急倾斜特厚煤层冲击地压防治探索与总结

急倾斜特厚煤层开采顶板破断运动复杂,应力和能量演化规律特殊,在深部“三高一扰动”影响下,冲击地压防治不容乐观。基于某矿2016年冲击地压事故后急倾斜特厚煤层水平分段开采冲击地压防治经验,从急倾斜特厚煤层水平分段开采冲击地压发生机理、瓦斯突出与冲击地压综合防治和冲击地压管理详细介绍了该矿7年来急倾斜特厚煤层冲击地压防治经验。冲击地压发生机理方面,建立了顶板岩层倾斜悬臂梁模型,揭示了顶、底板覆岩结构破断失稳演化过程,划分了夹持煤体受力状态分区,提出了急倾斜特厚煤层冲击“夹持理论”。瓦斯突出与冲击地压综合防治方面,基于冲击地压灾害控制解危技术的强度弱化减冲理论,结合原有防突措施体系,提出了既能防冲且对防突有利的解危措施,形成了某矿瓦斯/CO_(2)突出-冲击地压“双防”技术体系,建立了适用于某矿急倾斜特厚煤层水平分段开采的冲击地压防治体系,以钻屑量和瓦斯吸解值验证了瓦斯突出防治的强度保障,同时以加强实施卸压措施工作面的微震事件分布及各能级总频次和能量对比,论证说明了卸压方案防治效果的有效性。冲击地压管理方面,形成了预测评价、监测预警、治理预防、效果检验、安全防护和教育培训“六位一体”综合防治架构,基于《煤矿安全规程》和《防治煤矿冲击地压细则》等各项规定,制定了Q/YJMD-—FC 0104-2022《窑街煤电集团有限公司煤矿冲击地压防治第四部分:冲击地压防治技术规范》。

弱化浅层岩体防治急倾斜特厚煤层冲击地压研究

急倾斜特厚煤层受其特殊的地质、应力和开采技术条件影响,冲击地压防治方法与一般煤层存在较大差异。将理论推导、数值模拟、现场监测等方法相结合,研究了急倾斜特厚煤层的岩层弯曲和煤层能量积聚特征,提出了弱化浅层岩体防治急倾斜特厚煤层冲击地压的方法,得到了防冲关键参数,并进行了工程应用。研究结果表明,急倾斜特厚煤层岩层弯曲时内部岩体破裂释放能量是动载的主要来源,采空区两侧围岩转移、传递至煤层的水平集中应力是静载和能量积聚的主要来源;防治急倾斜特厚煤层冲击地压应弱化工作面浅层岩体的应力传递能力,来降低传递至工作面的动载扰动强度以及转移、传递至煤层的水平集中应力。基于此提出了通过浅孔爆破措施弱化急倾斜特厚煤层浅层岩体的防冲方法。现场工程应用表明,矿井补强浅孔爆破后,工作面微震事件总能量降低了42.38%、总数量增大了471.74%,说明工作面的能量释放由大能量剧烈释放逐渐转为小能量平缓释放,且未再发生过冲击显现,冲击地压危险得到有效控制。研究成果可为类似条件矿井防治冲击地压提供参考。

深埋倾斜特厚煤层窄煤柱护巷机理与围岩控制

我国中东部地区采深大、巷道变形和冲击风险大,窄煤柱沿空掘巷技术可改善巷道围岩环境。为掌握窄煤柱护巷机理并形成针对性围岩控制技术体系,以800 m埋深倾斜特厚煤层3 m窄煤柱沿空掘巷为背景,开展了理论分析、现场实测及数值模拟研究,结果表明:①该巷围岩破碎程度及变形煤柱侧比实体煤侧严重,煤柱破碎程度及变形采空区侧比巷道侧大,尽管埋深大,但已稳定采空区承担较大覆岩载荷,高应力已充分向深部岩体分流;②巷道变形非对称,实体煤侧顶板下沉量比煤柱侧大,巷帮以浅部变形为主,煤柱帮上部和实体煤帮中部变形较大;③采空区是掘巷卸荷后主要的形变通道,利于形变能向采空区缓释、降低冲击风险;④卸压区形状由掘巷前三角形扩展为掘巷后平行四边形,掘巷后应力集中区转移至实体煤帮右上方实体煤岩体中;⑤窄煤柱一次和二次剪切破坏的交界面及掘巷右上方实体高应力区为围岩关键控制区,据此提出基于煤柱多重塑性破坏区发育规律的煤柱加固和高应力区精准卸压联合的围岩控制技术体系。研究可为邻近工作面以及其他类似深埋倾斜特厚煤层开采提供理论支撑和科学依据。

急倾斜特厚煤层综放工作面采场运移与巷道围岩破裂特征

急倾斜煤层的赋存环境及水平分段综放的开采方式加剧了综放工作面采场结构与应力演化的复杂性,增加了综放工作面稳定性评估的难度,为此采用多手段联动的方法对煤岩体结构与巷道围岩破裂特征进行综合探测。通过急倾斜煤层综放工作面覆岩结构与应力分析巷道围岩产生分区破裂的力源条件;基于钻孔应力监测、声波探测、光学钻孔摄像等监测方法,获得了巷道围岩质量与离层区分布位置,钻孔内壁裂隙发育程度、裂隙数量与长度以及动态破裂演化特征。综合分析表明:急倾斜特厚煤层巷道围岩破碎具有分区分布特征,顶板与两帮裂隙呈现不规则的分区演化特征,裂隙区与完整区交替出现,煤体侧巷道帮的裂隙分布区域大于岩体侧。

特厚急倾斜煤层水平分层开采岩层及地表移动机理

以窑街矿区三矿地质条件为原型,采用相似材料模型试验方法,研究了特厚急倾斜煤层水平分层开采岩层移动机理和地表移动规律。结果表明,特厚急倾斜煤层水平分层开采时,浅部开采阶段岩层以应力拱结构控制岩层移动,深部开采阶段岩层以铰接岩梁结构控制岩层移动;根据覆岩破坏形式,将采动岩层移动分为松散岩块区和层状岩层区。揭示了特厚急倾斜煤层水平分层开采具有显著的重复开采和变方向传播的特征;随着工作面自上向下逐层布置回采,地表移动盆地具有向顶板侧扩展和下沉值不断累计的特点,最终形成一个整体的移动盆地。研究结果可为地表及岩层移动预测模型的建立提供依据,从而指导类似条件下煤炭资源的合理开发。

急倾斜特厚煤层水平分层开采矿压特征

运用相似材料模拟、数值模拟、现场实测等研究手段,对急倾斜特厚煤层分层开采的矿压特征进行了研究,初步揭示了急倾斜特厚煤层开采顶板岩层移动的复杂性、周期来压的双重性、陷落区的叠加性和动态性、应力场和位移场的不均衡性等特有规律,分析了巷道支护困难、易底臌、动力冲击等矿压现象的原因.

特厚急倾斜煤层水平分层开采地表移动预计方法

特厚急倾斜煤层水平分层开采具有重复开采、沉陷影响累积的特点,其岩层移动模式和地表移动形态需要建立新的预测模型来描述。在实测分析和相似模型试验的基础上,根据急倾斜煤层开采覆岩与地表的移动的变形机理和传播方向变化特征,建立了基于开采影响传播角变化的特厚煤层水平分层开采地表移动的预计模型,提出了分层充分与非充分开采条件下沉系数与煤厚、采深、煤层倾角的波兹曼拟合关系式,提出了预计参数的确定方法。通过实例验证分析表明,预测模型能较好地反映实际规律,预计参数物理意义明确,易于确定。

急斜特厚煤层群采动应力畸变致诱动力灾害控制

采动应力诱发的动力灾害是制约急斜特厚煤层群安全开采的难题之一。以乌鲁木齐矿区乌东煤矿动力灾害防控为目标,采用开采技术条件调查、理论分析、数值计算和现场监测等方法与手段,揭示采动应力畸变致诱动力灾害机理。研究表明:43号煤层产生的采动应力经其顶煤传导作用至层间夹持煤岩柱(sandwiched coal-rock pillar in seams,SCPS),同时受自重作用SCPS发生大变形,造成其倾向上部层位受拉伸应力而倾向下部层位受压缩应力,引发45号煤层+575水平南巷顶板应力高度集中,导致动力灾害频发。针对43号煤层工作面高于45号煤层工作面的开采布局,制定"先注水后爆破"解危措施。现场监测结果表明微震大事件频率由4.0次/min降至1.0次/min,电磁辐射峰值强度降至42.8 m V,动力灾害得到有效控制。

急倾斜特厚煤层水平分段综放开采冲击矿压机理

我国急倾斜特厚煤层开采冲击矿压越发凸显,且灾害显现特殊。为了揭示急倾斜特厚煤层水平分段开采冲击矿压机理,建立覆岩力学模型,分析了覆岩运动、能量释放、煤层应力分布等规律;采用工作面液压支架工作阻力监测数据,分析了工作面支架工作阻力与动载系数分布规律;利用微震监测得到的矿震空间分布,分析了岩层运动和能量释放规律。研究结果表明:急倾斜特厚煤层水平分段开采,顶板倾向破断步距与煤层倾角呈非线性正相关关系,当煤层倾角大于60°时,破断步距出现陡增;覆岩下位坚硬岩层破断后在倾向上可暂时形成平衡结构,随着下位分段开采和放煤,平衡结构可发生破断旋转、断块跌落、结构挤压俯冲等3种类型的失稳冲击过程,对工作面形成动态冲击;在顶底板夹持作用下,工作面煤体靠近顶底板侧将形成非对称倾向支承压力分布,靠近顶板侧为封闭夹持状态,应力集中程度高,靠近底板侧为开放夹持状态,煤体易破坏卸压而处于塑性状态,在非对称支承压力作用下,工作面中部至顶板侧底煤受强烈剪切应力作用,且处于底板弹塑性交界区,易于失稳冲击;急倾斜特厚煤层水平分段综放开采,覆岩破断步距大,顶板破断和失稳冲击的瞬间释放能量强,扰动底煤高应力区诱发冲击矿压显现,揭示了急倾斜特厚煤层水平分段综放开采夹持冲击型冲击矿压机理。工作面液压支架工作阻力监测表明工作面中部至顶板侧动载系数最大达到3.25,表明覆岩形成了悬空式结构失稳;矿震监测结果表明工作面中部至靠近顶板侧底煤容易积聚弹性变形能,底板侧容易释放能量,顶板活动易形成动载扰动。研究结果得到了监测验证。

急倾斜特厚煤层水平分段开采老顶断裂力学模型

通过对急倾斜特厚煤层水平分段开采老顶破坏特点的分析,建立了老顶沿倾斜方向悬臂梁断裂的力学模型,推导得出老顶岩层悬臂梁能量表达式,提出了爆破断顶矿压防治技术,并在甘肃华亭煤矿试验成功.

急倾斜特厚煤层水平分层综放开采煤巷支护技术

分析了急倾斜特厚煤层水平分层综放开采煤巷矿压的特点,介绍了高强度锚杆支护技术在华亭煤矿试验情况,对锚杆支护效果进行了矿压监测和技术分析,并对支护参数进行了修正。

急倾斜特厚煤层采空区现场地面与地下协同探测分析

工程探测与分析采空区分布对安全开采具有现实必要性。以乌东煤矿43#煤层东翼采空区分布预测为目标,通过现场工程地质与开采条件调查、电磁波能量传播机制分析、现场地面地下协同地质雷达(Ground Penetrating Radar,GPR)快速与多次扫描与复测等,对比分析了走向剖面既定扫描区域(1 050 m×80 m)沿不同走向长度、水平标高和垂向深度网点地质雷达扫描波形与时间剖面特征,定量预测了+640～+720水平80.0 m范围煤岩破碎特征和走向50～800 m垂深70.0 m采空区分布位置,指导了现场采空区预处置设计、灾害防治与安全生产。

急倾斜特厚煤层水平分层综放开采覆岩破坏特征

为确定急倾斜特厚煤层水平分层综放开采覆岩破坏高度,以梅河煤矿为试验对象,基于钻孔冲洗液漏失量观测法实测的覆岩破坏高度,与UDEC软件得出的多分层开采后的覆岩裂隙演化特征和发育高度模拟结果,回归得出了水平分层综放开采导水断裂带高度预计公式。结果表明:急倾斜特厚煤层水平分层综放开采覆岩破坏高度随着分层数的增加,最大高度受到明显抑制,裂高与累计采厚比明显减小;覆岩破坏最终发育形态呈明显的拱形,且偏于顶板一侧;覆岩垮落角将随着开采分层的增加而增大。基于以上分析,得出了梅河矿区急倾斜厚煤层水平分层综放开采覆岩破坏高度的预计方法。

急倾斜特厚煤层开采冲击地压发生过程监测与分析

为解决急倾斜特厚煤层水平分段开采时的冲击地压问题,采用微震监测系统,确定了两煤层间岩柱中产生的矿震是诱发巷道冲击地压的力源,结合具有高采样频率的冲击地压监测系统进行了冲击震源震波及其响应信号的实测,得出急倾斜特厚两煤层之间岩柱诱发冲击地压的震源信号具有距离工作面近、波形呈现出明显的P波、S波,延时较长,能量较大等特征;震源产生的动载使得煤体应力和锚杆受力瞬间升高,距离震源越近,引起煤体应力变化的幅度越大,煤体垂向应力较水平应力升高更为明显,冲击发生前至少1 h内,煤体应力就已开始发生变化,表现出了一定的冲击前兆特征。研究结果表明,通过震波及其响应信号实测可分析冲击地压发生过程。

急倾斜特厚煤层开采微型放顶煤支架适应性分析

通过对急倾斜特厚煤层水平分层放顶煤开采矿山压力显现和岩层控制、顶煤冒放机理及设备配套的研究,提出了急倾斜特厚煤层水平分层开采放顶煤支架工作阻力确定公式,分析急倾斜特厚煤层微型放顶煤支架的适应性,并举例进行了说明。

急倾斜特厚煤层采空区煤自燃治理关键技术研究

针对陈兴远煤矿42-43号急倾斜特厚煤层采空区易发生煤自燃的问题,通过分析岩层移动规律发现,受采动影响形成的顶板侧裂隙漏风与采空区大量遗煤复合作用是影响采空区煤自然发火的主要因素。针对火区地表漏风严重、浮煤区域分布广且呈立体分布的特点,提出构建地表回填堵漏风,井下钻套一体化快速灭火钻孔施工、立体式灌注三相阻化泡沫泥浆快速降温防复燃的火区综合治理技术。应用这些技术有效抑制了火区的蔓延,并成功扑灭了该火区。

急倾斜特厚煤层综放开采实践

从开采技术、工作面装备标准、提高采出率的措施、技术经济指标等方面 ,总结了华亭煤矿急倾斜特厚煤层综采放顶煤开采的实践经验 。

高瓦斯、急倾斜特厚煤层综放开采瓦斯治理

阿刀亥煤矿CU2煤层属于急倾斜特厚煤层,煤层埋藏较深,瓦斯涌出大,属于高瓦斯矿井。为了保证回采过程中的安全,结合本煤层的瓦斯地质规律,提出了瓦斯治理对策,主要是针对开采分层的下部煤体的瓦斯进行预抽、顺槽斜交插帮钻孔、上隅角埋管抽放等方式,从源头上解决了工作面瓦斯超限的问题。

急倾斜特厚煤层硫化氢涌出规律及控制技术研究

为有效解决急倾斜特厚煤层放顶煤开采硫化氢超限的技术难题,阐述了硫化氢超限对人体健康和设备的危害,介绍了放顶煤开采时硫化氢的涌出规律,着重研究了采煤机割煤速度、放顶煤强度以及采煤机截割顶/底煤及拉溜工序对硫化氢涌出规律的影响,结果表明硫化氢涌出强度随采煤机割煤速度、放煤强度的增加而增多。通过对比分析采用喷洒吸收液和超前预注吸收液等技术措施有效解决了工作面上隅角、回风巷硫化氢超限的难题。在工作面回采过程中,工作面采煤机处硫化氢浓度由77×10-6降至12×10-6;前刮板机上方硫化氢由470×10-6降至62.6×10-6;回风巷硫化氢浓度由110×10-6降至15×10-6,硫化氢灾害治理效果显著,降低了硫化氢气体对人体健康及设备的危害;通过综合协调治理,硫化氢灾害治理技术取得了较大突破。

急倾斜特厚煤层层间岩柱动力学失稳诱灾倾向预测

乌鲁木齐矿区乌东煤矿开采条件复杂,急倾斜煤层群间赋存均厚60m倾斜岩柱,近年来已发生十余次动力灾害。针对急倾斜岩柱动力学失稳诱灾倾向预报,采用开采条件调查、理论分析和现场监测等方法,综合预测了深层岩柱动力学失稳诱灾倾向区域。首先,基于现场调查成果,构建了急倾斜岩柱失稳应力撬转效应(stress leverage rotation effect,SLRE)力学模型,揭示了岩柱动力学失稳诱发动力学灾害的力学机制。再次,通过现场微震监测,分析了岩柱破断失稳微震—能量—空间演化规律:急倾斜岩柱动态失稳经历扰动破裂、应力挤压、断裂失稳和应力重构阶段。最后,综合分析并圈定了深层岩柱动力失稳诱灾倾向区域,其分别位于B1-2煤层+500^+510 m区域开采煤体、B3-6煤层+475^+485 m区域岩柱侧煤体,这为现场灾害防控设计和安全开采提供了科学依据。