特厚近直立煤层上覆煤柱诱发冲击地压的机制研究及应用

通过建立特厚近直立煤层开采中上覆煤柱的力学模型与数值模型,分析了上覆煤柱及其围岩的力学状态,得出上覆残留煤柱的存在对冲击地压有明显影响,其诱发冲击地压的机制为在高水平应力作用下,在煤柱边缘形成剪切区,剪切区的煤岩层存在应力集中并积聚了大量的弹性能,容易失稳诱发冲击地压。通过分析高能量微震事件的分布规律及冲击显现的震源定位,验证了煤柱诱发冲击地压的机制。针对这一诱发机制,对剪切区应用岩层注水及煤岩深孔爆破措施,有效地降低煤柱剪切区的应力集中程度,使煤岩层平稳地释放弹性能,降低了冲击危险性。

乌东煤矿近直立特厚煤层上覆高阶段煤柱回采方法及应用

针对乌东煤矿近直立特厚煤层上覆高阶段煤柱安全回采问题,分析了上覆高阶段煤柱回采条件,提出了上覆高阶段煤柱回采处理方案,开展了近直立特厚煤层综放工作面回采高阶段煤柱工程实践。研究结果表明,在上覆高阶段煤柱中部专用爆破巷对煤柱进行预裂爆破,并在煤柱底部布置综放工作面对高阶段煤柱进行回采,解决了近直立特厚煤层上覆高阶段煤柱安全回采难题,消除了高阶段煤柱的安全隐患,为矿井+564 m分层以下深部资源开采创造了条件。

基于地质动力区划的近直立特厚煤层冲击地压危险性评价

基于地质动力区划方法,确定了乌东煤矿冲击地压主要影响因素及其相互作用关系,对乌东井田发生冲击地压的地质动力环境进行了评价。乌东矿区位于博格达断裂带体系中,断裂带北缘处于强烈的压缩状态中,井田受构造活动的影响强烈。地质动力区划方法确定了断裂活动特征与井田构造形式,在分析了近直立特厚煤层原始应力的基础上,建立了近直立特厚煤层冲击地压的危险性评价方法,确定了乌东煤矿南采区冲击地压点主要发生在高应力区和应力梯度区。应用FLAC3D数值计算方法,确定了开采活动对乌东煤矿冲击地压的影响,并对冲击地压危险区域进行了划分与预测。研究表明,在构造应力的影响下,乌东井田围岩能够产生较大的压缩应变,积聚较高的弹性潜能,为冲击地压的发生提供了能量条件,开采活动使工作面所在煤体的弹性能更加接近由稳态向非稳态转变的临界,增大了冲击地压发生的危险性。在南采区的高应力区和应力梯度区应加强冲击地压监测和采取解危措施,避免冲击地压的发生。

近直立特厚煤层上采下掘冲击地压危险性分析

为了确定新疆乌东煤矿近直立特厚煤层单翼工作面在上采下掘期间防止冲击地压危险发生的合理采掘相向安全距离,采用数值模拟、微震监测和现场实测的方法进行研究。基于数值模拟方法研究了上采下掘期间不同相向距离的应力演化规律和影响范围,根据微震监测和现场冲击地压案例分析了上采下掘与冲击地压危险关系。结果表明:上分层工作面与下分层掘进工作面相向的距离与煤体应力集中和微震事件发生频次呈正相关关系,该条件下上采下掘相向最小安全距离为100 m,上采下掘活动引起的煤体高应力集中和围岩剧烈活动是诱发下分层掘进工作面冲击地压显现的原因,通过采取及时停止下分层掘进的措施,成功地避开了掘进巷道冲击地压灾害,进而验证了分析结果。

近直立特厚冲击煤层保护层优选方案研究

为了研究保护层开采对近直立特厚煤层的解危效果,以乌东煤矿南采区为研究对象,应用FLAC3D数值计算方法,通过增加单侧煤层开采水平数量,计算岩柱本身及被保护层垂直应力和最大主应力分布的变化情况,对两个保护层的保护范围和保护效果进行评价,应用理论分析和相似材料模拟方法对优化方案进行了验证。结果表明:无论B1+2煤层或B3+6煤层作为保护层,均可降低被保护层煤体的垂直应力与最大主应力,应力降低值与两个工作面相对高差成正比;随着B1+2煤层的开采,将同时降低岩柱的垂直主应力和最大主应力;随着B3+6煤层的开采,岩柱的垂直应力将呈现逐渐升高的趋势,增大了冲击地压发生的危险性。当B1+2煤层作为保护层时,可使岩柱局部区域的应力升高1.14%;但当B3+6煤层作为保护层时可使岩柱局部区域的应力升高6.17%。将B1+2煤层作为保护层可降低岩柱垂直应力的升高幅度,降低冲击地压发生危险。B3+6煤层开采对B1+2煤层起到保护效果时的岩柱宽度应小于60 m,B1+2煤层开采对B3+6煤层起到保护效果时的岩柱宽度应小于80 m。

近直立特厚煤层水平分段开采围岩应力变化规律

基于近直立特厚煤层水平分段开采过程中发生的强矿压显现问题,笔者通过现场实测、力学分析与数值模拟计算的方法研究了其围岩运动特征及矿压显现应力演化规律。研究表明:近直立特厚煤层水平分段开采围岩运动受采掘扰动影响较大,主要集中在开采水平及以下范围;水平应力是影响围岩运动与矿压显现的主要因素,在开采水平及以下范围出现了应力集中现象,水平应力呈类似"马鞍"形分布,主要影响范围为开采水平往下延深0~50 m,峰值位置位于开采往下30 m左右,应力集中系数达到了1.55,上覆采空区围岩破坏形态为近直立的半圆拱形。研究结果在一定程度上解释了现场在开采水平与下一水平多次发生的强底鼓等矿压显现现象。

近直立特厚两煤层同采冲击地压机理及防治

针对急倾斜特厚煤层特殊的赋存条件和开采技术条件,基于区域构造应力特征和地应力实测结果,建立了急倾斜特厚煤层水平分段开采两侧采空岩柱的外伸梁力学模型,分析得到了近直立特厚水平分段两煤层同采条件下两侧采空岩柱对煤体的"撬杆效应"构成了冲击地压的力源并获得其表达式,提出了由于该力源作用在煤体上产生的应力随时间的变化率达到或超过煤体的动态破坏应力指数而发生冲击地压的致灾机理。数值模拟结果和现场微震统计结果表明,主要受水平构造应力影响下的两侧采空岩柱在开采水平以下出现了应力集中和能量集中区域。据此提出了在开采水平超前工作面定期通过爆破和高压注水降低岩柱应力集中程度进行冲击地压解危,效果检验表明防治效果显著。

近直立特厚煤层组“顶板-岩柱”诱冲机理及防控实践

乌东煤矿南采区近直立特厚煤层由于地质条件复杂及采煤方法的特殊性,使水平分段开采过程中动力灾害频发。为了降低冲击地压发生风险,以乌鲁木齐矿区乌东煤矿南采区B_(3+6),B_(1+2)煤层为研究对象,综合运用现场调研、理论分析等方法,研究直立特厚煤层开采条件下冲击地压机理,分析近直立煤层顶板与煤层之间的结构并建立力学模型,对煤层间岩柱的稳定性进行研究。计算结果表明,顶板变形挤压和岩柱撬转的共同作用是导致B_(3+6)煤层发生冲击地压的主要原因,它们为冲击地压的发生提供了高静应力条件,极大地增加了B_93+6)煤层发生冲击地压的可能性;顶板的断裂滑移破断和岩柱的局部破坏为B_(3+6)煤层冲击地压发生提供了动力条件,该动力扰动与煤层高静应力的叠加是导致B_(3+6)煤层虽浅埋深较浅却发生冲击地压的主要原因。基于分析结果并结合现场实践,开展顶板和岩柱超前预裂爆破卸压及岩柱地面爆破的综合卸压措施,现场实践表明,采取的防控方法能有效降低煤岩体应力集中和围岩活动强度,减小近直立特厚煤层冲击地压发生概率,为乌东煤矿近直立特厚煤层开采的冲击防控提供借鉴。

近直立特厚煤层深孔爆破防治冲击地压效果检测

为了对近直立特厚煤层冲击地压进行防治,采用地面岩柱深孔爆破方法对煤层间岩柱进行预裂爆破,并采用地面EH-4探测法和井下瞬变电磁探测法对爆破前后岩柱体的物理力学结构进行探测,对卸压效果进行分析。EH-4探测表明,深孔爆破后岩柱结构破坏明显,在+550^+650 m水平范围时,岩柱体的电阻率等值线由近直立向近水平发育,视电阻率值主要集中在150~250?·m,明显高于未爆破区域;井下瞬变电磁探测表明,深孔爆破后岩柱裂隙增大,探测区域前方20~90 m,视电阻率值从爆破前的25~86?·m增加到爆破后的84~216?·m,出现高阻异常区域。深孔爆破后岩柱破碎效果较好,岩柱体内积聚的弹性能得到释放,卸压效果明显,有效降低了冲击地压发生的危险性。

近直立特厚煤层直接顶初次破坏特征

近直立煤层在开采过程中直接顶的破坏将直接影响采场及巷道的稳定,针对近直立特厚煤层采用水平分段开采过程中直接顶所处的应力状态及其破坏特点,建立了与之对应的四边固支的薄板力学模型;采用FLAC^(3D)数值模拟和正交分析的方法开展4个因素3个水平9组数值模拟实验,模拟分析了埋深、倾角、侧压系数和最大主应力方向等4个因素对直接顶法向应力分布的影响特征,结果表明,近直立特厚煤层在开采过程中,作用在直接顶上的法向应力可以简化为均布载荷;采用伽辽金法求解了均布载荷作用下的直接顶挠度,并应用胡克定律和弧长定理对直接顶岩层不同位置处的拉应力进行求解,通过计算获得了直接顶在破坏前拉应力的最大值及其对应的位置;以最大拉应力强度准则为岩层破断依据,最终得到了近直立特厚煤层在采用水平分段综放开采条件下的初次破断垮距。

近直立特厚煤层冲击危险源辨识及控制研究

为研究乌东煤矿南区近直立特厚煤层在特定区域冲击地压频发的原因,以五一煤矿、大梁煤矿的保护煤柱、大洪沟防洪渠保护煤柱、不同水平分层终采线形成的台阶结构等特定区域为工程背景,采用PASAT M便携式微震仪、ARAMIS M/E微震监测系统,开展近直立特厚煤层特定区域冲击地压致灾的动静载荷源辨识,得到了近直立特厚煤层引发冲击地压的静、动载荷源,针对冲击地压致灾的动载荷源,开展了近直立特厚煤层冲击地压分源控制实践。研究结果表明:特定区域是近直立特厚煤层冲击地压致灾的主要静载危险源,易引起煤体局部高应力集中;B_2-B_3煤层间岩柱活动是近直立特厚煤层冲击地压致灾的主要动载源,围岩活动产生的冲击致灾高能事件,70.4%发生在两煤层之间的岩柱中;采用煤体卸压爆破和煤层注水方法进行冲击静载荷源控制,通过多水平联合岩柱控制方法开展冲击动载荷源控制。实践表明:采取的分源控制方法有效降低了煤岩体应力集中和围岩活动强度,有效减少了近直立特厚煤层冲击地压灾害的发生频次。

基于微震监测的近直立特厚煤层冲击危险区域划分

为对乌东煤矿南区近直立特厚煤层工作面冲击地压危险区域进行划分,综合利用地应力测试、煤岩物理力学实验等研究方法确定了近直立煤层冲击地压致灾因素。建立了上分层煤层开采期间的不同微震等级与冲击危险区域的内在联系,同时基于上下分层相似原理划分了+450水平B3+6工作面冲击危险区域。结果表明:近直立特厚煤层同一煤层上下分层开采,冲击地压危险区域具有相似性和反复性。研究结果对近直立煤层冲击危险区域划分有一定的指导意义。

乌东煤矿近直立特厚煤层智能化工作面建设

近直立煤层由于独特的煤层赋存条件,存在信息孤岛严重、智能化应用水平低、人员劳动强度较大等问题。基于智能矿山建设要求,开展了乌东煤矿近直立特厚煤层智能化工作面建设,针对性地对乌东煤矿近直立特厚煤层智能化工作面建设实践、关键技术进行了研究。构建井下采煤工作面集中控制系统,实现对采煤工作面设备的协调管理与集中控制;集成接入煤矿生产集中控制系统,实现采煤工作面的远程集中控制和现场少人安全作业。乌东煤矿近直立特厚煤层智能化工作面建设实践形成以“工作面自动控制为主、集控中心远程干预为辅、放煤程序有人干预”的智能化生产模式,实现记忆截割、自动跟机移架、一键启停、远程放煤、工作面胶带智能调速、液压支架姿态监测等功能,所有设备具备远程集中控制和监测功能,工作面单班作业人数由10人减少至5人,实现了工作面快速智能开采、智能化减人、煤矿降本增效。

近直立特厚煤层顶底板注水弱化研究

近直立特厚煤层采空区坚硬顶板及岩柱失稳严重制约着水平分段综放工作面的安全生产。随着水平分段工作面向深部延伸,采空区空间尺度增大,在开采过程中容易形成大面积悬顶,给工作面安全生产带来隐患。通过理论计算、数值模拟及现场试验,结果表明注水效果显著。

近直立特厚煤层中间层岩柱破裂致灾因素及其治理研究

为研究乌东煤矿南区近直立特厚煤层工作面冲击地压围岩失稳致灾的过程,采用钻孔窥视探测围岩的裂隙发展,利用数值模拟研究近直立特厚煤层分层开采过程的破坏失稳过程,基于微震监测获得围岩裂隙产生、扩展、破坏失稳过程产生的微震事件,进而揭示冲击地压围岩破坏失稳致灾过程。

近直立特厚煤层应力调控防冲方法及机制

近直立特厚煤层的地质与开采条件与一般煤层差异较大,冲击地压防治形势严峻.本文综合采用理论分析、数值模拟、现场监测等方法,研究了近直立特厚煤层动静载力源分布特征,提出了应力调控防冲方法,揭示了其防冲机制,并进行了工程应用.结果表明:近直立特厚煤层主要受水平构造应力作用,水平应力通过工作面两侧的顶底板岩层传递至煤层中,并在巷道上下方形成静载集中区;近直立特厚煤层顶底板岩层难以发生破断,然而顶底板岩层破裂释放能量可形成强动载扰动;动载扰动作用于巷道上下方静载集中区并与集中静载叠加可诱发冲击地压.据此,提出了弱化工作面两侧顶底板岩层和下方煤体的应力调控防冲方法,其防冲机制为:弱化顶底板一方面可弱化岩体传递水平应力的能力进而降低巷道上下方的静载集中,另一方面可降低岩体静载集中进而减弱岩体破裂导致的动载强度;弱化煤体可进一步降低巷道下方静载集中并将静载集中区向深部转移.对近直立特厚煤层现场实施的防冲措施进行了优化设计并确定了关键参数,应用表明,工作面高能级微震事件减少了143~178起、微震事件总能量降幅达90%,未发生冲击显现,工作面冲击危险性显著降低,证实了方法的有效性.研究成果可为近直立特厚煤层冲击地压防治提供支撑.

近直立煤层水平分段开采夹持煤体型冲击机理及防治

针对目前近直立特厚煤层水平分段开采条件下动力灾害发生的现状,综合运用理论分析、数值模拟等研究方法,分析了顶底板和煤体3者形成的结构并建立力学模型,认为近直立煤层在顶底板两侧均受到支承压力的夹持挤压,正是这种夹持力构成了冲击力源,经过力学推导,得出表征力源集中程度和发展趋势的关系式。采用数值模拟方法分析了开采后夹持煤体的应力分布特征,对理论分析进行了验证。结果表明:从工作面水平直至下方约70 m深度的煤体出现了应力集中现象,夹持煤体的增压区才是发生动力灾害的直接危险源。基于分析结果,在工作面巷道进行顶底板预裂和煤体卸压爆破等原有卸压措施的基础上,提出在夹持煤体中掘进爆破卸压巷的防治方案,为近直立特厚煤层水平分段开采冲击灾害防控提供借鉴。

动载诱发近直立煤层水平分段开采冲击矿压的数值模拟研究

针对近直立煤层特殊的赋存条件和水平分段开采的技术条件,建立顶底板夹持梁的力学模型,对诱发冲击的动静载力源进行简要分析。基于分析结果采用FLAC3D数值模拟方法分析了动载作用下近直立特厚煤层工作面煤体应力、位移等的动态响应特征,进而揭示了冲击显现机制。结果表明:在顶底板围岩破裂产生震动效应传播而来的冲击载荷扰动下,近直立煤层工作面底煤水平应力先升高后瞬间大幅降低,垂直位移也突然增大,煤体自身平衡状态被打破,易诱发冲击显现。基于近直立煤层冲击诱发机制,提出了煤体卸压爆破和顶、底板预裂爆破等解危措施并在现场实施,解危效果显著。

近直立特厚煤层冲击地压致灾过程分析

为了揭示近直立特厚煤层冲击地压发生过程,采用PASAT-M便携微震仪和ARAMIS M/E微震监测系统进行近直立特厚煤层冲击地压致灾因素识别。利用PASAT-M便携式微震仪对水平分层开采形成的"高阶段"区域应力异常进行探测,以及ARAMIS M/E微震监测系统对近直立围岩进行监测,研究了"高阶段"区域的应力分布和围岩的致灾关键层与近直立煤层冲击地压发生关系。结果表明:应力异常和"诱冲关键层"是近直立特厚煤层的冲击地压主要致灾因素,"高阶段"区域致灾因素是煤体高应力集中,"诱冲关键层"是B2-B3煤层之间的岩柱,近直立特厚煤层冲击地压致灾过程是采掘活动扰动下的煤体高应力释放过程和由"诱冲关键层"产生的"诱冲事件"引发冲击显现的过程。

近直立特厚煤层组中间岩板诱发冲击矿压机理及其防治

近直立特厚煤层具有煤层厚、赋存倾角大、煤层间岩石层坚硬的特点,在煤层组群联合开采过程中,煤层间岩板是诱发煤层采掘空间冲击矿压灾害发生的关键因素。通过研究煤岩体内微震事件与应力集中之间的关系,分析了煤层间岩板诱发冲击矿压的机制。采用弹性理论,建立了煤层间岩板破断力学模型,得到了岩板破断时能量计算公式。提出了降低岩板破断时悬顶尺寸,破坏煤岩体完整性,使煤岩体中的动静载叠加应力始终小于引发冲击矿压的临界值以下,从而避免岩板破断诱发冲击矿压的防冲机理。通过对煤层间岩板进行注水爆破和煤体注水,降低了岩板和煤层微震事件频率和能量值,卸压效果显著,有效避免了岩柱诱发冲击矿压。