三角煤柱孤岛工作面冲击地压防治技术研究

为解决近邻三角形煤柱孤岛工作面冲击地压防治问题,分析了国内该条件下导致冲击地压的研究现状;以唐山矿Y392工作面为研究对象,通过理论分析得出了以大埋深、上覆不规则煤柱、本层三角形煤柱、孤岛工作面冲击地压的主控因素;采用FLAC3D建立了数值模型,分析了本层三角形煤柱孤岛工作面的应力分布规律;提出了通过顶板预裂调控冲击地压主控因素的防冲方法;最后通过现场工程实践,建立并实施了以顶板预裂为主的冲击地压防治技术,通过应力法和钻屑法验证了顶板预裂对该条件下的冲击地压防控具有良好的效果。

向斜构造区厚硬顶板巷道冲击破坏机理研究

针对向斜构造区厚硬顶板巷道围岩冲击变形破坏严重等问题,采用理论分析、数值模拟和现场实测等方法,研究了向斜构造区厚硬顶板巷道冲击破坏机理,提出了巷道围岩卸支协同防冲控制措施,有效提升了巷道围岩稳定性。研究表明,向斜构造区厚硬顶板存在压应力集中区,形成矿井冲击震源层;向斜轴部巷道3~6 m范围内存在23.95~41.16 MPa的高静载应力集中带,静动载应力叠加巷道冲击破坏严重;向斜轴部巷道帮部围岩浅表裂隙发育,锚杆锚固性能差,顶板锚索动载抗冲性能差,冲击作用下易产生一定损伤;采用全断面卸压与深锚补强加固协同防冲控制技术,切断了巷道围岩应力以及动载应力波传递路径,提升了巷道围岩锚固抗冲性能,巷道围岩变形量降低63.57%~65.90%,大能量微震事件减少,小能量微震事件增加,巷道围岩稳定性增强。

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。

矿震与冲击地压防治研究进展

矿震与冲击地压是采矿领域亟待解决的热点、难点和瓶颈问题,为了有效控制矿震与冲击地压,综述矿震定义与分类、矿压假说及矿震与冲击地压防治技术,回顾切顶卸压理论及其在中厚金矿采空区处理与卸压开采、中厚及以下煤矿沿空留巷中的应用,并比较其与110工法的差异。据此,给出矿震定义,指出矿震与冲击地压发生的条件类似,针对厚矿体开采提出深埋坚硬顶板控制爆破切槽放顶技术。研究表明:控制爆破切槽放顶技术仍然是未来矿震与冲击地压防治中释放并转移高地压的主要方法,它还可将深埋厚矿体的“砌体梁”简化成弹簧岩梁承载体系。

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。

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。

孤岛工作面开采顶板深孔预裂减冲机制及微震响应特征

孤岛工作面开采具有较高冲击风险,顶板预裂是一种有效的减冲技术。以高庄煤矿3上1105孤岛工作面为背景,通过理论分析、数值模拟和现场实测等手段,研究了孤岛工作面冲击致灾机理、顶板预裂减冲机制及其影响因素。研究结果表明,两侧采空区覆岩形成的多拱结构传递压力及“砌体梁”结构失稳诱发强动载是孤岛工作面高冲击风险主要原因;建立了局部压力拱结构力学模型,分析局部压力拱力学特性,给出了局部压力拱失稳判据;顶板预裂爆破方法减冲机制为通过破坏形成局部压力拱的“砌体梁”结构,阻断压力传递路径,降低高支承压力场,减小开采期间“砌体梁”失稳诱发强动载风险。现场微震实测数据表明,顶板预裂减冲效果较好,有效降低了冲击风险。

坚硬厚顶板岩层定向长钻孔水力压裂防冲技术及应用

随着陕蒙地区煤炭资源的大量开发,冲击地压逐渐成为影响煤矿安全生产的重要问题,针对冲击地压煤层硬厚顶板卸压防冲难题,以某矿23301工作面为工程背景,采用ABAQUS数值模拟软件对定向长钻孔水力压裂工艺进行模拟研究。模拟结果表明:裂缝主要朝射孔方向拓展,在压裂层周围产生密集缝网且随拓展半径的增大有生成单一主裂缝的趋势,证明了压裂作业能有效实现顶板卸压目的。于该矿23301工作面进行了定向长钻孔分段压裂防冲应用,依据关键层理论确定目标层位并设计了顶板高-低位布孔方案,聚焦于2-1孔结果探讨了压裂效果。应用结果表明:裂缝以水平缝为主且缝网形态复杂的特点,压裂期间注液压力曲线在裂缝拓展区间呈锯齿状波动且拓展充分持续,压裂作业显著降低回采期间的巷道变形量,实现了工作面的安全高效回采。

磨砂射流轴向切顶压裂工艺研发及应用

厚硬顶板大面积悬顶是诱发冲击地压的重要原因之一,针对顶板深孔爆破和常规水力压裂存在的不足,开发了磨砂射流轴向切顶技术。该技术通过在巷道顶板钻孔内实施预制轴向裂缝、定向水力压裂等工序,使巷道走向和倾向方向上均形成最有利于顶板垮落的人造裂缝网,以实现最佳卸压效果。现场应用表明,实施磨砂射流轴向切顶后,目标岩层电磁波吸收系数增强,顶板裂隙明显增加;工作面回采期间,压裂影响区域的支架支撑力在增加,支架主要受力模式从降阻型和恒阻型转变为增阻型,微震能量释放更平稳,有效降低了冲击地压发生风险。在此基础上,分析了磨砂射流轴向切顶卸压防冲机理,即轴向切顶使工作面端头附近形成预制的轴向裂缝,工作面回采期间,顶板沿预制裂缝定向切落,降低了顶板弯曲弹性能转化为巷道围岩压缩弹性能的基础静载Ej和顶板突然断裂产生的强烈附加动载Ed,使巷道围岩不具备冲击启动的载荷条件。

充填开采防治坚硬顶板型冲击地压综述研究

随着我国煤矿开采深度和强度的逐渐增加,冲击地压已经严重威胁煤矿的安全高效生产。充填开采技术通过采空区充填体限制覆岩移动实现绿色开采,对坚硬顶板诱发的冲击地压事故具有防治作用。针对充填开采防治坚硬顶板诱发的冲击地压,从散体充填材料和胶结充填材料的动力学特性、能量传递机制和相关数值模拟研究等3个方面综述了充填体的动力学特性研究进展。当前针对散体充填材料和胶结充填材料的动力学特性和能量传递机制主要利用落锤冲击和霍普金森试验进行研究,PFC和ANSYS数值模拟软件也被广泛应用于研究充填体的动载特性。总结了坚硬顶板诱发冲击地压发生机理为顶板突然垮落使得顶板和煤层中积聚的能量迅速释放,进而引发冲击地压发生;从充实率和能量机制的角度阐述了坚硬顶板与充填体相互作用机制,揭示了充填体具有有效降低煤岩层中能量积聚、减缓能量释放、降低能量传递效率的作用,其作用效果主要取决于充实率的大小。阐述了坚硬顶板诱发冲击地压的固体和胶结充填开采防治技术,分别以济三煤矿6304工作面固体充填和古城煤矿1123工作面胶结充填防治冲击地压工程案例进行了分析,微震实测数据表明充填开采技术能够明显降低工作面开采过程中的微震事件发生次数和能量等级,能够有效防止坚硬顶板型冲击地压的发生。未来,冲击地压的充填开采防治还需要在基础理论方面进行深入研究,研究充填开采条件下岩层移动和能量演化规律,实现岩层精准控制和能量演化的精准预测,研发新型吸能充填材料,达到减冲的目标。

深部留底煤巷道冲击地压破坏机理与卸压实践

深部矿井留底煤巷道在回采过程中,存在工作面超前区域巷道底板冲击地压显现的问题。为探究此类条件下巷道底板冲击机理及有效防治手段,以孟村煤矿401102回风巷为工程背景,利用UDEC数值模拟软件建立深部留底煤巷道模型,开展巷道底板冲击区域的应力分布特征研究,研究顶、底板岩层强度弱化对底板应力分布的影响规律,并验证巷道顶板预裂爆破及底板爆破针对底板冲击的防治效果。结果表明:(1)巷道煤层底板中部下方3~5 m煤体内水平应力集中,最大值43.39 MPa,巷道底板水平应力集中是留底煤巷道冲击地压显现的主要诱因;(2)巷道围岩弱化模拟,水平应力差峰值分别降低了22.59、22.91 MPa,有效降低了底板水平应力集中程度。针对巷道底板冲击问题,提出了顶板预裂爆破降低静载集中的防治策略。根据现场实测数据,401102回风巷采取以上措施后,安全回采至工作面结束,顶板预裂爆破有效提高了巷道安全性,可为类似条件下冲击地压防治提供工程借鉴。

新街矿区厚硬顶板条件邻空巷道冲击地压机理与控制

【目的和方法】针对厚硬顶板条件下深部矿井回采巷道冲击地压严重威胁工作面安全生产的问题,以内蒙古新街矿区典型深采矿井3-1103工作面辅运巷为工程研究背景,分析邻空巷道冲击地压频发区域外在主控因素和内在驱动力源;构建基于软化地基与弹性地基假定“岩梁-地基”系统力学特性的顶板断裂前受载力学模型,解析采场覆岩结构演化过程厚硬顶板岩梁能量演化规律及其主控因素;运用FLAC3D模拟并探查邻空巷道冲击失稳高风险区域位置与特征;研究采场覆岩结构优化与围岩应力能量控制方案,制定厚硬顶板破断诱发邻空巷道冲击地压控制方法。【结果和结论】结果表明:(1)邻空巷道冲击地压频发区域易发生以高静载或高静载叠加动载为主导灾变力源的失稳破坏,影响因素主要为顶板厚硬岩层、邻近采空区、区段煤柱。(2)顶板储能总量与覆岩载荷、软化地基系数、顶板岩梁弹性模量及惯性矩、采空区顶板极限跨距、工作面支架参数等有关。其中,覆岩载荷、软化地基系数和采空区顶板极限跨距与岩梁应变能密度呈正相关,顶板岩梁弹性模量及惯性矩、工作面支护参数与岩梁应变能密度呈负相关。(3)回采期间3-1103工作面超前支承压力区及其影响区域内区段煤柱和回采巷道煤体呈现多因素叠加影响,发生应力集中和能量积聚,是冲击失稳高风险区域;该区域较3-1101综采面其围岩应力与能量集中度进一步加剧增大。其中,工作面前方应力和应变能密度峰值增幅最大分别为6.61%、12.04%,区段煤柱应力和应变能密度峰值增幅最大分别为29.06%、65.14%。(4)提出了“卸压爆破预处理高静载区域+深孔爆破或水力致裂预裂厚硬顶板+强化巷道吸能防冲支护”的解决方案,现场应用效果明显。

基于顶板结构特征的冲击危险性评价方法及应用

目前煤矿普遍采用的冲击危险性评价方法忽视了岩层层位、厚度等对冲击危险性评价结果的影响,致使现有冲击危险性评价体系对不同地层结构下顶板冲击危险性评价准确度不足。根据采空区覆岩破坏程度,建立了全悬顶结构、半悬顶结构及完全移动结构3类顶板结构力学模型,分析了各类顶板结构类型下的应力传递机制,提出了基于3类顶板结构与实测矿震数据相结合的动静载叠加应力计算方法及考虑顶板结构特征的冲击危险性评价指标及评价方法,并分析了岩层强度系数、关键层厚度以及岩层下沿距工作面距离对冲击特征参数p的影响规律;依托鄂尔多斯市某矿2201工作面、济宁市某矿63上06工作面及菏泽市某矿3301工作面地层结构条件,进行了顶板岩层结构下动静载叠加应力及冲击危险性评价参数的计算,并根据计算结果进行了冲击危险性评价验证分析。

冲击地压巷道围岩改性研究

针对巷道围岩改性的研究,主要采用理论解析及室内试验相结合的方法,先分析改性前影响围岩塑性区范围的因素,再利用试验研究改性后不同时间段内试件的力学特性及声发射特征,通过抗压、抗拉、抗剪、声发射实验手段研究围岩改性体破裂力学显现过程。结果表明:改性前围岩塑性区范围受支护阻力、侧压力系数、软化系数、扩容梯度及残余强度等参数的影响;其他条件一定时,提高围岩破碎区的残余强度可减小围岩塑性区的范围;改性体7 d、14 d、28d的抗压强度逐渐增加,最终达到原煤样强度的48.95%,28天的抗拉强度达到原煤样强度,黏聚力与完整煤样相比提高了2.05倍,对围岩塑性圈的改良均有很好的效果;声发射研究得到:7 d、14 d改性体试件的声发射信号变化较强烈,且在各个阶段都有大量的声发射信号产生,在受力情况下试件内部情况复杂,而28 d改性体的声发射信号变化较稳定,主要集中在破坏前后,在时间的作用下改性体的破坏形式逐渐由延性破坏转变为脆性破坏,证明28 d后改性体的强度达到饱和值,在围岩改性强度稳定后才能发现再次进行施工。根据实际情况制定围岩注浆改性方案,并监测围岩顶底板及两帮的移近量,改性后的围岩稳定性增加,变形量减小。

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。

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。

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。

坚硬顶板条件下工作面冲击地压机理及防治技术

针对坚硬顶板型冲击地压强度大、频度高、破坏严重等问题,以哈密南湖煤矿1302工作面为背景,通过理论分析和工程实践等手段,探讨坚硬顶板型冲击地压发生机理,提出冲击危险卸压和监测防治技术。结果表明:工作面开采范围和采深增加,支承压力和弹性能积聚呈增加趋势;采动条件下坚硬顶板突然破断能够形成工作面煤岩体动载效应,诱发工作面周边区域“动-静”叠加高应力冲击地压;坚硬顶板型冲击地压防治技术包括卸压和预警,主要有煤体大直径钻孔和顶板岩层爆破卸压、应力在线监测和煤粉检测。结合现场实际设计防冲卸压、监测方案,通过工程应用实践,实现工作面支承压力向深部转移和有效降低工作面冲击危险等目标。

磨砂射流轴向切顶技术工业试验及防冲效果分析

为实现厚顶顶板预卸压工程的安全、高效和经济性,开展了磨砂射流轴向切顶技术的工业试验,确定了该技术的主要技术参数,并通过分析钻孔窥视、观测压裂过程中相邻钻孔出水情况、统计压裂前后疏水孔的出水速度、微震监测和支架阻力等变化规律对压裂和防冲效果进行检验。研究结果表明,完成了割缝长度300 mm,深度250 mm,压裂半径10 m的工业试验,确定了割缝压力、作用时间、用砂量、压裂压力和压裂作用时间等主要技术参数。分析钻孔窥视、观测压裂过程中相邻钻孔出水情况和统计压裂前后疏水孔的出水速度变化情况,表明割缝和压裂效果良好。采用磨砂射流轴向切顶技术后,微震事件总能量、总频次和大能量微震事件、来压强度和来压步距明显降低或减少。现场结果表明,该技术可以提高厚硬顶板预卸压效果,防冲效果良好。

厚硬顶板地面水力致裂防治冲击地压技术研究

针对深部煤矿仅采用局部卸压措施难以有效消除顶板型冲击地压难题,分析了厚硬顶板动静载荷叠加诱冲原理,提出了地面水力压裂改造顶板力源结构防治冲击地压技术,在此基础上,结合文家坡矿4107工作面开采及地质条件,进行地面水力压裂厚硬顶板试验,现场试验结果表明:厚硬顶板悬而不垮提供静载荷基础,突然破断提供动载荷增量,动静载荷叠加突破临界载荷诱发冲击启动;采取地面水力压裂致裂厚硬顶板,地层在压裂液压力的作用下能够大范围破裂,地面压裂缝长301~332 m,缝高50~58 m,缝宽50~60 m;通过人造解放层,降低厚硬顶板的强度和完整性,长梁变短梁,大块变小块。可见,地面水力压裂技术致裂顶板,降低了巷道围岩应力集中程度,保障了工作面顺利回采。