煤岩动力系统失稳机理

为了计算不同冲击危险程度煤岩体的具体影响尺度,实现煤矿冲击地压的针对性预防和治理,提出了"煤岩动力系统"的概念,构建了"煤岩动力系统与冲击地压显现关系"模型。基于爆破理论和Mises屈服强度准则,提出了"煤岩动力系统"各区域尺度计算方法并建立了相应的评价指标体系。根据煤矿已发生冲击地压和"高能量"微震事件的震源位置和能量值,确定煤岩动力系统"动力核区"、"破坏区"、"损伤区"和"影响区"等各区域尺度的具体影响范围,判断不同尺度范围内煤岩体的冲击危险程度。将煤岩动力系统各区域尺度计算方法在老虎台煤矿进行了准确性验证,表明该方法具有较高的可信度和实用性,可以广泛应用在矿井冲击地压的预测与危险性评价工作中。

基于煤岩动力系统能量的冲击地压矿井临界深度判别

为了定量计算典型冲击地压矿井的临界深度,实现煤矿冲击地压的有效防控。应用地质动力环境评价方法,将冲击地压矿井划分为“典型冲击地压矿井”和“非典型冲击地压矿井”2种类型。通过构建的煤岩动力系统模型,研究了煤岩动力系统的能量特征及其与冲击地压显现的关系。分析了自重应力场和构造应力场下煤岩动力系统的能量特征,并分别确定了不同应力场条件下的煤岩动力系统能量计算方法,在此基础上提出了典型冲击地压矿井的临界深度计算方法,并在3个典型冲击地压矿井进行了准确性验证。研究结果表明:在自然地质条件下,煤岩动力系统的总能量与构造应力场下煤岩动力系统的能量相等,自重应力场下煤岩动力系统的能量为基础能量,煤岩动力系统释放的能量为构造应力场下能量与基础能量的差值。对于典型冲击地压矿井,煤岩动力系统的总能量主要源于构造应力场,在构造应力场条件下煤岩动力系统积聚的能量已经能够支撑冲击地压发生,在开采活动诱发下就会发生冲击地压;对于非典型冲击地压矿井,在构造应力场条件下煤岩动力系统积聚的能量不足以支撑冲击地压发生,需要其他工程条件补充能量,在开采活动诱发下才有可能发生冲击地压。根据验证结果,典型冲击地压矿井的临界深度计算方法,以及煤岩动力系统能量计算方法准确性较高,可达93%以上,可以广泛应用于矿井冲击地压的预测与危险性评价工作中。非典型冲击地压矿井的煤岩动力系统能量补充因素较多,如采掘活动、煤柱应力、顶板活动等,将在后续研究工作中深入研究。

煤岩动力系统区域尺度计算方法在冲击地压危险性评价中的应用

某矿从2003年开始累计4次发生冲击地压,给矿井安全生产带来了严重影响。应用煤岩动力系统区域尺度计算方法对有震级记录的2次冲击地压进行了危险性评价。根据煤矿已发生冲击地压的震源位置和能量值,确定煤岩动力系统"动力核区""破坏区"和"损伤区"等各区域尺度的具体影响范围,判断不同尺度范围内煤岩体的冲击危险程度。计算结果表明,该矿冲击地压煤岩动力系统的动力核区尺度为5.51~9.31m,破坏区尺度为16.15~22.98m,损伤区尺度为97.87~165.32m,冲击显现范围与理论计算结果基本一致。表明该方法具有较高的可信度和实用性,可以广泛应用在矿井冲击地压的预测与危险性评价工作中。

地质动力区划及其在冲击地压研究中的应用

冲击地压的实质是煤岩体内积聚的弹性变形能突然释放的动力现象,是煤矿重大动力灾害之一。地质动力区划认为现代地质构造运动等内动力作用和构造应力场对矿井动力灾害的孕育、发生和发展过程具有重要影响。地质动力区划主要研究内动力地质作用对人类工程活动影响,在煤矿开采领域主要用于研究现代构造运动影响下的冲击地压等矿井动力灾害问题。辽宁工程技术大学地质动力区划团队根据中国大陆的构造运动和构造形式的特点,在俄罗斯И.М.巴图金娜院士和И.М.佩图霍夫院士创建的以断块构造划分为核心内容的地质动力区划方法基础上,经过30余年的研究和实际应用,对地质动力区划的研究内容进行了广泛拓展,创建了地质动力环境评价方法、煤岩动力系统与能量特征分析方法和矿井动力灾害多因素模式识别方法,开发了岩体应力分析系统和地质动力区划信息管理系统,丰富和深化了地质动力区划理论和方法,开创了地质动力区划研究的全新体系,为冲击地压、煤与瓦斯突出等矿井动力灾害的危险性预测与防治提供了全新的研究方法。笔者介绍了地质动力区划及其在冲击地压研究方面的部分应用成果:(1)基于地质动力区划的煤岩动力系统分析方法,计算确定的系统“损伤区半径上限值”作为冲击地压工作面超前支护范围的参考值,为冲击地压矿井确定超前支护范围提供了依据;计算确定的系统“影响区半径上限值”作为冲击地压矿井工作面开采影响范围参考值,为确定2个采煤工作面之间的距离提供了依据。(2)基于地质动力区划的多因素模式识别方法,在地质动力区划信息管理系统的支持下,实现了冲击地压危险性的分单元精细化预测,为矿井提供了更精确的冲击地压危险性区域空间定位和更准确的冲击地压危险程度预测结果,提高了矿井冲击地压危险性预测的准确性和时效性。地质动力区划在中国的义马、鹤壁、鹤岗、双鸭山等矿区的40多个煤矿的动力灾害危险性预测和防治工作等方面得到了广泛应用。