邻空巷坚硬顶板预裂爆破防冲机理及效果检验

顶板预裂爆破技术是防治冲击矿压的重要手段。以鄂尔多斯地区坚硬顶板邻空侧巷道频繁发生冲击矿压为背景,建立了邻空巷侧向覆岩结构的力学模型及UDEC数值模型,对比了顶板预裂爆破前后邻空侧向覆岩结构及应力演化特征,揭示了顶板预裂爆破防冲机理,开展了预裂爆破防冲实践,并通过现场钻孔探查、窥视、应力监测、微震等多种手段对爆破前后邻空侧向覆岩结构、煤体应力进行了实测,得出:①顶板预裂爆破能促使邻空侧向覆岩发生长臂“F”型→长臂“L”型→短臂“L”型结构转换,缩短了关键层悬臂长度,降低了邻空侧煤体的静载应力,促使煤体应力峰值向深部转移,同时削弱了侧向覆岩破断动载,降低冲击危险;②爆破前后实测低位岩层破断角由57°增大到72°,悬臂长度降低了8.7 m,中高位关键层悬臂长度至少降低了6.8 m,低位岩层预裂爆破诱发中高位关键层破断,证实了邻空侧向覆岩结构发生转换;③爆破前后模拟计算邻空侧煤体应力峰值降幅为5.36 MPa,实测煤体应力最大降幅为5.4 MPa,微震事件能量、频次均明显降低,实测与理论数值结果相一致;④形成了钻孔探查、窥视、应力与微震监测等多手段结合的爆破防冲效果检验方法。

高应力巷道围岩弱结构吸能防冲机理

针对高应力动载巷道围岩变形量大,返修次数多,常规支护手段控制巷道围岩变形收效甚微现状,以霍州煤电辛置煤矿高应力动载冲击巷道为工程背景,分析高应力动载冲击巷道围岩变形破坏特征及规律。基于围岩弱结构吸能原理,建立不同颗粒围岩弱结构数值计算模型,分析围岩弱结构不同颗粒吸能效果,揭示弱结构吸能防冲与巷道支护结构协同作用机理。结合现场实际工况,提出内置钢管支撑护壁及反复钻孔致裂弱结构防冲技术并进行工业性试验。试验结果表明,弱结构吸能防冲与巷道支护结构协同支护,有效达到巷道围岩弱结构吸能防冲不破坏支护结构的目的,发挥“弱中有强”的协同支护作用,试验巷道顶板未发生离层现象,最大变形量为32 mm,巷道两帮最大位移量为203 mm,有效控制巷道围岩变形,为类似高应力动载巷道围岩控制提供借鉴。

吸能防冲锚杆索-围岩耦合振动特征与防冲机理

为提高冲击危险巷道防冲支护的有效性,研发了由内置六角管衬里的吸能套筒、端部设有摩擦圆柱的螺纹钢锚杆、钢绞线锚索与锚杆尾部吸能装置组成的吸能锚杆索。将吸能锚杆索中吸能套筒的作用简化为设置在锚杆底部并联的弹簧与阻尼器,建立了吸能锚杆索-围岩在冲击载荷作用下的三维轴对称力学模型。对黏性阻尼围岩中吸能锚杆索与围岩耦合振动时锚杆顶部动力响应进行了解析研究,获得了锚杆顶部的位移阻抗函数的解析表达。结果表明:在相同频率的冲击载荷作用下,锚杆顶部位移振荡幅值随着围岩黏性阻尼、围岩强度、锚固长度以及锚杆底部阻尼的增加而衰减。采用吸能锚杆索支护时,吸能套筒能够吸收一部分作用在锚杆锚固岩体上的冲击能;后注浆全长锚固增强了支护系统抵抗纵向变形的能力;尾部吸能装置能够削减冲击波的发射拉伸作用;支护系统在冲击载荷作用下的稳定性得到显著提高。在此基础上,初步阐述了吸能锚杆索支护系统的"缓冲-抗震-消波"吸能防冲机理。

井下超长水平孔分段压裂防冲机理及效果

坚硬厚层顶板是冲击地压的主要影响和诱发因素之一,针对冲击地压煤层上方高位厚硬顶板难以实现大范围卸压的难题,开发了井下超长水平孔分段压裂防冲技术。采用CDEM数值模拟方法分析了超长水平孔分段压裂弱化厚硬顶板的卸压防冲效果,结果表明:压裂后高位厚硬顶板垮落更充分,来压步距更短,来压强度更低,同时工作面超前支承压力和巷道侧向支承压力也明显降低。提出了井下超长水平孔分段压裂卸压减冲原理,即通过对具有冲击致灾性的厚硬顶板实施大范围水力压裂,使完整性好的目标岩层形成数量众多、方位和长度不一的网状裂缝,从而大幅减弱岩层的整体强度,使上覆岩层的垂直应力由“硬传递”转化为“软传递”,降低了压裂区域下方煤层的整体静载水平;其次,压裂后坚硬顶板能及时垮落并充填采空区,减小了顶板来压产生的集中动载,使动载效应减弱,冲击风险降低。使用该技术在强冲击危险工作面进行了试验研究,结果表明,压裂期间,水压曲线在裂缝延伸压力区间内呈锯齿形波动,稳定时间长,表明裂缝扩展持续充分;在实施压裂的区域,微震事件由工作面前方向工作面后方和未压裂区转移,同时高能微震事件明显降低、低能微震事件增加,丛集效应弱化,开采扰动范围和顶板活动强度也有明显减小,巷道冲击风险显著降低,工作面最终实现了安全回采。

井下超长水平孔分段压裂防冲机理及效果

坚硬厚层顶板是冲击地压的主要影响和诱发因素之一,针对冲击地压煤层上方高位厚硬顶板难以实现大范围卸压的难题,开发了井下超长水平孔分段压裂防冲技术。采用CDEM数值模拟方法分析了超长水平孔分段压裂弱化厚硬顶板的卸压防冲效果,结果表明:压裂后高位厚硬顶板垮落更充分,来压步距更短,来压强度更低,同时工作面超前支承压力和巷道侧向支承压力也明显降低。提出了井下超长水平孔分段压裂卸压减冲原理,即通过对具有冲击致灾性的厚硬顶板实施大范围水力压裂,使完整性好的目标岩层形成数量众多、方位和长度不一的网状裂缝,从而大幅减弱岩层的整体强度,使上覆岩层的垂直应力由“硬传递”转化为“软传递”,降低了压裂区域下方煤层的整体静载水平;其次,压裂后坚硬顶板能及时垮落并充填采空区,减小了顶板来压产生的集中动载,使动载效应减弱,冲击风险降低。使用该技术在强冲击危险工作面进行了试验研究,结果表明:压裂期间,水压曲线在裂缝延伸压力区间内呈锯齿形波动,稳定时间长,表明裂缝扩展持续充分;在实施压裂的区域,微震事件由工作面前方向工作面后方和未压裂区转移,同时高能微震事件明显降低、低能微震事件增加,丛集效应弱化,开采扰动范围和顶板活动强度也有明显减小,巷道冲击风险显著降低,工作面最终实现了安全回采。

煤层大直径钻孔防冲机理研究

近年来,煤层大直径钻孔作为冲击地压防治技术得到了广泛应用,但关于煤层大直径钻孔防冲机理的研究较少,在确定煤层钻孔参数(钻孔直径、间距、深度)时还是凭借经验。文章基于实验室模拟、数值模拟、力学建模等手段,研究了不同钻孔参数的相互影响特征,为确定合理的钻孔卸压参数提供了依据。

深孔顶板定向水压致裂防冲机理及多参量效果检验

针对深孔顶板水压致裂防冲施工技术参数选择及效果检验的难题,通过理论分析和现场测试探讨了3种不同顶板定向水压致裂防治冲击地压的类型及机理,采用钻孔窥视、应力监测、微震监测等多种检测手段对比分析了压裂前后的防冲效果。研究得出根据深孔顶板水压预裂施工位置及工作面的对应关系,可将顶板水压致裂防冲分为防治煤柱冲击、防治工作面冲击和防治初末采期间工作面冲击3种类型,现场对比分析得出巷道双侧压裂卸压效果优于单侧压裂,顶板压裂促使微震事件向工作面中部转移,工作面周期来压步距和来压期间的动载系数降低,巷道变形量和锚杆(索)应力增量随工作面推进波动上升,但变化幅值和增长趋势明显小于未压裂段。此外,间隙性顶板水压致裂人为在高位顶板制造了空白卸压区,破坏了顶板连续变形和能量传递,工作面进出该区域往往易造成动压显现的发生,为此类工程条件下顶板定向水压致裂参数选取和防冲效果验证提供理论依据和工程指导。

煤层钻孔“双低”防冲机理及应用

针对冲击地压工作面煤层卸压钻孔参数设计依据缺乏问题,通过理论研究和现场实测,研究煤层卸压钻孔的防冲机理和参数设计方法。通过实验室试件试验的全应力应变曲线分析,探索了煤层卸压钻孔"低强度-低密度"防冲机理:卸压钻孔可以改变煤体的物理力学性质,通过降低煤体破坏极限强度和密度,降低了煤体的冲击倾向性,增加了煤体的应变率,在一定范围内形成卸压保护带。卸压钻孔深度采用了现场经验孔深,基于有效应变率,针对煤层条件和卸压孔孔径,设计了卸压钻孔密度参数,已在多个冲击地压矿井现场应用,经钻孔应力监测检验,防冲卸压效果良好。

冲击地压煤层水力扩孔掏槽防冲试验研究

分析了煤层水力扩孔掏槽的防冲机理,研究表明水射流作用在煤岩体表面的内应力与射流压力和喷嘴的直径有关,高压水通过极小射流孔后可形成强大动能对煤岩体表面形成冲击破坏。采用旋转射流器持续冲击煤岩钻孔表面,促使孔壁破坏深度不断增加,同时利用水射流将切割下来的煤渣带出孔外,可使应力集中区内形成体积远大于原卸压孔的巨型空洞,为矿山压力释放提供足够的卸压空间。开发了扩槽孔和排渣孔分离的双孔布置掏槽技术,有效地解决了排渣、卡钻问题,通过对现场3个测点的试验研究表明,掏槽后的空洞大小可达到150mm钻孔的45~60倍,其有效卸压半径能达到4m以上。该技术可显著降低巷道冲击致灾隐患。