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。

急倾斜巨厚煤层群难采资源开采的覆岩破断与能量释放规律

针对急倾斜巨厚煤层群难采资源的安全开采问题,采用物理模拟实验与理论分析方法,对急倾斜巨厚煤层群不同开采工艺产生的覆岩变化、破断高度、微震能量等特征进行了分析与对比,推导了急倾斜巨厚煤层坚硬顶板破断积聚能量的理论计算公式,并由不同开采工艺的对比分析结果为急倾斜巨厚煤层群向深开采的方案设计提供思路。研究结果表明:急倾斜巨厚煤层群水平分段综放开采的中间岩柱集中破断形成岩柱与上部煤层顶板的联动效应,容易引发冲击地压等的动力灾害事故;走向长壁开采中区段煤柱的强支撑作用,使得急倾斜巨厚煤层群向深开采过程中覆岩破断高度与范围的增幅较小。通过构建急倾斜巨厚煤层坚硬顶板破断力学模型,推导得出急倾斜巨厚煤层坚硬顶板破断积聚能量计算公式。急倾斜巨厚煤层群采用走向长壁的累计微震能量24.28×10^(5)J,较水平分段开采的累计能量小15.67%。水平分段综放开采过程中,单次开采的平均能量比走向长壁开采较低,且避免了煤柱留设时煤炭资源的浪费。顶板破断的能量不充分释放,容易造成其下次破断能量释放的峰值效应,且中间岩柱大范围集中破断容易对矿井的安全生产带来挑战。基于节约矿井资源的同时又能避免大范围覆岩集中破断的理念,建议在原有水平分段综放开采与顶板弱化调控基础上,增加对顶板与中间岩柱的弱化程度,避免岩柱大范围集中破断带来的矿井安全生产问题。研究结果为急倾斜煤层复杂条件矿井资源的有效利用与安全开采提供了参考。

急倾斜巨厚煤层矿震诱冲机制及时-空特征

针对急倾斜巨厚煤层赋存环境复杂,开采过程矿震频发,冲击危险性高的问题,通过构建岩柱力学模型及数值模型、统计分析现场矿震事件,掌握急倾斜巨厚煤层开采的煤岩灾变规律,形成基于动静载理论的急倾斜巨厚煤层矿震诱冲机制。选取5个微震指标深入分析矿震发生的异常前兆及时间跨度特征,预警冲击危险并把握补强卸压时机;通过微震事件定位掌握矿震发生的空间特征,明确卸压关键区域,基于矿震发生的时空特征提出防冲策略。研究结果表明:急倾斜巨厚煤层岩柱在直立极限长度范围内其弯曲变形效应随采深增大愈加明显,岩柱内部能量积聚随采深增加也愈高,岩柱及煤层内高能量积聚区域受开采扰动发生大尺度破裂产生矿震,形成动载震动波,动静载叠加易诱发冲击;矿震发生前日总能量-频次、A(b)、S均出现低值异常,b、P(b)均出现高值异常,异常跨度即表示矿震孕育过程。矿震发生时日总能量-频次、A(b)、S均快速跃升至高值,b值、P(b)值均快速降低至低值;矿震事件发生前在空间上某区域出现明显的缺震现象,缺震程度越高矿震能量越大,据此可对缺震区域采取补强卸压措施,从源头降低冲击危险性。防冲策略包括对岩柱及煤层充分卸压,弱化冲击源头及路径,加强采场与巷道支护,使其具有一定的抗冲能力。但不能保障开采时没有冲击危险,因此需对开采过程煤岩活动密切监测,识别高能矿震发生的时空异常前兆,以便及时精准的采取补强卸压及支护、撤人等安全防护措施。

基于加卸载响应比的冲击地压矿井急倾斜巨厚煤层推进速度研究

工作面推进速度过快易诱发冲击地压等动力灾害,探讨合理的工作面推进速度已成为冲击地压矿井安全高效开采亟待解决的关键。采用数值模拟、岩石力学试验和现场微震监测等方法,通过研究急倾斜巨厚煤层推进速度影响下工作面前方煤体经历的采动应力路径,分析推进速度采动应力路径下的煤样力学行为特征。完成了采动应力路径下煤样加卸载响应比的变化规律研究与急倾斜巨厚煤层工作面推进速度的合理确定,开展了现场工程实践验证。研究结果表明:急倾斜巨厚煤层工作面推进速度增加使得采动应力峰值增大,同时其采动应力路径的循环加卸载幅度增加,循环次数减小,主要影响区域范围增加,而作用时间减小。不同推进速度应力路径下的煤样强度呈非线性递增趋势,且其递增幅度逐渐增加,煤样破坏程度、声发射累计计数及能量均随应力路径所处推进速度的增加而增大。类比冲击矿压评价指标得到6.4 m/d应力路径下的煤样可视为冲击煤样,同时引入加卸载响应比,提出了基于采动加卸载响应比的冲击地压矿井工作面推进速度合理确定方法,形成了不同推进速度采动应力路径影响的加卸载响应比评价指标,确定了满足+425 m水平工作面的安全高效开采推进速度。现场微震实测结果验证了基于采动加卸载响应比确定工作面推进速度的有效性。

急倾斜深埋巨厚煤层掘巷冲击地压前兆特征及其灾害防治

随着冲击地压矿井逐渐向深开采,其巷道掘进伴随的冲击显现愈发强烈。针对巷道掘进过程中的冲击地压有效防治问题,以新疆乌东煤矿急倾斜煤层矿井为例,运用微震监测对巷道掘进的冲击地压时空前兆特征加以分析。结合巷道掘进的应力与能量变化数值模拟分析,揭示巷道掘进的冲击地压发生机理,提出急倾斜巨厚煤层巷道冲击地压防治策略,并完成现场工程实践验证。研究结果表明:急倾斜巨厚煤层巷道掘进的冲击地压发生前第2~5天出现微震总能量极低值,或存在至少4 d的能量潜伏期;冲击地压发生前5 d普遍存在3 d以上的最大能量占比高频波动期。冲击地压发生前存在明显缺震现象,发生位置集中分布在距离掘进工作面较近的微震能量极小值区间范围内,或位于微震能量极值区间附近的微震频次极小值区间范围内,且冲击地压事件位于冲击变形能指数较高区域。急倾斜巨厚煤层水平分段综放开采的坚硬覆岩结构不易破断,使得巷道掘进存在上水平采空区两侧“双翼型”应力集中,掘进工作面前方与巷道底部受顶底板岩层相互挤压的应力集中分布且能量积聚显著,随着巷道掘进深度增加其应力集中与能量积聚进一步增强,容易诱发冲击地压等动力灾害。综合分析形成急倾斜巨厚煤层巷道掘进的工作面爆破卸压、巷道钻孔卸压与补强支护、复杂区域架蓬的冲击地压防治策略。结合冲击地压时空前兆异常为及时加强卸压力度提供时机。通过工作面与巷道卸压使得掘进期间未发生单日累计1×105 J以上微震能量,在对支护优化调整与复杂区域重点防护后,巷道掘进日均微震能量降至2.2 kJ,其1 kJ以上微震事件占比下降且巷道断面整体平整。研究结果为急倾斜巨厚煤层巷道安全掘进提供了科学依据。

急倾斜巨厚煤层开采深度影响的覆岩能量演化规律研究

针对急倾斜巨厚煤层开采深度影响下的能量变化及传递问题,采用物理模拟实验方法,运用微震监测设备,对开采深度影响的能量分布及其变化特征加以分析,由微震事件聚类分析理清开采深度影响的能量迁移路径,结合数值模拟实验得到开采深度对急倾斜煤岩体弹性能与水平应力的影响规律,掌握向深开采诱使动力灾害发生的能量动态响应特征,形成急倾斜巨厚煤层动力灾害防治理念与策略。研究结果表明:伴随着急倾斜巨厚煤层开采深度的增加,集中区域内峰值能量大小及集中程度明显增加,微震能量、频次、大能量事件的数量与占比明显增大;煤岩弯曲加载蓄能源头主要位于综放面开采水平及其上方2个开采阶段的夹持岩柱范围内,能量主要沿夹持岩柱作为优势路径进行能量传导,且向深开采过程中的震源中心存在由岩柱中部向两端逐渐偏移的变化趋势。急倾斜煤岩体能量密度峰值、高能量积聚区的面积均随开采深度的增加而增大,当工作面采至+400水平时较+475水平的峰值应力增加约30.14%,增速约为0.11 MPa/m。开采深度增加使得工作面单次推进的最大水平应力变化量明显增加,即工作面单次推进下的加载速率增大。通过模拟实验与现场微震实测的综合分析,揭示了急倾斜巨厚煤层向深开采过程中动力灾害发生“靶向源头-优势传导路径-释放终端”机制,并提出了“弱化源头-转移路径-加强终端”的急倾斜巨厚煤层向深开采的动力灾害防治理念。研究结果为急倾斜巨厚煤层的安全开采提供了科学依据。

急倾斜巨厚煤层组开采煤岩体联动诱冲机制与防冲调控

针对急倾斜巨厚煤层组开采时岩柱及顶板悬空致使动力灾害严重的现状,综合运用理论分析、现场监测等研究方法,构建岩柱、顶板力学模型,并推导表征岩柱、顶板弯矩和能量演化规律的表达式,研究随采深增加岩柱、顶板弯曲变形及能量演化的规律,评估不同煤层开采的冲击危险性,分析诱冲机制并提出防冲策略及方案。研究结果表明:(1)急倾斜巨厚煤层组开采时,随采深增加岩柱、顶板弯曲变形和能量蓄积均呈非线性加速变化,且回采阶段内弯曲变形严重、能量蓄积更高。采深300 m后能量急剧增加,确定该采深为冲击灾害发生临界值。(2)B1+2煤层回采时,岩柱撬转、能量积聚均较B3+6煤层回采时小,评估得出回采B1+2煤层的冲击危险性较回采B3+6煤层时小。相比岩柱,B3+6煤层顶板的弯曲变形更严重,能量蓄积更高。(3)确定冲击易发区域为各应力峰值叠加位置。冲击力源有静载和动载,静载是冲击发生的基础条件,为蓄能作用;动载为诱冲作用,动静载联动作用诱发冲击。(4)防冲的关键是弱化静载,B3+6煤层回采时需加强防治,重点防治对象为岩柱及顶板,重点防治区域为各应力峰值叠加位置。现场实施岩柱、顶板爆破及煤体注水后,有效弱化了静载水平,防冲调控效果良好。上述研究结果对乌东煤矿急倾斜巨厚煤层组开采时冲击地压灾害的防治提供了科学依据。

新疆天池能源南露天矿南端帮边坡参数优化

为了提升煤炭资源回收利用率,以新疆天池能源南露天煤矿南端帮为研究背景,通过分析该露天煤矿边坡工程技术参数,对提升煤炭资源回收利用率进行了研究;通过采用极限平衡法和强度折减法分别对南露天矿南端帮不同时期的二维剖面模型进行稳定性分析。结果表明:2022—2023年边坡稳定系数较低,基于边坡稳定性计算结果,通过调整南端帮边坡设计参数,边坡稳定系数提升明显。

天池能源南露天煤矿原煤破碎站移设方案优化

露天煤矿破碎站移设是充分发挥破碎站及带式输送机经济价值的重要内容,以天池能源南露天煤矿一号破碎站为研究对象,通过设定约束条件,建立移设模型的方式,根据总运费最低原则,从经济角度确定出最佳移设步距;结合南露天煤矿倾斜巨厚煤层赋存特点,提出在矿坑空间受限的条件下破碎站以同水平、小步距进行移设的设计方案;并定量分析了移设方案的经济性和可行性,为倾斜巨厚煤层露天矿开展坑下原煤破碎站移设工程提供了科学的依据。