强冲击载荷下巷道围岩变形破坏特征及控制技术

针对冲击地压巷道围岩及支护结构变形破坏难题,采用数值计算、现场实测、现场试验等研究方法,分析了强冲击载荷下巷道围岩及支护结构变形破坏特征,研究了冲击载荷、采动应力等对巷道围岩和支护结构动态力学响应的影响,开发了抗冲击支护材料,提出了支护-卸压联合控制技术,并选择典型冲击地压矿井进行了应用。研究结果表明:巷道顶板发生冲击时,巷道顶板、两帮和底板质点最大振速分别为1.41、0.63、0.25 m/s,迎波侧巷表围岩受冲击影响最大,侧向次之,背波侧最小。在采动应力与冲击载荷叠加作用下巷道破坏范围更大,塑性区面积达到原岩应力时的2.1倍。随着冲击能量的增加,巷道变形量和质点振动速度峰值均急剧增大,且锚杆(索)受力也出现明显波动。爆破卸压对巷帮锚杆锚固力影响不大,而对锚索锚固力有明显影响,锚索锚固力平均降低26.7%。高冲击韧性锚杆屈服强度800 MPa,断后伸长率20%,冲击吸收功150 J;高延伸率锚索最大力延伸率8%,抗拉强度1770 MPa。联合控制技术在宽沟煤矿进行了现场应用,巷帮锚杆受力53~84 kN,顶板锚索受力122~219 kN,锚杆(索)受力均处于安全允许范围之内,顶板浅部和深部未发生离层,在大能量微震事件作用下,支护系统也能保持稳定。

岩爆区与富水洞段隧道湿喷混凝土配合比设计研究

为使喷射混凝土在强度、回弹、一次喷射厚度等方面达到理想的效果,解决锦屏山隧道支护技术难题,采用室内试验和现场试验对岩爆区与富水洞段湿喷混凝土的配合比设计进行了深入研究。研究结果表明:通过引入新型纳米级材料和硅灰,喷射混凝土一次喷射厚可达30~50 cm,2 min内终凝,与岩石的黏结力是普通混凝土的7~8倍以上;2 h内强度可达到1 MPa(普通喷混凝土10 h左右才能达到此强度),28 d强度可达到40 MPa,后期强度(90 d)也比普通喷混凝土增加快,达到44.7 MPa;减水率达到30%、泌水率比不超过17%,流动性提高,能够有效地改善混凝土拌合物的黏聚性和保水性,并且坍落度损失率低于12%,回弹率小于10%。该配合比在岩爆区能有效地抑制岩爆的发生,且在富水区能及时终凝达到封堵水的作用。研究成果对深埋特长隧道的设计和施工具有参考价值。

区域大范围防范冲击地压的理论与体系

采用理论分析与总结的方法,分析得到井田前期区域大范围开采活动与后期采掘空间局部冲击地压启动的关系;并且提出了基于大范围集中静载荷"疏导"理念的冲击地压区域防范理论;分析了冲击地压煤层集中静载荷(高集中应力)可干扰性及影响规律。结果表明:井田区域开拓性活动、准备性活动显著影响到后期煤岩层集中静载荷的迁移与集中;冲击地压井田区域防范性措施的原理是通过合理采掘活动,疏导覆岩演化过程中的高集中静载荷,避免或降低高集中应力的集中,为后期冲击地压启动减免力源;基于冲击地压煤层鉴定、地应力测试、采煤方法选择、巷道位置确定、保护层开采及同层煤顺序开采的区域大范围集中静载荷疏导防范体系,能够避免或降低高应力集中,为新建矿井设计阶段,生产矿井的新采区、新水平设计阶段提供冲击地压防范指导。

深部下山煤柱区矿震规律研究

针对某矿-1 025 m西一下山采区9煤回风下山发生的多次冲击矿压显现,利用SOS微震监测系统,研究分析深部下山煤柱区域矿震活动规律。结果表明:冲击矿压发生前,矿震能量持续上升,频次亦持续增加或维持在较高水平;矿震沿下山集中明显,主要位于2个覆岩关键层内,高静载加强矿震扰动是诱发巷道冲击破坏的主要原因;冲击前兆强矿震信号呈现低频率、高振幅特征。根据监测结果实施煤体大直径钻孔、顶板预裂爆破以及优化支护等矿震弱化控制技术,现场效果良好。

华丰矿冲击地压危险性预测及区域防治技术研究

针对华丰矿巨厚砾岩断裂会对采场造成冲击地压灾害且冲击地压主要发生在1411工作面回风巷的现象展开研究,并采用区域动力规划方法对巨厚砺岩断裂进行划分。通过分析围岩应变与应力的关系,提出工作面采用错层位内错式巷道布置形式的方案。同时,由于巷道布置形式的优化造成覆岩离层分区发生变化,为进一步通过控制砾岩的断裂运动降低发生冲击地压的危险性,提出覆岩离层注浆的新技术。工程实践表明:采用新方案后1411工作面回风巷上方为上区段采空区垮落的矸石,吸收了绝大部分砾岩断裂产生的能量,改变了1411工作面回风巷发生冲击地压的现象。从注浆效果来看,有效控制了砾岩运动及其引起的地表下沉,大幅度节省了注浆钻孔工程量。

基于区域性微震活动的深部采场稳定性分析

红透山铜矿是我国开采深度最大的金属矿山之一,地压问题突出。为分析深部采场稳定性和预防围岩破坏,在红透山铜矿-707中段47采场建立了中科微震高精度微震监测系统,经人工爆破检验,在采场多空区条件下系统定位精度满足矿山生产要求。实时监测结果表明:(1)采场围岩应力调整较快,大型爆破后未发生微震活动明显增加的情况,小爆破和出矿活动等现场作业与微震活动具有正相关性;(2)47采场开采过程中微震活跃区主要位于3502川、出矿口、-707主巷道和采场内部靠近通风井2等附近,现场踏勘发现,前3个区域在不同程度上存在明显的动力型破坏情况,与监测结果相符;(3)按区域进行围岩稳定性分析,有利于探究微震活动与大型爆破、小爆破和出矿活动等现场作业的关系,分析围岩破坏主导因素。

深部工作面冲击矿压危险分析及防治

结合1303工作面地质条件及生产技术条件,分析了影响本工作面冲击矿压的主要因素,进行了冲击矿压危险区域划分。制定了回采前进行大直径钻孔卸压预处理、回采期间采取大直径钻孔卸压及煤体爆破等工作面防冲措施,同时加强支护。现场实践效果良好,保证了安全回采。

三峡引水工程秦巴段的主要工程地质问题

为了研究三峡引水工程秦巴段的重大工程地质问题,在区域工程地质条件和线路工程地质调查分析的基础上,利用工程地质类比法,重点分析评价了秦巴山区与活动断裂、深埋隧道建设相关的重大工程地质问题。初步揭示:①秦巴山区14条区域规模的断裂带主体走向近于东西向,与引水隧道走向大致垂直,现今活动差异明显,其中活动性较强、规模较大的大巴山弧形断裂、宁陕-栗扎坪断裂、石泉-安康断裂、三花石-汉王城断裂位于引水工程的关键部位,需要注意其引起的隧道突水和大变形灾害;②秦巴山区与深埋隧道相关的岩爆、突水灾害比较严重,特别是秦岭主峰附近的强岩爆、大巴山附近的断裂与岩溶相关的大规模突水灾害值得高度注意。

基于电磁辐射的矿井冲击地压区域监测预报研究

电磁辐射技术作为一种非接触式监测煤岩动力灾害的方法已得到广泛应用。为了提高监测数据的利用率,更加准确的预测冲击地压,从千秋煤矿的地质构造、煤层赋存等方面分析了其发生冲击地压的主要原因,在此基础上研究了基于电磁辐射技术的冲击地压区域监测预报方法。结果表明,区域性电磁辐射不仅能够在较大尺度上反映煤岩体内部应力分布及演化规律,同时能够在一定程度上避免单个测点数据异常的干扰,从而有效地提高了冲击地压监测预报的准确性。研究成果对千秋煤矿及相似条件矿井的冲击地压监测预报工作具有重要的现实意义及应用价值。

考虑时变特性的煤层大巷群冲击地压机理及防治

针对正常使用的煤层大巷群屡次发生冲击地压问题,采用现场探测、力学分析、数值模拟等方法,基于时变特性揭示了煤层大巷群冲击地压机理,并提出了新的防治方法。结果表明,中央大巷构造区域,断层、褶曲、埋深等提供了高应力基础环境,服务周期长的大巷群围岩由于塑性区及破碎区范围随时间的延长而扩大,相邻巷道间煤柱弹性区范围不断减小,变为拥有共同的弹性区,两帮应力峰值随时间延长相互叠加,促使本来濒临临界状态的围岩应力达到准平衡状态,巷间煤柱静载荷高度集中,同时巷道内悬空面积增大的顶板断裂,产生动载荷对煤柱静载荷扰动诱发冲击地压启动;造成中央大巷巷间煤柱静载荷高度集中的根本原因是上覆厚硬顶板长梁式悬臂与下沉,并且随时间变化不断加剧,直至断裂产生了诱发冲击的动载荷;提出该类冲击地压防治,应该针对煤层上覆厚硬顶板人为致裂,使其长梁变短梁,从而不再具备悬臂功能,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;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。采用千米钻机进行目标岩层深孔压裂试验,达到了降低巷道围岩载荷、防治冲击地压目的。

地质动力区划在新汶潘西矿的应用

为了解决潘西矿区冲击地压对安全生产带来的威胁,对该矿区的活动断裂进行了研究。应用地质动力区划方法,确定了区域内活动断裂,划分出区域内块断结构。通过地应力测量,结合数值计算方法确定了区域岩体原地应力分布状态与分布特点。分析表明活动断裂对该矿区冲击地压有重要影响。该法还可应用余石油、地震等其他工程,投资少见效快,经济和社会效益明显。

冲击地压矿井可研阶段区域防冲设计方法

针对目前矿井设计阶段对于区域性预防冲击地压系统性设计方法和体系尚未建立的问题,为了在新建矿井设计阶段将区域防冲理念融入到矿井主要方案中,降低矿井生产期防治冲击地压工作难度和强度,分别从矿井可研阶段冲击倾向性的确定途径和方法、冲击地压矿井设计生产能力确定、冲击地压矿井开拓部署实现区域防冲理念、开采顺序与区域防冲结合等方面,提出了将区域性防治冲击地压理念融入矿井前期设计的步骤和方法,并结合呼吉尔特矿区北部矿井进行了设计实例应用,为其他类似新建冲击地压矿井可研阶段区域防冲设计提供借鉴。

新兴矿薄煤层开采冲击地压监测预测技术研究

近年来,新兴矿已进入深部开采,冲击灾害显著增加且越来越严重,冲击矿压事故频繁出现。文章利用电磁辐射技术对61051、41062工作面冲击矿压进行监测,分析冲击矿压危险的电磁辐射变化规律,利用模糊模式识别方法确定冲击矿压电磁辐射预测临界值,实现对新兴矿大倾角薄硬煤层开采过程中的冲击矿压监测、预测。通过现场的监测基本掌握了冲击前兆及高危区域的电磁响应规律;圈定出危险重点监测区域并多次成功对冲击发生作出预警。

双煤层协同开采矿井防冲优化设计

针对双煤层协同开采矿井区域防冲优化设计问题,以纳林河矿区陶忽图煤矿为工程背景,分析得出矿井当前开采设计方案存在的主要问题,包括保护层选择不合理、开切眼或终采线外错、部分区域位于保护范围外、丢失三角煤、对矿井后期大巷保护煤柱的回收不利和矿井前期采掘过于集中等。针对这些问题,从冲击地压防治角度出发提出优先开采2-2煤层作为3-1煤保护层,对大巷布置、工作面布置等进行调整并给出了单翼和双翼双煤层协同开采优化设计方案。并基于矿井地质及开采技术条件,结合相关标准和规范,计算得出矿井双煤层协同开采合理错距和滞后距离:合理倾向错距为30 m,走向错距为47 m,3-1煤层工作面回采应滞后2-2煤层工作面1200 m。

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。

彬长矿区冲击地压煤矿区域防冲措施调研分析

彬长矿区是近几年才开始出现冲击地压的矿区,各个矿井在设计建设之初,并未涉及冲击地压相关内容,防冲设计先天不足,区域与局部冲击监测设备配备差别较大,全局性的卸压与解危措施不足。文章通过调研彬长矿业公司5对矿井的防冲设计、监测设备及防冲措施,分析了存在的6个方面问题,从开拓布局、开采解放层、合理确定工作面开采顺序、留设煤柱、采煤工作面长度、采掘速度、采煤方法、支护方式、微震监测和水力压裂10个方面提出了对策建议。为相似条件下陕西、蒙西、甘肃等地区开采埋深较大、具有潜在冲击风险的矿井做好主动性防冲提供借鉴。

厚煤层综放工作面冲击地压监测分析

采用微震监测、地音监测及顶板动态监测联合监测手段对胡家河矿401105工作面冲击地压发生规律与微震关系、冲击地压发生规律与工作面矿压规律进行了分析研究。获得了该顶板条件下顶板周期性活动、冲击地压危险区域及冲击地压主要影响因素,为冲击地压防治提供了参考。

定向长钻孔分段水力压裂技术在 冲击地压防治中的应用

为了提高冲击地压矿井防冲工程的卸压效果与效率,针对现有防冲手段无法对工作面进行大面积超前区域治理的现状,提出利用定向长钻孔分段水力压裂技术对工作面坚硬顶板进行超前区域弱化的治理思路。运用能量理论分析了分段水力压裂的卸压原理及防冲可行性,建立了水力压裂层位判识方法。利用判识方法确定了工作面上方覆岩硬层位置,覆岩中能量积聚的重点层位及能量释放的集中层位。通过建立多物理场数值计算模型探究了水力压裂形成的孔隙水压力场与钻孔距离的关系,最终确定了压裂钻孔布置层位为煤层顶板以上33 m及73 m,同一层位钻孔间距为75 m。基于上述结果在现场开展了工程应用,并采用煤体应力监测与微震监测对防冲效果进行了验证。结果表明,经过定向长钻孔分段水力压裂后与其他工作面相同区域相比,浅孔应力波动降低65.7%,深孔煤体应力波动降低69.6%;微震事件在空间中的发育范围超前工作面距离减少28.0%,侧向发育距离减少34.9%,最大发育高度减少42.4%;微震事件总能量、事件频次及单刀能量分别降低73%、66%及72%,验证了定向长钻孔分段水力压裂技术在冲击地压防治领域中应用效果显著。

深部超高地应力煤层冲击地压区域防范技术研究

鉴于高家堡煤矿在基建期间便发生冲击地压显现的情况,通过理论分析结合数值模拟,确定在高家堡矿1 000 m采深、超高地应力及煤层强冲击倾向性的地质条件下,矿井设计中不合理的开采布局将是影响冲击地压防治的不利因素。根据对区域性影响因素的分析,矿井采取了针对性的区域防范措施,对采区布置、采煤方法、煤柱尺寸等进行了优化调整。通过上述措施的实施,有效降低了矿井的冲击危险性,也有利于后续防冲工作的开展。

井上下煤层顶板区域压裂防治冲击地压系统及应用

针对冲击地压局部卸压范围小,连续性低,作业风险高等问题,开展煤层厚硬顶板井上下千米顺层钻孔区域压裂防冲系统与工程应用研究。结果表明,从加载条件来分,顶板主导型冲击地压可分为动静载荷叠加型、高静载荷加载型、高静载荷卸荷型3种类型;厚硬顶板是采掘围岩冲击地压启动区域性静载荷、动载荷供给主体,以提供冲击启动动静载荷源的厚硬顶板为靶点,提出建立煤层顶板地面、井下千米水平孔分段致裂卸压系统,开展顶板千米顺层钻孔区域压裂。通过井上下提前破坏冲击危险区域上覆顶板的完整性,使得载荷向更完整顶板区域迁移,从而为井下掘进、回采提供低应力作业大环境,也使得冲击地压丧失启动的重要载荷条件。分别进行了工作面开采前地面水平井顶板区域压裂防冲技术试验,工作面开采过程中井下巷道水平孔顶板区域压裂防冲技术试验,实践效果显著,形成了冲击地压建设矿井“先压后建”,生产矿井“先压后掘、先压后采”新的灾害防治模式。