Practices on rockburst prevention and control in headrace tunnels of Jinping II hydropower station

Rockburst problems induced by high in-situ stresses were prominent during construction of the headrace tunnels of Jinping II hydropower station. The rockbursts occurred in various forms, and it is necessary to take pertinent measures for integrated prevention and control of rockbursts. In view of the rockburst characteristics during tunnel construction of Jinping II hydropower station, the engineering geological conditions were presented, and the features, mechanisms and forms of rockbursts observed during construction were analyzed in detail. A large number of scientific researches, experiments and applications were conducted. Multiple measures were adopted to prevent and control rockbursts, including the prediction and early warning measures, stress relief by blasting in advance, optimized blasting design and optimized tunnel support in the tunnel sections prone to strong rockbursts. The effectiveness of these prevention and control measures was evaluated. Experiences have been accumulated through a great number of helpful explorations and practices for rockburst prevention and control. A comprehensive rockburst prevention and control system has been gradually established.

煤矿防冲钻孔机器人全自主钻进系统关键技术

针对高地应力矿井钻孔卸压作业智能化程度低的技术难题,总结分析了国内外钻孔卸压技术和装备的研究现状,指出研发高性能、高可靠、高效率的防冲钻孔机器人全自主钻进系统是破解冲击地压防治难题的重要发展方向。为此,凝练了影响钻进系统性能的“孔位精准识别、钻具姿态精确感知、无线电磁随钻智能检测、钻具运行状态智能识别和钻进系统精确控制”五大关键技术,并给出了解决思路和方法。针对在复杂恶劣环境下卸压孔的精确识别问题,设计了融合图像尺寸调节和多阶段训练模式的卸压孔图像样本扩充SinGAN模型,引入多层特征融合优化的FasterRCNN,构建了基于改进SqueezeNet轻量级网络架构的孔位识别模型,以实现卸压孔位的准确快速识别;针对钻具姿态精确感知问题,提出了基于改进梯度下降法算法优化无迹卡尔曼滤波的惯性测量单元(Inertial Measurement Unit,IMU)初始对准方法,设计了多个IMU的空间阵列布局方式,研究了基于BP神经网络的钻具姿态误差补偿方法,旨在提高钻具姿态的解算精度,实现精准钻孔卸压;针对复杂地质环境下钻进工况的精确检测问题,搭建了煤矿井下随钻测量无线电磁传输系统架构,探讨了微弱电磁波信号自适应调制和随钻高速双向电磁传输技术原理,研究了孔底地质参数、几何参数和工程参数的测量原理和实现过程;针对钻进系统运行状态识别问题,构建了钻进信号时域、频域、时频域的多域特征和深度网络高级特征提取架构,提出了钻进系统关键零部件健康状态评估和故障诊断技术,构建了基于改进蝙蝠优化长短期记忆网络的卡钻风险因子预测模型,实现对卸压钻具卡钻状态的准确预测;针对钻进系统的精确控制问题,分析了钻进系统的液压系统工作原理,构建了考虑煤岩性状的钻进系统精确控制方案,探讨了基于转矩和位置的钻进系统最优控制参数求解原理,旨在实现钻进回转系统和给进系统的智能协同控制和并行作业。

构造煤层顶板爆破跨界面致裂增透机制研究及应用

深部煤炭开采地质条件恶化,原生煤在多期构造运动作用下形成松软低渗高瓦斯构造煤层,煤层钻孔施工困难,爆破增透产生的裂隙不发育且易于重新压实。针对目前构造煤层顶板爆破致裂增透关键技术没有得到根本突破问题,构建试验模型进行煤层顶板爆破相似模拟试验和数值分析,监测跨界面应力波传播和宏观三维裂隙演化形态,再现了爆破应力波传播和煤岩体内部损伤破坏过程。研究表明:(1)构造煤层爆破损伤范围主要集中在爆破孔和煤层上下煤岩交界面附近煤体;构造煤顶板爆破产生跨界面致裂卸压裂纹,爆破损伤沿爆破孔向四周岩体扩展,最后蔓延到煤层底板,爆破孔位置和上部煤岩交界面以及煤层内部的损伤较为严重。(2)爆破应力波从构造煤层顶板传播到煤岩交界面时发生波的透射和反射,透射的压缩应力波破坏煤体;反射的拉伸应力波反作用于煤岩交界面区域岩体。(3)爆破累积损伤产生的跨界面交叉裂纹卸压,使顶板岩层裂隙和构造煤层裂隙贯通,有利于构造煤层的瓦斯垂向运移流动和卸压瓦斯抽采。现场应用表明,煤层顶板爆破瓦斯抽采纯量及其浓度快速上升,瓦斯抽采纯量从爆破前的0.07 m^(3)/min提高到1.73 m^(3)/min,体积分数从10.46%上升到68.50%,并且长时间维持在较高水平。研究成果可为深部构造煤层瓦斯高效抽采提供理论基础和技术支持。

深孔轴向多段间隔装药孔壁冲击压力分布

为确定地下垂直长深孔爆破时合理的空气间隔长度,基于爆轰波理论,分析了多段间隔装药爆破条件下孔壁冲击压力随间隔长度变化的内在分布规律函数;依据Mises准则,得出了不同岩性时合理的间隔长度参考值,并通过数值模拟和现场爆破试验进行了验证。结果表明,空气间隔段孔壁冲击压力沿炮孔轴线从两端向中间骤降,但在中点周围略微增大,压力曲线呈两端大、中间小、中点周围略微凸起的“W”形对称分布。

鄂西磷矿岩爆现状及治理措施研究

针对鄂西磷矿,在深入调查苏家坡磷矿、麻坪磷矿、桃郁溪磷矿等矿山地质特征及岩爆现象的基础上,分析了鄂西磷矿岩爆灾害主要发生部位、埋深及岩性等影响因素,提出了适合鄂西磷矿岩爆的治理措施:对鄂西地下磷矿进行地应力测试,根据地应力测试结果,优化回采顺序,减少应力集中区域,并在局部区域开展卸压和支护措施,保障井下安全开采。

深孔聚能预裂爆破切顶卸压机理与应用

为解决悬顶导致的煤柱及邻近巷道高应力和大变形问题,结合工作面顶板地质条件,提出深孔聚能预裂爆破切顶卸压专项方案,采用数值模拟及现场试验对卸压效果开展综合研究。研究结果表明,煤层顶板在切顶后垂直应力减幅为21.62%,预裂切顶措施可显著降低煤柱及邻近巷道围岩应力水平。试验发现,炮孔内轴向贯穿裂缝明显,可实现采空区顶板及时垮落。顶底板在切顶后累计位移量减幅达59.27%,巷道两帮及顶底板移近变形得到有效控制,煤柱垂直应力增量显著降低。实践证明,采用深孔聚能预裂爆破切顶卸压效果显著,可大幅提高作业效率,为类似矿压防治工程提供借鉴。

高应力软岩巷道破坏特征及最佳支护技术研究

针对深部软岩巷道的支护问题,通过相似模拟和数值模拟对比分析了巷道分别在无支护、锚网索+钢棚支护以及置孔释压支护下的巷道变形情况。研究结果表明:无支护措施时的巷道变形在所受应力达到10 MPa时最大,巷道围岩的破坏状态也最为严重,顶板及两帮围岩的裂缝发生了贯穿,围岩局部甚至出现了坍塌现象;而在锚网索+刚棚支护作用下的巷道围岩抵抗高压的能力得到了明显提升,其在受力达到20 MPa才开始在巷道周围出现压缩破坏现象;而置孔释压支护下巷道围岩的承压能力得到了大大增强,其在所受应力达到30 MPa时依然可以保证巷道围岩表面的完整,不至于出现明显的裂缝和破坏。因此,置孔释压支护在改善高应力软岩巷道变形方面效果更优。

煤矿岩巷掘进技术现状及展望

巷道是矿山的“血管”,其掘进效率高低、技术的成熟与否及安全性直接影响着矿山的开采效率。目前,国内煤矿岩巷常用的掘进手段主要有爆破掘进、机械化掘进和爆破-机械联合掘进。爆破掘进分为人工钻爆法掘进和液压钻车钻爆法掘进;机械化掘进有综掘机掘进和TBM掘进;爆破-机械联合掘进主要是针对硬岩,通过超深孔爆破对岩体整体强度进行弱化,最后采用机械化进行掘进。本文归纳分析了煤矿岩巷掘进应用实例,首先介绍了以上三种方法常用的钻孔设备,对比分析各掘进技术的优缺点,然后阐述这几类掘进方式存在的技术性难题。人工钻爆法具有成本低、使用便捷等优势,但因其劳动强度大、凿岩效率低,以及工作面环境差等劣势十分明显,大多数矿山爆破掘进则采用液压钻车钻爆法,案例分析发现人工钻爆法和液压钻车钻爆法平均循环进尺分别为1.7 m和2.1 m,随着巷道断面面积增加,单位巷道断面面积的炮孔数目和炸药单耗有变小的趋势;机械化掘进可以有效提高掘进效率、节约劳动力,但对于强度较高的岩石,会导致其截齿的快速损耗,并且粉尘率较高;另外TBM过大的转弯半径、体积、造价限制了其在中小型矿山使用。爆破-机械联合掘进具有较大的灵活性,但在地应力条件下的爆破裂纹空间形态、堵塞长度等方面理论研究不够深入。最后,本文阐明了当前煤矿岩巷掘进面临的一些有待解决的理论技术问题,以及未来岩巷掘进的发展趋势。

我国深部冲击地压防控工程技术难题及发展方向

随着煤矿开采深度不断加大,我国深部冲击地压发生及其防治变得常态化,为了提高深部冲击地压防控技术成效,从深部冲击地压防控现场工程技术难题出发,结合灾害防治工程实践数据统计,分析了我国深部冲击地压防控因自身地质赋存地应力高,人为开采扰动范围大,灾害防治过程围岩卸压后应力恢复快,冲击地压防治成效低下原因归结于防冲卸压工程实施与浅部开采相比,面临“三高一低”防控技术新要求,包括高强度的大尺寸钻孔卸压,以解决厚硬煤层不容易塌孔问题;小间距高密度施工钻孔,以解决钻孔卸压范围不联通问题;多轮反复高频度施工,以解决深部煤层卸压后应力恢复快问题;采掘工作面进尺低速度推进,以解决开采扰动强度大问题。针对深部冲击地压“三高一低”防控新要求模式,为了进一步提高冲击地压防控安全可靠性,以常规源头防控冲击地压采用优化开拓开采部署的局限性为背景,提出了深部冲击地压上覆岩层结构与载荷主动调控区域防控冲击地压技术,并提出了进一步需要解决的科学问题;以近年来几起典型的冲击地压事故存在防治方案“漏靶”问题为背景,开发了深部冲击地压采掘空间局部靶向防控技术,并指出了下一步还需要解决的科学难题;以煤矿冲击地压防治措施实施后,难以评判安全性问题为背景,提出了深部冲击地压防治卸压达标评判技术,并指出了下一步还需要解决的科学难题;以煤炭行业大力推广开采智能化,治灾仍需靠人工,人员处于高危环境作业问题,探索了深部冲击地压防治过程智慧智能化新兴研究方向及其面临的科学难题。最后,客观的指出,冲击地压防控绝不纯粹是理论与技术问题,人类对专业问题的认知也是酿成事故的重要原因之一,结合现场工程实践,讨论了冲击地压概念、冲击地压机理是否清楚、冲击地压能否预测、冲击地压能否防治以及冲击地压矿井怎么办等行业焦点专业问题,指出冲击地压工程难题是人类与自然界作斗争,需要从业人员客观认知,客观接受并深入研究,成效是显著的。

有限空间新建设施基坑开挖沉降特征及小变形控制

针对有限空间新建基坑变形控制难题,采用理论分析、数值推演和工程实践相结合的研究方法,建立了考虑应力释放的有限空间夹持力学模型,推导了夹持应力与地层损伤因子的函数关系,研究了应力释压孔对有限空间地层应力的影响特征,提出了变形支挡–应力阻隔一体结构控制方法,并通过北京科技大学工程实践基地(二期)验证该方法的有效性.结果表明,地层损伤因子与夹持应力呈线性负相关关系,随开挖深度逐渐增大,布设释压孔可有效降低有限空间夹持应力,释压孔有利于调整地层夹持应力和控制地层变形,变形控制率为33.48%~58.72%,且变形支挡–应力阻隔一体结构控制方法的水平变形控制率为28.57%~37.91%,地层沉降变形控制率为36.86%~54.26%,与数值模型计算结果趋势相同,论证了理论分析和数值推演结果有效性,为有限空间基坑稳定性控制提供数据支撑.

坚硬顶板群临空巷道强矿压显现特征及控制

为解决局部坚硬顶板群破断,致临空巷道强矿压显现的顶板安全问题,以酸刺沟煤矿6_(上)207工作面为研究背景,精准测定了坚硬顶板群分布范围与巷道强矿压显现特征,开展了巷道临空侧坚硬顶板群深孔定向爆破压裂卸压,并揭示了卸压机理。结果表明:坚硬顶板群分布于工作面采位2240~2840 m,强度均大于53 MPa,其失稳破断是造成6_(上)207辅运巷强矿压显现的根本原因。采用深孔定向爆破技术对22~55 m坚硬顶板群进行了压裂,使得破断块体回转挤压转变为滑移垮落,卸压效果显著。保证了酸刺沟煤矿安全生产。

煤层折曲构造区巷道深孔预裂爆破卸压研究

为了解决掘锚一体机进行巷道掘进的过程中造成的巷道片帮问题,以某煤矿的一条掘进运输巷爆破工程为背景,采用理论分析、数值模拟及现场测试等方法对预裂爆破卸压机理、预裂爆破前后应力分布、巷道爆破振动衰减规律等几个方面展开深入的分析。通过分析可知,预裂爆破对于降低巷道快速掘进导致的压力过大和巷道出现的片帮问题,具有较好的作用。研究成果希望能对快速掘进巷道爆破卸压提供有意义的参考。

安庆铜矿深部矿体高阶段大直径深孔采矿应用研究

大直径深孔采矿是基于凿岩设备、爆破技术、机械化铲装等多方面技术发展而形成的高效采矿方法。在分析安庆铜矿开采技术现状基础上,阐述了矿山采用高阶段大直径深孔采矿技术的工艺布置。在原浅部采场VCR采矿法的基础上,按照大直径深孔采矿工艺要求对孔网布置、爆破方式、采场边界控制爆破等进行优化,提出了VCR法拉槽侧向分段崩落的回采方式。通过在矿山深部采场应用,取得了采场单日最大出矿量超过900 t、大块率控制在5%以内、充填体混入率小于8%的效益。安庆铜矿的大直径深孔采矿实践证明,该项技术是增加采矿量,扩大回采规模,提高劳动生产率和经济效益的有效途径,为国内外类似矿山应用该方法提供了借鉴。

控制爆破法在竖井井壁开切卸压槽中的应用

基于井壁破裂理论分析、岩体爆破理论分析、控制爆破理论分析,并结合某风井破裂部位控制爆破开切卸压槽工程实践,对控制爆破技术在井筒破裂部位快速开切卸压槽展开研究。通过理论结合实践,将“分区爆破、竖向掏槽、两侧扩刷”的控制爆破技术成功应用在竖井破裂井壁控制爆破开切卸压槽工程中,取得了良好的施工效果,给相关矿井破裂井壁控制爆破开切卸压槽的控制提供了指导意义。

大型金属矿山深孔采矿两率指标管控技术创新与应用

石人沟铁矿回采采用深孔凿岩穿孔爆破,原垂直走向布置矿房和沿矿体走向布置矿房在矿房布置和穿孔方式上未按现场变化进行技术优化,导致深孔凿岩过程中未能根据矿体实际产状进行精准调整,造成矿体上盘和下盘矿石严重损失贫化,直接影响矿石两率指标,造成矿山生产成本偏高,使得矿石资源未能被充分利用。对此,技术人员进行矿房设计优化及凿岩施工过程管控,提高矿体内有效凿岩率,避免矿体外凿岩造成的工程浪费,矿体上盘和下盘的损失贫化率近乎于零。结合现场生产实际,精准实施多排毫秒延期爆破技术提高爆破效果,有效控制了大型矿山深孔采矿两率指标,提高了矿山生产效益。

顶板深孔聚能爆破卸压护巷工艺

王坡矿3306运输顺槽在3308综采工作面回采动压影响期间,出现了两帮强烈挤压、顶板破碎下沉和底板底鼓的全断面变形。为减小3308回采工作面对留用巷道的有害变形,避免留用巷道围岩剧烈变形破坏后进行二次维修,在3308回风顺槽顶板采用了深孔聚能爆破预裂卸压技术。FLAC^(3D)模拟表明采取切顶措施后,靠近上端头区高应力区范围及高应力集中系数呈现明显缩小态势,留巷煤柱顶、底板岩层中垂直应力峰值降幅均大于20%,窥视表明岩体向上10~25m范围内均产生较为明显的纵向爆破裂隙,现场实测表明预裂后煤柱顶底板及两帮累计移进量分别降低降低60%、40%,顶底板变形速度下降44%。

深孔爆破断顶技术在深井冲击地压防治工作的研究与应用

针对冲击地压影响范围广、破坏能力强、发生频率高、防治难度大的问题,以李楼煤业1303工作面为工程背景,根据相关要求和现场情况制订了合理的断顶爆破工艺和钻孔布置方案。根据微震监测、应力监测和来压步距观测对1303工作面断顶卸压效果进行考察,实验结果表明:10^(4)J及以上能量事件频次下降明显,10^(3)J及以下能量事件频次增加,单位进尺释放能量值下降幅度达40.77%;预警总次数下降了33.33%,预警位置集中在距离断顶孔0~1.5、6.0~6.5 m区域;周期来压步距同比下降5.1%,平均围岩变形量同比减小40.9%,达到了破坏顶板完整性、缩短顶板悬顶长度、减小来压步距,以及释放岩层弹性能的目的,说明针对该工作面采取的卸压防冲技术效果明显,可以有效降低工作面的冲击危险性。

同忻矿山小煤柱工作面矿压综合治理技术试验研究

同忻矿8210小煤柱巷道虽处于采空区侧向应力降低区内,围岩应力环境较好,但同时也伴随着巷道围岩整体松软破碎,小煤柱整体完整性较差,承压能力弱,不利于巷道维护,也为矿山工作面安全管控带来一定隐患。因此,同忻矿山决定开展小煤柱工作面矿压综合治理研究,采用初采切眼爆破放顶、尾巷爆破切顶卸压及头巷水力致裂工艺降低矿压影响,提升初采期间顶煤回收率,控制巷道变形。试验结果表明,初采切顶爆破效果良好,初次来压步距及来压强度得到有效缩短弱化,初采可放煤距离大大缩短。尾巷切顶卸压成功爆破400个孔,围岩控制率提高了37%。头巷超长孔定向水力压裂效果良好,裂隙发育充分,达到预期效果。

大巷高位爆破切顶控制综采工作面采动压力方案研究

山西长榆河煤业在回采15号煤层时采动动压和采空区岩层移动均对东翼胶带大巷和东翼辅助运输大巷有较大的压力显现,出现顶板下沉、底鼓、两帮收敛、工字钢棚变形等现象。针对这一问题,为了保证该矿东采区15108工作面安全顺利开采,决定进行切顶卸压工程。通过分析研究,决定在东翼辅运大巷进行超深孔高位切顶爆破,并对关键层、爆破钻孔布置和参数等进行了研究设计。实践表明,设计的切顶爆破方案实施效果良好,工作面的回采动压被有效阻断,回采期间几乎没有压力显现。

沿空留巷技术在综采工作面的应用

为提高采面煤炭资源采收率、缓解采掘接替紧张局面并为降低巷道掘进成本,将切顶卸压沿空留巷技术应用到3804综采工作面。依据3804综采工作面现场地质条件、顶板岩性,对3804机巷超前支护、切顶爆破以及临时支护方案等进行设计。现场应用后,3804机巷留巷段顶底板、两帮最大收敛量分别为242、283 mm,留巷段围岩变形量较小,可满足邻近采面使用需要。