Numerical simulation study on hard-thick roof inducing rock burst in coal mine

In order to reveal the dynamic process of hard-thick roof inducing rock burst, one of the most common and strongest dynamic disasters in coal mine, the numerical simulation is conducted to study the dynamic loading effect of roof vibration on roadway surrounding rocks as well as the impact on stability. The results show that, on one hand, hard-thick roof will result in high stress concentration on mining surrounding rocks; on the other hand, the breaking of hard-thick roof will lead to mining seismicity, causing dynamic loading effect on coal and rock mass. High stress concentration and dynamic loading combination reaches to the mechanical conditions for the occurrence of rock burst, which will induce rock burst. The mining induced seismic events occurring in the roof breaking act on the mining surrounding rocks in the form of stress wave. The stress wave then has a reflection on the free surface of roadway and the tensile stress will be generated around the free surface. Horizontal vibration of roadway surrounding particles will cause instant changes of horizontal stress of roadway surrounding rocks; the horizontal displacement is directly related to the horizontal stress but is not significantly correlated with the vertical stress; the increase of horizontal stress of roadway near surface surrounding rocks and the release of elastic deformation energy of deep surrounding coal and rock mass are immanent causes that lead to the impact instability of roadway surrounding rocks. The most significant measures for rock burst prevention are controlling of horizontal stress and vibration strength.

冲击地压矿井充填工作面超前采动应力对充填体充实率的反馈机制

高应力是深部矿井冲击地压灾变频率走高的主要原因,充填开采则是控制岩层运动,缓解采动应力集中程度,降低围岩破坏和冲击风险的有效手段。为研究采空区充填体对超前采动应力的控制能力,以山东古城煤矿1123充填工作面为工程背景,采用理论分析、室内试验、现场实测手段探究充填开采工作面采动应力分布规律,揭示超前采动应力对充填体充实率的反馈机制,指导冲击地压矿井充实率确定。结果表明:工作面开采初期充填体充实率低于80%,坚硬顶板下沉量大,超前采动影响范围大于30 m,应力集中系数达到1.5,断层影响区采动应力影响范围和集中系数分别增至60 m和1.65,片帮冒顶等围岩失稳现象增多;实测了采空区充填体承载应力全程动态演化特征,承载应力分布曲线划分为“快速降低—短暂稳定—快速升高—缓慢降低—二次稳定”5个阶段,低充实率条件下采空区上、中、下3个区域承载应力稳定值分别为1.9、5.2、2.8 MPa;将采空区充填体划分为非充分压实区和充分压实区,构建了充填体支撑作用下坚硬顶板连续沉降模型,得到了坚硬顶板“ʅ”型沉降曲线,非充分压实区范围随充实率近似呈线性减小;试验得到充填体弹性模量和单轴抗压强度随凝固时间的演化曲线,结合顶板沉降曲线和推进速度得到工作面前后采动应力全区域分布曲线;建立了超前采动应力集中程度与充填体承载能力的负指数函数关系,揭示了超前采动应力对充填体充实率的负向反馈机制,实现充填开采降载防冲效果的定量评价;提出了充填体充实率“三位一体”协同提升措施,将1123工作面充实率升高至90%,增强了充填体承载能力,超前采动应力集中系数降至1.3,厚顶煤膨胀变形量减少至50 mm,坚硬顶板破断致冲风险显著降低。

巷帮煤体整体滑脱型冲击地压锚杆防冲支护原理及工程实践

冲击地压是目前严重影响煤炭安全有效开采的灾害之一,研究锚杆防冲支护原理和技术对防治巷道冲击地压灾害具有重要意义和价值。通过对巷帮煤体整体冲入型冲击地压发生的地质条件以及破坏特征进行总结分析,认为坚硬顶板与坚硬煤层是此类型冲击地压的重要地质特征,而巷帮煤体整体滑脱是其主要冲击破坏特征。在此基础上,以巷帮滑脱煤体为研究对象,建立了顶板-巷道-底板复合结构体力学模型,建立了巷帮煤体发生水平滑移的极限平衡方程,并对各个参数进行分析。结果表明:由于顶板反弹使巷帮煤体竖直方向压力降低,巷帮煤体被构造应力推入巷道发生冲击地压。基于该发生机制模型,认为目前的锚杆支护设计体系在防治巷帮煤体冲入型冲击地压存在不足,并基于其发生和破坏特征,建立了针对巷帮煤体整体滑脱型冲击地压的锚杆防冲支护设计原则,即将顶和底帮锚杆锚固端分别穿层打入稳定的顶底板内,并使用长锚索取代中部帮锚杆,提供锚杆支护的防冲作用。基于新建立的锚杆防冲支护设计方法,以大屯矿区孔庄煤矿7305工作面防冲支护为工程背景,在宽煤柱段巷帮锚杆支护采取了防冲设计,帮顶、底部锚杆及补强锚索均锚固于顶底板内部,能够有效吸收煤体滑动动能,提高安全性。

工作面单双巷顶板爆破应力演化规律研究

坚硬顶板是影响工作面冲击危险的重要因素,实践中常采用爆破技术对工作面顶板进行预裂和卸压。以田陈煤矿3煤层上方存在坚硬顶板的7202工作面为对象,采用理论分析、数值模拟、工业试验等方法,研究了不同爆破高度、工作面单巷和双巷顶板爆破下围岩应力演化及微震规律。结果表明:针对低位亚关键层采用单巷和双巷爆破时,爆破高度越大,巷道围岩峰值应力越低,卸压效果与爆破高度呈正相关关系;但采用双巷爆破时,当爆破高度增加至6倍采高(亚关键层中部位置)以上时,工作面中部区域会出现应力升高现象,且工作面越短应力升高越明显;在7202工作面初采阶段进行高度为3倍采高的单巷顶板爆破时,微震多集中在巷道区域,卸压效果一般,改为双巷顶板爆破并提高爆破高度至6倍采高后,微震多集中到工作面中部区域,无大能量微震事件发生,应力监测预警次数也大幅降低,巷道区域卸压效果较好。

窄煤柱厚硬砂岩顶板防冲弱化裂隙发育规律

针对坚硬顶板工程尺度条件下压裂防冲裂隙演化规律研究不足造成压裂效果难以评价的难题,选取门克庆煤矿3106工作面为工程背景,以高位厚硬砂岩顶板长孔水力压裂研究为切入点,选取钻孔漏失率及瞬变电磁技术,研究坚硬顶板压裂前、后不同层位岩层裂隙钻孔漏失率与瞬变电磁电阻率的时空演化规律,验证了坚硬顶板弱化前、后覆岩裂隙发育规律及扩展范围,为水压致裂裂隙演化规律及影响范围的压裂效果评价提供理论指导。研究结果表明:当钻孔处于裂隙不发育区域时,压裂层位所在区域压裂前、后钻孔漏失量呈现出明显的倍数增长趋势,从钻孔漏失量角度验证了压裂岩层区域的裂缝扩展范围,结合瞬变电磁在岩层裂隙含水量增加后呈现的降阻现象验证了裂隙发育范围的可靠性,为水力致裂裂隙演化规律及影响范围研究提供理论指导,为坚硬顶板工程尺度条件下水力压裂效果评价提供了新方法。

冲击地压矿井坚硬煤层采煤工作面防治措施研究

针对冲击地压对矿井采煤工作面的危害以及防治措施的重要性展开研究。通过理论分析冲击地压形成机理、煤层力学特性及采煤工作面结构等因素,提出了有效的监测与评估方法。结合传统和新型防治技术,对冲击地压防治措施进行了系统探讨。进一步分析了已应用措施的效果,并评价其可行性和适用性。研究成果对矿井冲击地压防治工作具有重要指导意义,为提高矿井安全生产水平提供了理论支持和技术参考。

强冲击地压矿井煤层顶板覆岩结构研究——以孟村煤矿为例

矿井工作面上覆坚硬厚层顶板对冲击地压的产生具有重要影响,顶板坚硬厚层砂岩通常因沉积相的变化在横向和纵向上呈现出厚度、顶底板起伏和岩石力学性质等方面的变化。陕西彬长矿区孟村煤矿地质条件复杂,主采煤层顶板发育多层厚砂岩,矿井长期受冲击地压灾害威胁。为准确掌握工作面顶板坚硬厚层砂体层位及展布状态等信息,对其进行压裂弱化,保障矿井安全高效开采,基于孟村煤矿工程地质条件,通过井下工作面巷道顶板钻孔取心编录和钻孔电视测井方法,进行工作面顶板覆岩结构探查,对顶板主要砂体采样,进行岩石学、沉积相和岩石物理力学性质等特征分析,得到如下主要成果:①孟村煤矿401103工作面顶板100m内可对比划分出5层连续的砂体,工作面沉积微相变化导致各砂体厚度和顶底板标高不稳定;②401103工作面顶板延安组二段、直罗组、安定组底部均为河流相沉积,河流微相中的天然堤相细粒砂岩和粉砂岩的岩石力学强度相对最大,随着岩石粒径的逐渐增大,边滩相和河床滞留相中、粗粒砂岩的强度相对降低。不同沉积环境同一粒级砂岩的岩石力学强度因石英含量增高、硅质胶结物含量增高、颗粒支撑结构等因素而增大;③井田现今构造应力和顶板坚硬厚层砂岩等是矿井冲击地压灾害的主要诱因,对上覆高位坚硬厚层砂体进行区域水力致裂弱化,可显著降低矿井冲击地压风险。

巨厚硬岩下综放工作面超前效应失效机制研究

以河南义马煤田上赋巨厚硬岩综放工作面为工程背景,采用现场实测、理论分析和数值模拟等方法,探索工作面开采中的超前效应失效机制,并提出了相应防控策略。研究表明,低位大厚度软岩的易垮性、高位巨厚硬岩的整体性和超前高强卸压是导致超前效应失效的根本原因,低位大厚度软岩随推采即时垮落,高位巨厚硬岩未达到极限跨距时以整体静载作用于下方煤体,煤体所承受的覆岩自重应力被均化,进而导致超前效应显现不明显;超前高强卸压不但阻断了传力路径,同时降低了应力集中程度。据此提出了设计合理推采长度、留设合理隔离煤柱以减少远场悬露岩层的生成,近场实施超前强卸压降力的防控策略,将大幅减少或消除巨厚硬岩下工作面超前效应的影响,对冲击地压防治具有重要意义。

地面压裂弱化厚硬顶板防治冲击地压技术研究及应用

针对高位厚硬顶板诱发冲击地压的问题,常规卸压手段难以达到区域卸压防治冲击地压的目的,提出地面区域预裂顶板防治冲击地压的方法,分析地面预裂顶板卸压防冲的原理,设计孟村煤矿401102工作面地面压裂防冲方案。现场试验在地面安设地面微震,在井下安设井下微震、地音、应力等监测系统,构建“裂隙场—震动场—应力场”等多场多参量联合监测体系。试验结果表明,地面压裂可有效促进压裂区域高应力集中区能量的释放,对目标岩层弱化改造效果较好。

硬岩隧道TBM施工中的典型掘进破岩难题与对策

全断面岩石掘进机(TBM)在硬岩、极硬岩隧道掘进过程中存在岩爆灾害、滚刀磨损、低掘进速率等典型掘进破岩难题,严重影响隧道的安全高效施工。因此,查明产生这些典型难题的原因并提出相应的对策至关重要。本文首先从岩石硬度、单轴抗压强度、岩石脆性及耐磨性等角度分析了隧道硬岩的相关特征,并阐明了其对各典型掘进破岩难题的影响规律。随后结合国内外隧道施工案例提出了相应的对策:岩爆灾害可采用岩爆监测和岩爆防控相结合的方法进行预防和治理;滚刀磨损通过优化滚刀参数、改良刀圈材料、涂覆刀圈涂层以延长其使用寿命;掘进速率低的难题可通过优化滚刀布置设计、增加刀盘推力及扭矩、增设辅助破岩手段等措施改良。最后,从TBM与隧道围岩的相互作用机理、TBM隧道施工信息化建设、TBM掘进智能控制和优化决策等方面对未来硬岩隧道的掘进提出了几点展望。

坚硬顶板磨砂射流轴向切顶初次放顶应用研究

为了实现坚硬顶板的初次放顶,宽沟煤矿通过开展现场工业性试验确定磨砂射流割缝、压裂关键技术参数,设计并开展了扩面磨砂射流轴向切顶初次放顶工程,利用水压仪、钻孔窥视和出水现场观测等方法进行实施过程监控,利用微震监测、支架压力监测、煤体应力监测和顶板垮冒观测等方法进行回采过程的效果检验。研究结果表明,通过控制割缝压裂的作用压力、作用时间、用砂量等主要技术参数,完成了割缝半径200 mm、割缝长度300 mm的裂缝,压裂半径5 m和10 m的工业性试验;扩面初放实施结果验证了整个扩面顶板缝网导通,表明了该技术工程实施过程的有效性、可靠性;扩面后回采过程效果检验分析表明,采用磨砂射流轴向切顶进行顶板初次放顶同期垮冒情况基本达到了传统爆破初放切顶的效果,顶板对工作面煤壁的作用得到明显改善,工程实施过程使煤体发生2.9 MPa的应力降,扩面回采期间,煤体应力集中程度得到显著改善,煤体应力未再形成应力集中,起到了良好的卸压效果。

顶板“人造解放层”防治冲击地压方法、机理及应用

冲击地压矿井开展解放层(保护层)开采,能够根本性的改造采掘工作面应力集中程度,从而大范围降低采掘活动空间冲击危险性。针对无解放层可采的单一煤层矿井,为了实现冲击地压煤层区域性卸压目标,提出了煤层上覆主导致灾层位厚硬顶板区域水力压裂“人造解放层”卸压防治冲击地压方法,并建立了工程力学模型,综合采用理论分析、工程验证等方法进行区域性卸压机理及工程试验研究。结果表明,在冲击地压发生载荷供给历程中,通过区域性改造煤层上覆岩层结构与载荷,可以改变冲击地压发生必须的基础静载荷集聚;针对顶板控制型冲击地压矿井,在开拓、准备、回采不同阶段,针对影响冲击地压发生的厚硬顶板开展区域性水力压裂改造覆岩结构与载荷分布,使得巷道掘进及工作面回采期间均处于压裂覆盖范围下的低应力区,实现冲击地压单一煤层顶板产生“人造解放层”效应;顶板区域水力压裂人造解放层卸压防治冲击地压机理为:与压裂前相比,煤层上覆厚硬顶板人为区域性致裂,在走向上使其长梁变短梁,大块变小块,从而不具备大面积悬臂功能,降低由悬空面积增大的顶板断裂带来的动载荷;在倾向方向上也使得其上覆载荷由硬传递变为软传递,降低了压裂区域下方煤层的整体静载水平;在陕西孟村煤矿401102综放工作面首次进行地面区域压裂“人造解放层”技术试验后,工作面回采期间微震事件呈现高频低能分布,顶板岩层断裂块度减小,顶板水均匀降落在采空区,工作面涌水量降低,采场及两巷压力及变形量降低显著,实现了解放层卸压效果。

中高位厚硬顶板长孔水力压裂防冲效果研究

针对于门克庆煤矿3106工作面厚硬顶板卸压效果不足的问题,通过现场微震监测的微震高能事件活跃层位和理论分析确定了3106工作面顶板诱冲关键层,提出了长孔水力压裂技术并进行了现场应用,分析评判了压裂效果和卸压效果。结果表明:距离煤层平均高度59.33 m、厚度49.95 m的砂岩层为诱冲的关键层;实施水力压裂后,在关键层内预制了裂隙面,裂隙内含水量增加,视电阻率的连续性增强,出现了降阻现象;水力压裂削弱了关键层的整体性和强度,微震能量转为“高频低能”释放,大能量事件平均延米发生密度和延米释放能量分别降低了55%和79%,回采期间现场未发生大能量矿震等动力现象;工作面来压步距缩短,来压强度降低,动载系数整体显著减小,且呈逐渐下降趋势;工作面回采压裂区域后的地表沉降斜率增加,厚硬顶板垮落更充分。研究证实了长孔水力压裂技术在防冲工程中的有效性和可行性,实现了工作面的安全开采。

中高位坚硬顶板深孔预裂爆破减震技术

针对煤层上覆中高位坚硬顶板易产生强矿压显现的问题,以门克庆煤矿为背景,通过数值模拟,研究预裂爆破对中高位坚硬顶板煤层开采的影响,并通过现场工程实践验证预裂爆破对中高位坚硬顶板的控制效果。研究结果表明,在相同顶板高度,爆破后的围岩应力小于爆破前,且爆破后应力破坏范围较大,顶板的弹-塑性破坏区域扩张的更快,中高位坚硬顶板沿预裂爆破位置形成规律性的破断。工程实践微震大能量事件的分布规律表明,预裂爆破缩短了中高位坚硬顶板的破断距,总能量峰值大小显著降低,保障了工作面的安全回采。

厚硬顶板冲击地压发生机理及防治实践

基于鄂尔多斯地区冲击地压矿井厚硬顶板加坚硬煤层的特征,对宽煤柱开采条件下冲击地压发生过程进行分析,揭示了该区域冲击地压是由厚硬顶板破断引起煤体高应力区动力系统失稳产生震动、激发应力波,应力波与塑性区煤体相互作用而产生的;以巴彦高勒煤矿为例,采用深孔爆破对巷道顶板进行卸压。结果表明:在未断顶区域,顶板发生极限破断引发大能量微震事件,能量释放集中在沿空巷侧,现场存在动压显现现象;在正常断顶区域,微震活动比较平稳,能量集中区未对巷道形成直接影响;工作面来压周期平均2.4 d,来压步距14.5 m,未出现持续性高强度来压;顶板观测孔裂隙发育良好,有效半径可达4 m。

特厚煤层综放工作面冲击地压防治实践

以彬长矿区孟村煤矿为背景,针对煤层上覆坚硬难垮顶板瞬间破断诱发冲击灾害的风险,创新应用井上下立体联合卸压技术。通过地面L型水平井分段压裂对高位关键层坚硬顶板实施压裂改性,以及井下顶板定向长钻孔水力压裂及深孔预裂爆破对中、低位关键层坚硬顶板进行等距破断弱化,破坏岩层的整体性并降低破断强度。结合煤层大孔径钻孔卸压,阻断静载荷积聚及动载荷传递通道,从源头上消除(减小)冲击危险,开辟了冲击地压科学防控的新途径。实践表明,实施立体联合卸压方法消除了工作面上覆坚硬顶板岩层难跨悬顶积聚载荷,微震频次显著下降且杜绝了1×10^(4)J以上微震事件,为具有坚硬顶板破断诱发冲击地压风险的类似矿井提供了参考。

井下定向长钻孔水力压裂顶板冲击地压防治研究

彬长矿区孟村煤矿的中央大巷受DF29断层和褶曲构造影响,曾多次发生冲击地压。为了消除冲击地压危险,通过实施远距离定向长钻孔压裂坚硬顶板,取得较好的防治效果。本文主要介绍了压裂层位选取原则、压裂施工流程、压裂效果检验方案,在压裂区域增设微震、地音探头,并安设锚杆(索)测力仪持续监测顶板压裂前、压裂过程中及压裂后整个过程煤岩体震动活动性及巷道支护力等。压裂结束后,中央大巷复合构造压裂区内再没有发生过冲击显现或4次方以上高能事件,大幅降低了冲击危险,达到保障安全生产预期目的,可为类似条件巷道冲击地压防治提供借鉴。

厚坚硬顶板工作面覆岩运动规律与采动应力分布研究

基于采空区上方坚硬厚层砂岩顶板容易聚积大量的弹性能,在顶板结构受到破坏时造成冲击地压的问题,以田陈煤矿3_(下)7115工作面为工程背景,通过理论分析和现场监测对厚坚硬顶板工作面覆岩运动规律及采动应力分布特征进行了研究。首先通过理论计算得到3_(下)煤层工作面上覆厚层砾岩层在弹性基础上的极限破断步距约为43.5 m;其次根据现场微震监测数据分析得出支承压力对底板破断的深度约为60 m,采动应力在垂直方向约为煤层上方40 m,下方60 m左右范围内;最后根据钻孔应与钻屑法监测数据分析出侧向支承压力峰值位于煤壁深处8~9 m.研究结果可为矿井防冲技术体系的建立提供重要指导意义,同时能够为相似坚硬顶板矿井矿压研究提供借鉴和帮助。

深埋隧洞TBM刀盘岩爆段无扩大洞室修复研究

秦岭输水隧洞岭南TBM设备施工段穿越秦岭腹地岭脊段,具有大埋深、高强度围岩、常态化强岩爆等复杂的地质环境,在常态化强岩爆和高强度硬岩的隧洞掘进过程中,刀盘部件不可避免的会损坏,而刀盘全面修复大多在扩大洞室内进行。通过分析刀盘的损毁情况,研究岩爆段刀盘后退修复的总体方案,支护体系拆除过程承载力荷载验算和具体的施工步骤,按照“逐榀拆除、逐榀后退”的原则对原有支护体系进行拆除,安全、快速地实现了TBM刀盘后退并实现了无扩大洞室修复空间,降低了成本、提高了工作效率,可为给设备后续刀盘修复和同类岩爆段TBM施工起到一定的参考作用。

顶板深孔爆破防治6m小煤柱冲击地压的实践研究

以高庄煤业113_(上)05回风巷6 m小煤柱区域为对象,采用数值模拟、钻孔窥视等方法设计了顶板深孔爆破卸压方案。钻孔窥视及巷道变形监测结果表明:深孔爆破能有效地控制顶板的来压活动,深孔爆破卸压后巷道两帮变形量及顶板下沉量分别为268 mm、77 mm,对比之前降低了90%、88%,巷道变形控制效果理想。