Prediction of Rock Burst with Deep Mining Excavation in Linglong Gold Mine

To predict rock burst in deep mining excavation in Linglong gold mine, systematical laboratory tests of mechanical properties of rock, in situ stress measurement and 3-D FEM analysis on energy distribution in rock mass surrounding deep mining rooms were carried out. According to various prediction criteria of rock burst, it is concluded that rock burst is liable to occur during deep mining excavation in the mine.

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。

物理指标与深度学习融合的冲击地压风险等级预测

为探究煤矿智能化开采背景下,冲击地压的预警问题。以数据分析为基础,以河南某矿21181工作面为背景,提出物理指标与深度学习融合的冲击地压预警方法。该方法通过分析大能量事件发生之前,各项物理指标在最大值、趋势性以及相对变化率绝对值3方面特性,得到与之对应的综合物理特征,并分析震源的空间分布特性,根据其特性提出坐标注意力机制,对震源坐标进行加权,得到震源特征。对综合物理特征以及震源特征,加入通道注意力机制对特征进行加权,并使用全连接层进行分类,达到风险等级预测的目的,最终将模型运用于实际工程。研究结果表明:物理指标与深度学习融合的冲击地压预警方法可以达到较高的准确率。研究结果可为实际工程提供一定借鉴。

高延伸率锚索动态力学特性及工程应用

传统锚索延伸率低、抗冲击能力差,在强冲击载荷作用下易出现脆性破断失效,导致巷道出现冒顶、冲击地压事故等问题。基于此,自主开发了具有高强度、高延伸率及高抗冲击等特性的锚索,采用实验室试验、理论分析及现场试验等综合手段,分析了高延伸率锚索的静、动载力学性能,研究了高延伸率锚索化学成分、金相组织和夹杂物与普通锚索的差异,提出了高延伸率锚索支护吸能原理,并将高延伸率锚索在现场进行了应用。研究结果表明:静载作用下,高延伸率锚索抗拉强度为1790 MPa,最大力总延伸率8.1%,是普通锚索的1.61~2.25倍;动载作用下,高延伸率锚索钢丝不易散开,破断载荷与普通锚索基本相同,断后伸长率分别是锚索A、B、C的1.82倍、1.68倍和1.52倍,单位长度吸能量分别是锚索A、B、C的2.54倍、1.99倍和1.70倍,高延伸率锚索塑性变形能力更强,吸能能力更高。高延伸率锚索通过在冶炼和轧制工艺过程中控制有害化学元素和有益化学元素含量、细化金相组织及减少夹杂物尺寸和数量等方式提高了钢丝的塑性变形能力,进而提高锚索整体的抗冲击性能。高延伸率锚索在现场应用过程中经受了多次大能量冲击后,巷道支护效果良好,高延伸率锚索未出现破断,有效控制了巷道冲击破坏。

深井高应力大巷煤柱释能改性防冲机理及应用

针对当前我国深井高应力大巷煤柱频繁发生冲击地压的现状,采用现场调查、理论分析、数值模拟和工程试验等方法,研究了我国大巷煤柱冲击地压发生类型与机理,提出了一种高应力大巷煤柱释能改性防治冲击地压的新方法,基于该方法开展了防冲原理研究、技术体系设计、井下工业试验等一系列研究工作,得到:基于大巷煤柱冲击地压的主导力源类型,结合多起冲击地压典型案例,将我国大巷煤柱冲击地压划分为基础应力叠加型、附加应力诱发型和自身蠕变失稳型3类,分别建立并推导了3类大巷煤柱冲击地压发生机理的力学模型与工程判据,揭示了3类大巷煤柱冲击地压的发生机制。提出一种深井高应力大巷煤柱压裂−注浆协同防治冲击地压的方法,其防冲原理体现在“释能”和“改性”2个方面,井下工业试验发现弹核煤体起裂压力约40 MPa,整体最大压裂宽度达19.5 m,现场监测验证该方法能够降低大巷煤柱能量积聚水平,提高大巷煤柱整体冲击阈值。设计了深井高应力大巷煤柱释能改性防冲成套技术体系,包括孤立煤体冲击危险“评估−检验−校核”方法、弹性核水力压裂增缝释能技术和整体注浆加固改性技术。研发了大巷煤柱弹性核压裂“震动−应力−位移”三场监测设备和PS-Z-A/B型无机双组份速凝整体注浆改性材料。

深部巷帮煤体失稳机制及能量释放特征

冲击地压灾害已成为国内外煤矿井下开采的重大安全隐患。利用真三轴电液伺服加载试验系统,研究了巷帮煤岩组合体三向应力加载、煤体三向和两向应力加载下的应力-应变规律、破坏特征、声发射活动规律,建立了巷帮深、浅部煤体的强度准则关系,分析了深部巷帮煤体的能量释放特征,揭示了深部巷帮煤体失稳诱冲机理。结果表明:不同应力类型的煤体试样受应力环境及结构差异的影响,巷帮浅部煤体试样和高σ2围压条件下的巷帮煤岩组合体试样在峰值应力后均产生应力快速跌落现象,脆性破坏与冲击性较强;在破坏机制上,巷帮浅部煤体试样主要受张拉−剪切耦合机制控制;巷帮深部煤体试样主要受剪切机制控制;巷帮煤岩组合体试样靠近约束面、自由面区域分别受剪切、张拉−剪切耦合机制控制。同围压条件下巷帮浅部煤体更容易破坏,进而基于巷道煤帮冲击能量释放的来源,建立了深部巷帮煤体失稳模型,揭示了深部巷帮煤体失稳机制。

基于多元线性回归原理的高海拔深埋隧道地应力反演分析

基于青藏高原东南地区某特长深埋隧道工程,建立了高精度的山体三维有限元模型。在横洞内钻取了岩芯试样,通过室内试验获得了岩石物理力学参数。采用水压致裂法测得该工程区的现今构造应力,测区现今主应力场以南西-北东向挤压为主。地应力数据转换角度后,通过多元线性回归的原理,得到构造应力的回归公式,回归公式和回归系数满足显著性检验。计算得到隧道工程区域的构造应力场,反演计算精度良好,计算结果符合实际隧道工程区域的构造特征。隧道轴线上的主应力分布规律表明:该隧道受到强烈的构造挤压作用,岩体内赋存较大的水平应力,最大水平主应力超过62 MPa。为避让大断层而选择的隧道走向与最大水平主应力小角度相交,这将有利于隧道围岩的稳定。隧道埋深较浅的里程地应力特征为S_(H)>S_(V)、S_(h),埋深较大的里程地应力特征为S_(H)>S_(V)>S_(h)。从应力角度初步统计出该特长深埋隧道的岩爆灾害等级,该特长深埋隧道全线路发生岩爆灾害的概率较大。

深部近距离煤层群下分层巷道分区支护技术

为实现深部近距离煤层群下分层巷道安全,以张双楼煤矿21916工作面为工程背景,分析了工作面冲击地压影响因素,划分了21916工作面掘进期间巷道冲击危险区域;建立了煤层合并区域下分层回采巷道数值模型,研究了9煤层21916工作面巷道内错7煤采空区不同距离时应力和位移分布规律,确定了下分层巷道合理位置;基于冲击危险区域划分结果,提出了分区支护技术,并设计了支护参数。现场实测表明,下分层巷道最大两帮移近量为164 mm,最大顶底板移近量为84 mm,顶板深部和浅部的离层量不大于3 mm,帮部锚杆和顶部的锚索受力变化较小,顶锚杆受力从8 kN增加到12 kN后趋于稳定,表明21916工作面巷道布置合理,分区防冲支护技术合理,支护质量与效果显著。研究结果可为类似条件工作面防冲支护提供借鉴。

深部构造区大倾角工作面回撤致冲机理及防治技术

深部构造区大倾角工作面回撤期间冲击风险较高,为研究回撤期间致冲机理及防治技术,以潘西煤矿6199工作面为背景,采用理论分析、数值模拟,结合现场数据开展研究。结果表明:工作面受多因素影响处于复杂高静载环境,上部基本顶尖角区剪应力集中明显,工作面液压支架撤离,上覆岩层压力向工作面前方转移,局部超过极限载荷可能发生高静载加载型冲击,基本顶破断及断层活化产生动载,可能诱发动静载叠加型冲击;根据回撤前矿压数据,前方岩层活动较为剧烈,工作面微震预警事件发生前后支架阻力升高,存在基本顶破断及断层活化可能,冲击风险较高。基于回撤致冲机理提出卸压-支护协同防冲技术,即通过弱化高静载影响,降低动载产生可能性,辅助提高顺槽支护强度、控制工作面顶板降低回撤期间冲击风险;工作面回撤期间矿压监测数据无明显升高,卸压-支护协同防冲技术效果较好。

深部煤矿泡沫充填复合承载结构强度特征及应用研究

深部煤矿开采带来的复杂环境和开采扰动积累的超高能量瞬间释放易造成冲击地压灾害。为了解决煤矿开采过程中上覆岩层移动及高能量瞬间释放冲击现象,采用实验室实验、数值模拟和现场实践相结合,研究了深部煤矿开采过程中顶板断裂的煤体承载区、协同承载区和泡沫充填体承载区承载特性。通过单轴压缩和声发射试验系统研究了泡沫充填体复合承载结构和破坏特征,揭示泡沫充填体的强度变化及裂纹扩展规律;探究了变形与能量耗散特性关系,应力越大,能量耗散越大,应变越大。采用数值模拟研究了泡沫充填法和直接垮落法应变能密度分布。结果表明:泡沫充填开采应变能密度分布不集中,比直接垮落法峰值低,泡沫充填可有效降低上覆顶板断裂能量释放。以三道沟煤矿45205综采工作面为例,提出了泡沫材料充填体压实吸能控制措施,可降低上覆岩层和采动过程中能量的瞬间释放;对45205综采工作面地表沉降及微震能量监测结果表明,当充填体充填率控制为80%时,与直接垮落法相比,工作面微震总数和释放能量显著降低。研究表明,泡沫充填体能够有效地减少采动岩石能量释放,从而实现矿山冲击地压管理和深部煤矿可持续开采。

深部金属矿山卸压开采关键技术探析

随着矿山开采工作逐步向纵深方向发展,对采矿技术提出更高的要求。在一些存在岩爆倾向性的深部金属矿山中,可将卸压开采作为主要方案,以此来确保作业的安全性。基于此,以某矿区作为研究对象,分析论述了深部金属矿山卸压开采关键技术,期望能够对促进金属矿山开采技术水平的提升有所帮助。

拉拉铜矿落凼矿区深部地应力场特征及岩爆预测分析

拉拉铜矿位于川滇应力区中部,浅部资源接近开采结束,逐步由露天开采全面转为地下开采,由于其深部开采地质条件复杂,落凼深部矿区将面对开采过程中的地应力问题。以拉拉铜矿落凼矿区深部地应力场特征为研究对象,开展了10个钻孔的应力解除法地应力测试、22组围岩室内物理力学测试,结合国标法、Barton法及陶振宇法3种应力判据完成了深部开采区域的岩爆预测分析。结果表明:地应力值浅部离散分布,深部线性增长;最大主应力方向整体离散;岩爆程度随深度逐渐增大,浅部离散分布,深部逐渐集中,东区1 780 m标高可能出现强烈岩爆的现象;结合矿区断层及测试点分布特征,指出矿区断层及地层对地应力测试结果的影响,为该类金属矿山深部灾害预防及安全开采提供有益的参考。

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。

水压致裂地应力测试在山区隧道勘察中的应用

深埋隧道的线路布设和围岩稳定性受制于地应力条件。水压致裂法是目前普遍使用且成熟的深埋隧道地应力测试方法。通过采用水压致裂法对华东山区某隧道原位地应力进行测试,取得了最大、最小水平主应力等力学参数,分析了地应力特征,为隧道线路布设和围岩岩爆预测提供数据支撑。研究表明:隧道水平主应力随埋深线性增加,地应力类型由浅到深分别发育逆冲型应力和走滑型应力2种应力类型,隧道埋深处最大水平主应力的优势方向与区域地质构造应力方向一致,最大水平主应力与隧道走向夹角小于最优夹角,对围岩稳定性有一定影响;围岩岩爆风险整体上随深度的增加而增加,研究隧道埋深处围岩可能有轻微岩爆现象,应采取相关措施及时释放围岩地应力,以保证施工安全。研究结果对今后山区油气管道、交通运输等工程建设的勘察、规划设计提供参考。

深埋隧洞强岩爆段水锤钻机超前应力释放试验研究

岩爆是深埋隧洞地质学科的世界难题,对岩体的超前钻孔,能够使围岩结构内部应力起到一定的释放作用,降低洞室开挖扰动施工过程中岩爆产生的等级和频次。通过钻孔范围空间核算和钻臂优化改装对引汉济渭岭南TBM掘进过程中强岩爆段进行水锤钻机超前应力释放试验,经现场试作前后微震监测系统能量值对比,结果表明:通过水锤钻机超前应力释放,能够在一定程度上降低岩爆的等级、强度和破坏范围,减小了支护工程量,降低了滞后性岩爆发生的概率,能为埋深不断加大的TBM岩爆掘进段后续工程施工和类似工程提供参考。

特厚煤层坚硬顶板井下定向深孔水力压裂卸压防冲技术

为进一步解决坚硬难垮顶板导致的冲击风险升高问题,以文家坡矿为例,提出了一种井下定向深孔水力压裂卸压防冲技术,并在4106工作面开展了试验研究,结果表明:提前对厚硬顶板进行卸压处理,岩层强度和完整性大大降低,有利于根本上消除冲击地压对安全生产的严重威胁。压裂期间泵压-时间曲线呈现锯齿状,定向深孔水力压裂能够使得裂缝起裂与扩展,实现顶板有效致裂。在水力压裂作用下,工作面微震活动平稳变化,高级别能量微震事件频次占比显著降低,未超过冲击危险预警临界指标,工作面顶板活动性及微震能量释放保持在较稳定状态,围岩积聚能量能够有序释放,冲击风险显著降低。

深部煤巷围岩三向应力差异梯度致冲机理

以深部煤巷围岩为研究对象,针对冲击地压灾害严重、致冲机理研究尚不完善、防冲工程缺少更具针对性指导依据等问题,采用室内试验、数值模拟、理论分析等方法,从三向应力差异角度揭示深部煤巷围岩冲击致灾机理。基于采掘活动扰乱煤岩体三向等压状态导致围岩破坏的特点,通过PFC模拟试验和理论推导研究了不同应力路径下的煤体单元体响应特征,得到单元体失稳的应力差异判据,进一步提出煤巷围岩应力差异梯度D_(g)和应力差异梯度变化率D_(gc)的概念,基于Drucker-Prager准则分析了巷道围岩D_(g)演化特征,进而得到巷帮煤体D_(g)集中致冲的作用机理,并结合冲击地压事故案例进行分析验证。结果表明:煤体的应力差异承受能力随着应力路径的不同而存在显著差异;围岩应力演化的目标是D_(g)峰值降至极小值,围岩的破坏和屈服是D_(g)驱动作用的结果;围岩内应力差异梯度D_(g)随埋深增大和煤层冲击倾向性等级升高而增长,体现出明显的“上升—跌落—下降”梯度性质;D_(gc)表征围岩内D_(g)集中程度,D_(g)升高区煤体在应力扰动作用下,满足D_(gc)0<D'gc<k1D_(gc)0时发生较稳定的变形、位移,满足k1D_(gc)0≤D'gc<[D_(gc)]时发生较稳定的整体失稳,满足D'gc≥[D_(gc)]时发生冲击地压;巷帮煤体冲击是围岩变形、破坏的一种极端演化形式;防冲机制应以弱化围岩D_(g)水平为核心,以D_(gc)控制为主要着力点。

基于深度迁移学习的矿山微震到时精确拾取与自动定位策略

矿山智能化建设大背景下,微震监测作为冲击地压等复杂动力灾害智能预警体系建设的基础保障技术现已得到广泛应用,如何基于微震监测数据实现矿山动力事件的高效精确捕捉与定位是当前研究的重点与难点。为解决矿山低信噪比震动波到时自动拾取不准、定位结果受人为因素干扰等问题,结合大数据与深度学习相关理论与方法,初步尝试建立基于深度迁移学习的矿山微震实时自动定位方法。设计了基于百万条地震波数据的矿山微震到时自动拾取初始模型,为进一步使该模型适用于矿山微震定位与信息解析,结合所建立的一万余条矿山微震到时拾取数据集,构建了矿山震动波到时自动拾取模型,实现矿山震动波P波到时自动精准拾取。在此基础上,设计了微震定位台站自动优选方法,提出定位台站波速自动微调策略,实现了矿山微震事件自动精准定位。以内蒙古某煤矿强开采扰动工作面的顶板爆破数据为验证对象,结果证明自动定位算法在水平空间平均定位误差为27.88 m,三维空间平均定位误差为28.40 m,满足矿山冲击地压等动力灾害的微震定位精度需求,有效降低台站波速标定精度不足对事件定位误差的影响,鲁棒性较强,并将耗时数分钟的人工定位缩短至200 ms内完成,初步实现了矿山微震事件的自动实时定位。研究结果可为矿山动力灾害微震信息准确解析挖掘与智能预警提供可靠技术支撑。

深埋地下洞室局部让压效应及能量演化规律

为了更大程度地降低岩爆所带来的动力灾害,基于岩爆能量原理,提出了隧道内壁或掌子面前方产生的应力集中现象为非均匀薄壁应力集中的概念,分析认为诱发岩爆的位置为应力集中且应力梯度较大处。以实际工程为依托,通过FISH语言编译计算代码对三维有限差分数值软件进行二次开发,系统地从围岩局部让压的角度研究深部地下洞室在动载作用下的能量演化规律以及钢架合理支护让压间距对洞室破坏形式和动态响应规律,研究表明:由于围岩的局部让压效应,对围岩的扰动减少,冲击波能量在掌子面处被吸收和反射,导致动力响应减弱,使动力荷载有所消减。洞室开挖后,围岩在破坏初期首先出现张拉破坏而后以剪切破坏为主,剩余弹性应变能以动能形式向外剧烈释放,发生岩爆现象的部位与岩体最大主应力方向具有直接关系。

深部矿山巷道岩爆应急管理能力评估

为了降低深部矿山巷道岩爆事故中的人员伤亡与财产损失,提高岩爆事故中的应急管理能力,提出改进组合赋权云模型相结合的深部矿山巷道岩爆应急管理能力评估方法。首先,根据PPRR(Prevention,Preparation,Response,Recovery)应急管理理论,构建包括应急预防能力、应急准备能力、应急响应能力和应急恢复能力4个一级指标的深部矿山巷道岩爆应急管理能力评估指标体系,该体系共包含18个二级指标;其次,引入指数函数改进层次分析(Analytic Hierarchy Process,AHP)法,利用改进的AHP法和熵权法分别确定评估指标的主客观权重,将各权重进行融合以获得最优权重,并结合云理论建立改进组合赋权云模型的应急管理能力综合评估模型;最后,以河南某深部矿山巷道为例,运用综合评估模型对深部矿山岩爆应急管理能力进行评估。结果显示:深部矿山岩爆应急管理能力等级为Ⅱ,且综合评价云的超熵为0.21(小于4.65/3)。评估结果与实际应急管理能力水平相符,综合评估模型可快速准确地确定深部矿山巷道岩爆应急管理水平。