历了脆—延—脆—塑的转化过程。

煤层硬度与厚度对冲击矿压影响的数值模拟

在坚硬顶板和底板的“两硬”条件下,对不同煤层厚度和硬度对煤岩体中的垂直应力分布的影响,也即反映了对煤岩体中发生冲击矿压危险性的影响进行了模拟.通过组合煤岩试样的试验结果验证了数值模拟的正确性,根据煤岩体相互作用的理论分析了其原因.在“两硬”条件下,煤层厚度与硬度的变化对煤体中的应力分布有着很大的影响,从而对煤岩体系统中冲击矿压的发生有着很大的影响.随着煤层厚度的减小,在煤岩体中产生的应力集中将增大;随着煤层硬度的增加,煤岩体中的最大垂直应力也将增大,从而也增加了冲击危险性.

急倾斜厚煤层中分层开采冲击地压发生机理及防治技术

针对东峡煤矿急倾斜厚煤层分层开采的中分层冲击地压频发问题,采用立体分布的微震监测台网,通过震源空间精准定位方法确定了矿震震源集中于底板岩巷和其分布趋势线与最大水平应力方向垂直的规律,确定中分层冲击地压是由上分层开采引发最小主应力(竖向)减小使强构造应力下底板岩石达到莫尔剪切破坏极限状态引发,进而提出了针对底板岩石的爆破防冲措施。工程实践结果表明:定期采用合理的底板爆破药量,可有效降低震动频次和能量,避免冲击地压的发生。

半孤岛面全煤巷道底板冲击启动原理分析

采用案例分析与理论分析,提出了冲击地压启动概念,指出冲击地压发生依次经历冲击启动—冲击能量传递—冲击地压显现3个阶段,将冲击地压防治研究着眼点提前到冲击启动阶段;建立了巷道冲击地压发生工程结构模型,揭示了全煤巷道底板冲击启动实质来自于两帮高集中应力区,底板只是能量传递与释放的载体,即冲击地压显现位置。进一步提出了冲击地压发生的冲击启动理论,指出巷道围岩近场系统内静载荷的过度积聚是冲击启动的内因,系统外动载源是外因,确定了冲击启动的能量判据,指出了冲击地压可能的启动区域。

近距离煤层煤巷掘进底板防突岩柱厚度数值分析

以平煤股份五矿己-1532020掘进工作面为研究对象,针对该掘进工作面处于近距离煤层上保护层内、掘进巷道底板与被保护层的间距过小、掘进过程中可能发生下部突出煤层冲破底板岩柱而导致煤与瓦斯突出的情况,运用FLAC3D对底板防突岩柱厚度进行模拟研究,结果表明,在围岩均质完整情况下,煤巷掘进的最小预留防突岩柱厚度不应小于2.5 m,结合现场实际,安全岩柱厚度应不小于3 m。

煤巷底板防冲钻孔释能解危原理及参数优化

我国西北的华亭与彬长等矿区受水平构造应力影响严重,底板冲击地压显现剧烈。卸压钻孔是我国应用最为广泛的冲击地压防治解危措施,其具有解危效果良好、方便安全等特点,科学合理地制定卸压钻孔参数可有效提高防冲效率,但目前针对底板卸压钻孔的研究还相对匮乏。为此,基于底板破坏的力学模型,研究了底板钻孔的释能解危原理,建立FLAC^(3D)数值模型研究了不同钻孔参数的合理取值范围,并进行现场工业性应用论证。研究结果表明:①卸压钻孔可为底板弹性能缓慢释放提供自由空间,组成的“梯形”结构使煤层底板集中水平应力向深部岩层转移,破坏底板的蓄能条件,有效释放底板中的弹性能。②底板中的水平应力降低程度与钻孔倾角近似呈正相关,实施底板卸压钻孔倾角控制在60°~75°,可以取得较好的底板卸压解危效果;钻孔间距的合理取值范围在1~3 m,对整个底板的冲击地压防控可以起到理想效果;随着钻孔直径的增大,底板中心区域的应力降低程度随之增大,现场实施钻孔直径应在140~200 mm;理想钻孔排距布置应为1.4~1.8 m,并非越小越优。③研究成果应用于彬长矿区某矿,并对煤层底板防冲效能进行验证,其有效控制了底鼓程度和冲击危险强度,验证了底板解危防冲措施的有效性和钻孔参数的合理性。

巷道底煤厚度对矿震诱发底鼓冲击研究

基于FLAC2D数值模拟软件分析巷道底煤厚度对矿震诱发底鼓冲击的动态响应规律。结果表明:随着底煤厚度的增加,动力扰动下巷道底板水平应力峰值先升高后降低并逐渐向底板深处转移,底板垂直位移峰值、塑性区深度及最大能量密度均呈非线性增加,且增加趋势越来越弱,并趋于稳定;动力扰动下特厚煤层巷道极易发生底鼓冲击动力灾害,动力效应明显;现场矿震演化规律分析验证数值模拟结论的合理性。研究成果可为特厚煤层巷道底冲击矿压防治提供借鉴。

底煤厚度对巷道底板冲击地压的影响机制及其应用分析

为研究底煤厚度对巷道底板冲击地压的影响机制,以厚度为3 m以下的薄及中厚底煤为分析对象,基于掘进巷道底板冲击特征并采用理论分析,建立底板煤岩层叠体梁挠曲破坏力学模型,底板煤岩层挠曲变形曲线具有同步异幅的发展特性。公式计算表明,随着底煤厚度的增加,底煤积聚弹性能逐渐增加,增加梯度逐渐平缓,其与底煤厚度的4次方倒数具有负相关关系。通过FLAC3D数值模拟开展底板煤岩主应力、塑性区及弹性能分析,结果表明,巷道底板岩层是主要的冲击动力能贮存体,而底煤是主要的动力释放显现体;底煤通过影响底板潜在冲击启动区、潜在冲击能量传递区、潜在冲击地压显现区的范围、贮存能量以及3者之间的依存位置,进而影响底板煤岩层之间的能量储存与传递机制,从而影响底板冲击地压的形成过程。底煤相对于底板岩层具有较弱的弹性能储存能力,底煤厚度是影响底煤储存弹性能量的关键因素,底煤厚度通过影响底煤与底板岩层之间的弹性能量传递能力从而影响底板冲击危险性。随着底煤厚度的增加,底板冲击危险性逐渐增加,增加梯度逐渐降低;当底煤厚度增加到2 m时,底煤厚度的再增加对底板冲击危险性无明显叠加影响,呈现出底煤厚度对底板冲击危险性影响的阈值效应。留底煤底板卸压时,应针对底板岩层采取解危措施,阻断应力传递路径,减小底板能量积聚,从而降低底板冲击危险性。研究成果在现场进行了应用分析,通过钻屑法监测显示解危效果良好。

开采上保护层对巨厚砾岩诱发冲击矿压的减冲机制分析

为研究开采上保护层对巨厚砾岩断裂诱发冲击的防治作用,根据跃进煤矿25采区的地质条件和采掘条件,将25110工作面下巷作为研究对象,从理论上分析了动静载叠加诱发冲击矿压的机制以及开采上保护层后的防冲原理,数值模拟研究了未开采上保护时和开采上保护层后在同等强度的动载扰动应力的影响下巷道底板的位移、速度、应力以及塑性区的变化规律,进行相似模拟试验研究了人工震源的作用下未开采上保护时和开采上保护层后巷道底板的加速度和动应力响应规律。结果表明,上保护层开采后能够有效地释放围岩内部的高应力,且采空区顶板自然垮落,形成的软弱松散岩层结构,能够更好地起到对动载扰动应力波的衰减作用,从而降低了冲击矿压发生的可能,一定程度上能够较好地防治冲击矿压。研究成果对巨厚砾岩下冲击矿压的防治具有一定指导意义。

高压水射流钻割一体化防冲机理分析及其数值模拟研究

为了研究高压水射流钻割一体化技术对煤层巷道的卸压防冲效果,以甘肃华亭砚北煤矿2502采区工程地质条件为背景,采用理论分析、数值模拟和现场工业性试验相结合的研究方法,对250203运输巷道受邻近250204工作面回采扰动影响进行了研究。结果表明:对巷帮煤体采取高压水射流冲孔措施后,煤体内的高集中静载将会转移和释放,并形成一定范围的“弱结构”区;巷帮“弱结构”区的存在能够有效降低动静载叠加作用下巷道帮部和底板煤体瞬间失稳冲击破坏。SOS微震系统监测结果表明,对250203运输巷道煤帮实施高压水射流冲孔措施后,其受邻近250204工作面回采扰动影响下冲孔段巷道两帮及底板内均没有大能量微震事件(E≥10^3 J)发生。研究成果为动静载叠加作用下巷道冲击地压防治提供了理论基础。

伊犁四矿薄基软岩地层工作面冲击地压原因分析

基于冲击地压理论研究和现场实践,根据伊犁四矿矿井延深工程所引起的下山大巷矿震现象,对该矿二水平延深工程薄基软岩地层回采工作面发生冲击地压的原因进行了分析,提出了以分析矿井地质采矿条件为前提、以岩石物理力学性质测定为方法、以冲击地压诱因为依据、根据井上井下影响情况为表征的薄基软岩地层工作面发生冲击地压可能性理论。结合该矿地层情况及煤层所在地层的岩性,对矿井+660 m水平岩石含水率、煤层及顶板单轴抗压强度进行了测定,并收集记录煤岩样各类物理力学参数,同时对岩石性质进行了分析。结合几种引起冲击地压的常见理论及考虑引起冲击地压的主要因素,分析了该矿回采工作面实际冒落、采动应力及地面沉降情况,最后深刻剖析了该矿延深下山大巷矿震的原因。研究结果表明:伊犁四矿+350 m水平延深巷道原岩应力较小,且岩石含水率比重较小,属于地质软岩范畴,不存在巨厚坚硬顶板,煤层赋存条件好,+350 m水平以上工程地质简单,不存在大的地质构造。采动后软弱岩层随采随冒,不会形成大面积悬顶,使采动应力及时释放。+350 m水平延深巷道虽矿震频繁,但是矿震能量较小,属于微震现象,不会发生灾害事故。需加强巷道质量控制,控制巷道成型,尽量使巷道受力均匀,巷道开挖对表面岩石影响较大,但利于回采,+350 m水平原岩应力较小,工作面软岩顶板易垮落,应力释放及时,矿井现开采的+350 m水平以上,存在冲击地压的可能性基本不存在。

鄂尔多斯地区抗冲击大阻力巷道超前支架选型研究

为解决鄂尔多斯地区冲击地压矿井综采工作面回风(受二次采动影响)巷道因冲击地压造成巷道底鼓、帮鼓的现象,设计出了一种抗冲击超前液压支架。运用理论计算和实测结果的分析,结合巷道实际情况,确定了支架主要技术参数。通过对实际现场使用观察,抗冲击超前液压支架能够有效解决巷道底鼓、帮鼓现象,降低安全事故发生率,保护了作业人员及设备的安全,为巷道超前支护提供了一种新型技术参考。

深井火成岩侵入工作面冲击矿压防治

基于赵楼煤矿1302工作面运输巷火成岩侵入区二次底板型冲击矿压的分析,指出较高的原岩应力和底板火成岩与围岩变形不协调,使得火成岩区产生应力集中和弹性能量积聚,火成岩突然断裂导致能量突然大量释放是底板冲击的根源。通过煤体卸压爆破、底板预裂爆破可减小火成岩两翼的应力和火成岩中部所受的弯矩,可有效改变火成岩的受力状态和能量释放速率,达到控制底板冲击矿压发生的目的。

爆破卸压关键参数对冲击危险性变化趋势的影响规律

从无限煤岩体内爆破后的静态效果角度研究了爆破卸压对冲击危险性变化趋势的影响规律。利用数值模拟手段,重点分析了保护带宽度b和炮孔俯角θ对巷道冲击危险性变化趋势的影响规律。结果表明,b值的合理范围应使卸压侧巷帮呈现小"内峰"、大"外峰"的应力分布状态,其他取值均不利于巷道冲击危险性的降低。爆破孔的俯角θ决定着帮部和底板的卸压效果消长关系。

真三轴条件下煤岩体冲击破坏的能量演化特征分析

为进一步揭示煤岩体冲击动力学特性与能量演化之间的内在联系,采用真三轴试验系统对不同煤样厚度比例的煤岩体试样开展加卸载试验,通过积分计算求得试样在外力加卸载变形直至失稳破坏过程中所吸收的能量值,对比分析各试样在试验过程中不同阶段、不同方向的能量演化特征,并结合其失稳破坏时的强度特征与破坏裂纹特征,分析能量演化规律。结果表明:①随着煤样厚度比例的增加,试样失稳破坏时累计吸收的能量呈现先增加后降低的上凸抛物线特征,与试样破坏裂纹特征演化特征有正相关关系,说明煤岩体累计吸收能量大小与其失稳破坏所呈现的动力学特征为正相关关系;②随着煤样厚度比例的增加,试样强度逐渐下降,与试样累计吸收能量演化规律并无明显的正相关关系。因此通过能量分析并研究其调整规律相比分析破坏强度可以更好地揭示煤岩体破坏失稳本质;③在不同煤岩体介质属性条件下,原岩应力所导致的能量积聚和后期外力扰动所导致的能量增量均可以成为其冲击破坏的主导原因。进一步印证,一定条件下高静载荷和动静载荷叠加均可诱发冲击地压;④外力加载是能量吸收的本质来源,而某单一方向能量吸收还与结构面、其余方向外力卸载相关。因此抑制能量积聚的根本方法是卸载外力,同时还需考虑煤岩体结构与其他方向外力变化所引起的联动效应。研究成果对于探究煤岩体冲击力学特性具有一定的理论意义,并可为冲击地压防控提供理论及技术支撑。

遗留煤柱扰动下服务巷道变形破坏机理及防冲技术

针对大面积遗留煤柱下伏煤层开采时出现的应力集中、巷道围岩变形、冲击破坏及支护困难等问题,采用理论分析和数值模拟对河北某矿上覆5煤层遗留煤柱扰动下8、9煤层应力分布规律及下伏巷道开挖稳定性进行了对比分析。研究表明:遗留煤柱承载上覆载荷后应力根据煤柱宽度由中部向两侧依次呈现出“双峰形”、“马鞍形”、“梯形”及“单峰形”分布形态,且在不规则部分应力集中程度更高,对底板煤层的扰动范围影响较大;遗留煤柱应力峰值最大值52MPa,应力传递至下伏煤层达到44 MPa,为原始应力的2.2倍,服务巷道开挖后应力为37 MPa,是原始应力1.8倍,增加了巷道围岩破坏程度和冲击地压危险性。通过加强支护和巷道围岩卸压等方式对遗留煤柱下伏服务巷道进行围岩控制,以保证残留煤柱内服务巷道的安全稳定运行。

复合爆破卸压技术在煤矿防治冲击地压中的应用研究

采用多种爆破卸压解危技术的复合应用,对冲击地压矿井的冲击危险区域实施立体卸压爆破技术进行解危,从而使巷道高应力得以合理释放或向深部转移,达到降低冲击发生的可能性或有条件的诱发冲击地压的目的,降低了巷道局部高应力集中和微震事件发生的频率,为矿井安全生产提供了技术保障。

构造应力下坚硬底板冲击地压机理分析

在存在向斜地质构造的区域进行煤炭开采,水平构造应力往往远超过垂直应力,并对底板型冲击地压的发生起着至关重要的作用。坚硬底板由于其强度高,抗变形能力强,易于积聚大量的弹性弯曲变形能。构造应力的作用为冲击地压的发生提供了必要的力源条件,而坚硬底板的存在则保证了大量弹性变形能的储存,二者的结合促使发生底鼓型冲击地压。

褶曲向斜构造区巷道底板失稳冲击机理与防治技术研究

针对余吾矿N2105工作面回采至褶曲向斜构造区时,超前工作面煤壁一定范围内的进风平巷内出现严重的底鼓变形破坏,发生了两次底板冲击地压事故,采用现场调研、理论分析、数值模拟、微震监测、井下试验等方法观测矿压,对向斜构造区底板失稳破坏机制与控制对策进行研究。研究结果表明:褶曲向斜构造区侧压系数λ在1.56~2.18之间,属于强构造应力区;当侧压系数λ大于1.5后,巷道底板塑性破坏区范围急剧增加,底板煤岩体稳定性恶化;巷帮大孔径卸压能够有效减小动静载组合叠加强度,释放巷道浅部围岩应力集中,对顶底板变形破坏有很好的防治作用。