采动应力场分布特征及其对煤岩瓦斯动力灾害的控制作用分析

以实际发生动力灾害的采掘工作面为模拟原型,在模拟分析采场和巷道应力分布特征的基础上,分析了不同应力分布对煤岩瓦斯动力灾害的控制作用,得出了采场易于发生应力主导型的动力灾害而巷道更易于发生瓦斯作用为主导的、高强度的煤岩瓦斯动力灾害的规律特征,并举例对上述分析做了论证。

采场覆岩空间破裂与采动应力场的微震探测研究

介绍了用微地震定位监测技术揭示的采场覆岩空间破裂与采动应力场的关系。认为存在 4种由采动引起的岩体破裂类型。展示了 3种典型采动边界条件下覆岩破裂与采动应力场的关系。提出了由微震事件分布推断区段煤柱稳定性的方法。

远距离下保护层开采上覆煤岩层采动应力场数值模拟研究

为了研究开采下伏8号煤层能否缓解赵庄煤矿主采3号煤层开采过程中的强矿压显现问题,采用FLAC^(3D)软件模拟远距离下保护层开采方案,分析了下保护层8号煤层开采前后被保护层3号煤层采掘过程中的应力峰值、应力分布及塑性范围。结果表明,随着下保护层8号煤层工作面的推进,被保护层3号煤层工作面在倾向上的应力整体呈"M"型分布,煤体两端呈现应力集中,中部区域应力较低,使布置于中部卸压区的3号煤层工作面巷道围岩产生不同程度的卸压;下保护层8号煤层开采后,被保护层3号煤层工作面的煤体应力峰值减小约18%,采动影响距离减小约10m,且应力集中程度减弱,工作面煤体基本未出现新的塑性区域。

综放面底板采动应力场的矿压显现规律

综采放顶煤开采一次采出厚度与覆岩运动范围成倍增加，采动应力大．以井下实测资料为依据，研究了综放面底板采动应力场对跨采巷道的作用，揭示了综放面底板采动应力场的基本特征及其跨采巷道矿山压力显现规律．

炮孔内爆炸荷载非均匀性对激发动应力场的影响

由于炸药爆轰波的传播以及炮孔堵塞物冲出后爆生气体的非定常逸出过程,柱状炮孔内的爆炸荷载压力沿炮孔轴向呈不均匀分布。采用LS-DYNA动力有限元软件计算探讨了爆炸荷载分布不均匀性对岩体内激发动应力场的影响。计算结果表明,激发的径向压应力和环向拉应力在孔底段最大、在孔口段最小,且应力波在孔底段持续时间最长;爆炸荷载分布的不均匀性对环向应力影响更大;但荷载的非均匀分布对激发动应力场的影响仅局限在炮孔近区岩体内,且应力差值较小,非均布爆炸荷载与均布爆炸荷载在远区的计算结果是一致的。

深井大采高综采工作面侧向采动应力场特征研究

为掌握西部深井大采高综采工作面侧向采动应力场特征,采用钻孔应力监测技术现场试验方法,结合微震井上下联合监测技术,对深部弱胶结顶板6 m大采高工作面侧向采动应力特征进行实测研究。研究结果表明:深部大采高综采工作面侧向采动应力场影响距离大,其演化特征按侧向距离大小划分为“三区”“两区”“一区”,临界侧向距离分别为16、95 m,应力集中系数最大达6.15。通过对6 m大采高综采工作面3次方级以上大能量微震事件发生的平面位置,以及微震事件能量和频次的分区特征进行分析,验证了侧向应力场实测结果的正确性。研究结果可为西部深井大采高工作面合理区段煤柱留设及防冲提供依据。

采场覆岩空间破裂与采动应力场分布关联性研究

针对上覆多层坚硬砂岩组破断时释放的动载荷耦合集中静载荷区弹性应变能易诱发冲击地压显现的问题,采用现场监测、统计分析的方法,探索了覆岩空间破裂与采动应力场关联性对冲击地压显现的影响,对覆岩空间破裂分布特征及采动应力场分布特征进行了监测分析,依据研究结果对临空巷道超前支护方式进行了优化与实践验证。研究表明:纳林河二号矿井31102工作面覆岩破裂剧烈区位于3-1煤层顶板上方30.3 m,厚度为14.85 m的细粒砂岩层内,并超前工作面30～40 m;超前支承压力影响距离至工作面前方254～280 m,峰值点距工作面小于66 m。覆岩破裂剧烈区与采动应力场峰值区(两区)相距较近,易诱发冲击地压灾害,在超前工作面0～40 m两区下方的临空巷道采用垛式液压支架超前支护顶板,可有效防治冲击地压。

浅析近距离煤层工作面采动应力场研究

冲击地压问题是矿山安全开采的首要问题,尤其是在开采近距离煤层中,往往使上下两煤层之应力相互叠加,导致能量积聚,最终造成矿井冲击地压事故得发生。本文分析近距离煤层工作面与采动应力场之间关系,为相似条件的煤矿安全生产提供参考。

煤矿回采工作面“见方”阶段的采动应力场分析

为揭示工作面回采“见方”阶段的采动应力场分布规律,根据力学理论,建立力学模型,推导得出当工作面长度与回采长度相等时,工作面采动应力分布较大,同时采用数值软件进行模拟计算,验证了理论推导和宏观认识的准确性,为现场优化提供参考和依据。

煤峪口矿孤岛综采面采动应力场与支架适应性分析

孤岛综采面受采空区残余支承应力影响,处于高应力环境,易产生剧烈矿压显现。文章采用数值模拟、理论分析、现场实测的方法,研究了单侧采空下、双侧采空下以及本工作面初期、中期、末期回采时的采动应力场分布特征,研究表明工作面开采中期受采动影响最为明显。基于此,校核了液压支架支护强度,并监测了支架受力情况,结果显示支架受力和采动应力场分布相互吻合。

基于震源机制解的矿井采动应力场反演与应用

为反演采动应力场,以老虎台矿井为研究背景,应用地震学的岩体破裂震源机制解答方法,求解出矿井范围81个强矿震的震源机制,结合现场调查和地应力测量,分析矿井尺度岩体采动应力场的规律。研究发现:由于不同性质断层的切割和不同的采动方式,导致采动过程矿井范围岩体主应力性质并非一致,表现出分区特征;一个共性特征是,相对于原岩应力场,采动应力场最小主应力轴由近水平转变为近垂直;进入深部开采,正断层不只是流体的存储空间和运移通道,其在采动应力作用下可活化异变为逆冲断层运动,并可灾变为强矿震能量释放;震源机制解对矿柱失稳、顶板大规模垮落、正断层逆冲灾变、逆断层活化等具有明确指示意义。矿井布设工程度微震监测系统,跟踪、反演分析采动过程岩体破裂机制,可以超前发现采动断层活化与异变成灾趋向,及时采取防范措施。

浅部煤层工作面冲击地压与采动应力场关系研究

采用UDEC数值模拟软件对宽沟煤矿冲击地压与采动应力场的关系进行了研究,揭示了受采动影响下的高应力和高能量场是影响浅部煤层工作面冲击地压发生的主要因素,并通过PASAT-M便携式微震检测系统对采动应力场数值模拟结果进行了验证。

深部煤体采动应力场演化规律及扰动特征研究

为了描述深部煤体开采过程中扰动特征,提出基于采动应力的扰动强度判别表达式。根据深部煤体开采实际条件,采用应变软化本构关系,建立深部煤体在保护层开采及蠕变条件下数值模型,得出保护层开采后煤体应力场演化规律及受扰动强度特征,并分析出在受扰动影响及蠕变条件下变形场规律,最终将现场实测应力与模拟结果进行对比,说明数值模拟的合理性。研究表明:(1)深部煤岩体强度差异大,岩体强度高,破坏时应力衰减快,而煤体强度较低,呈现弹塑性破坏。(2)采用基于采动应力的扰动因子表征煤体受扰动程度;保护层采空区下煤体卸压范围大,表现出区域性扰动特征,而未受保护层开采影响但受本煤层回采巷道影响的局部区域,扰动因子在0.7以上,呈现高强度扰动特征;采动应力扰动因子与扰动强度呈正相关,扰动因子越大,煤体受扰动程度越强。(3)深部煤体受扰动及蠕变影响,保护层采空区下煤体体积应变增加明显,而未受保护层开采扰动的煤体由于蠕变影响,其体积应变也随时间而增加。

采场矿压数据在采煤智能决策优化中的应用

传统开采过程中的许多安全技术措施不能智能判断和自主执行,已成为了制约煤矿智能开采进程的主要问题。采场矿压数据作为煤矿开采的基础资料,为保障工作面安全生产提供了重要参考。通过对开采应力场环境分析,采用能够宏观反映采场矿压特征的液压支架工作阻力和支架姿态关键参数指标,并制定了相关开采安全技术措施,建立了依据采场关键矿压参数指标进行智能判断、自动决策并执行相应安全技术措施的智能决策优化模型,给出了一种提高复杂地质条件和动态采动应力场环境的适应性、实现全智能开采的技术途径。

微震监测揭示的C型采场空间结构及应力场

为研究开采强烈冲击倾向煤层解放层的卸压效果,采用微地震定位监测技术,对三面采空长壁工作面(解放层)的开采进行覆岩空间运动结构及应力场分布的监测。根据岩体在三维空间的破裂成像,揭示采场覆岩空间破裂与采动应力场的关系,得出以下结论:(1)工作面三侧采空区老顶上方的岩层形成C型空间结构,微震事件分布在C型结构的外侧,构成岩体破裂区,在C型结构的内侧为高应力区,并对高应力区域的转移及不同区域的应力状况进行了描述;(2)C型结构的最凹部在煤柱上方,煤柱最小时的支承压力分布为:在靠近上顺槽的区域,老顶以上的厚硬岩层已经发生断裂,形成卸压带;靠近下顺槽的区域,老顶以上的厚硬岩层未断裂,形成应力集中区。因此,通过监测确定被解放层的解放范围,对圈定的冲击危险区域预先采取防治措施,可实现安全开采。

煤矿井下应力场类型及相互作用分析

基于原岩应力场与采动应力场,提出支护应力场的概念,即支护在围岩中产生的应力场与在支护体内部产生的应力场,并指出3种应力场构成了煤矿井下综合应力场.在井下实测数据的基础上,研究了煤矿井下原岩应力,特别是构造应力的分布特征;采用数值模拟方法,分析了掘进工作面、巷道及采煤工作面周围应力分布特征与规律,采动集中应力的大小;计算了预应力锚杆支护、单体液压支柱及金属支架在围岩中产生的应力场.分析计算了锚杆杆体、托板及钢带等支护构件中的应力大小与分布特征,并对比分析了原岩应力、采动应力及支护应力的量值.论述了原岩应力场对采动应力场的影响,以及采动应力场与支护应力场的相互作用与关系.

煤岩采动应力-裂隙带发育规律研究——以榆树湾煤矿为例

为研究煤层开采过程中上覆岩土体内采动应力-裂隙带发育规律,提出局部稳定指数的概念,定量勾绘煤层上覆岩体内破坏和未破坏的区域,并以榆树湾井田某综采工作面为例,探讨采动裂隙场及导水裂隙带发育规律。研究表明:随着工作面的推进,煤层上覆岩土体内先后产生煤层顶板破坏区、浅表层破坏区、基岩-松散层接触破坏区3个破坏区域;采动裂隙带高度随开采工作面呈现“上升—下降—上升—稳定”发育规律,而采动裂隙带宽度则呈现“线性上升”发育规律;提出裂高采比和裂宽采比的概念,得出榆树湾井田某综采工作面的裂高采比为19,基岩-松散层接触破坏区的裂宽采比为23.5,浅表层破坏区的裂宽采比为31。经对比分析,文中所提出的计算方法具有一定的验证性和适用性,可为保水采煤技术提供一定的理论依据。

隧道爆破动静应力场叠加作用研究

目前,国内外隧道设计都采用弹塑性理论,即只考虑静应力场的作用。事实上,爆破产生的动应力场影响很大,特别是软弱地层浅埋隧道,在我国已竣工的若干隧道中衬砌(或喷层)表面经常发生裂损现象,有的是在爆破后发现的;有的是在拆除模板时发现的;也有的是在运营4～5年后发现的。这种裂损对隧道的稳定不利,严重的还会引起掉块和局部塌落,影响正常运营。造成裂损的原因除了长期作用的静应力场外,我们认为施工期间爆破产生的瞬时动应力场的作用也不容忽视。因此,系统研究爆破动应力场的大小及分布规律以及动静应力场的叠加作用机理,对指导隧道的设计与施工,探索隧道结构裂损产生的原因及防止措施是十分必要的。本文通过动静应力场的现场测试,动应力有限元计算与分析以及动光弹模型实验综合分析了动静应力场的分布规律,并对动静应力场的叠加作用机理作了初步探讨。

深部开采应力场时空分布与矿震孕灾机理

针对深部开采问题,运用理论分析、微震监测、数值模拟相结合的研究手段,研究了深部采动应力场时空分布规律及对矿震孕灾过程的控制机理。研究表明:震源点在工作面前方和采空区后方积聚,工作面前方要多于采空区后方,并且主要集中在裂隙带附近和应力增高区附近;震源点随着工作面推进先是在老顶积聚,后逐渐向上方岩层发展,等到开采后又再次降低到老顶附近。矿震的发生要经过平稳期、孕育期、应力(能量)激增期三个阶段。在这个阶段,受到地质构造和开采条件的影响下,应力的重新分布,产生应力集中并积聚大量的弹性能,并向局部区域转移。在扰动条件下,变性能瞬间释放从而产生矿震灾害。

深部巨厚承压含水层采动疏水诱冲机理

陕蒙地区覆岩普遍赋存较厚承压含水砂岩层,工作面涌水量大、承压含水层水位显著下降,巨厚覆岩承压含水层下冲击地压和高能矿震监测表明覆岩承压水的采动疏放具有一定的诱冲效应。为揭示覆岩承压含水层采动疏水诱冲机理,开展了流固耦合数值模拟,分析了不同孔隙水压岩体力学行为及巨厚覆岩承压含水层采动疏水条件下围岩应力-能量场演化特征,揭示了覆岩承压含水砂岩层采动疏水对围岩应力场作用机制;并考虑巨厚覆岩对围岩动静载应力作用效应,提出了覆岩承压含水层采动疏水诱冲机理。研究结果表明:覆岩巨厚承压含水砂岩层下动力显现均发生在覆岩承压水位快速下降期间,覆岩承压水的采动疏放对围岩产生应力扰动;采动疏水条件下覆岩承压含水岩层孔隙水压降低,岩层强度和承载能力增大,覆岩载荷向采场两侧转移,导致围岩应力升高、能量进一步积聚,其对围岩应力场-能量场作用程度与采场尺度和疏放程度正相关,与煤层-承压含水层距离、承压含水层岩层厚度及强度负相关;巨厚覆岩承压含水层下顶板大尺度悬臂-铰接结构导致采场围岩高静载及强动载,在覆岩承压含水层采动疏水对围岩应力场作用下,煤岩体中叠加应力超过其临界载荷且释放的总能量超过其破坏所消耗能量,诱发冲击地压,其中高静载是冲击地压发生的应力基础,矿震动载和覆岩承压含水层采动疏水导致的应力扰动是重要诱因。针对覆岩承压含水层采动疏水及巨厚承压含水层覆岩结构对冲击风险的影响特征,提出了巨厚承压水含水层注浆堵水和优化盘区尺寸的防冲措施,通过地面注浆和降低采场尺寸能够降低覆岩承压含水层采动疏水对围岩应力场的作用效应、避免巨厚覆岩形成大尺度悬臂-铰接结构,从而降低巨厚承压含水层下冲击地压风险。