Rock burst risk evaluation based on equivalent surrounding rock strength

On-site investigations consistently show that the rock burst inherent to coal seams varies greatly with coal seam thickness.In this study,impact factors related to coal seam thickness and surrounding rock strength were analyzed and a corresponding rock burst risk assessment method was constructed.The model reflects the influence of coal seam thickness on the stress distribution of surrounding rock at the roadway.Based on the roadway excavation range,a stress distribution model of surrounding roadway rock is established and the influence of coal seam thickness on rock burst risk is analyzed accordingly.The proposed rock burst risk assessment method is based on the equivalent surrounding rock strength and coal seam bursting liability.The proposed method was tested in a 3500 mining area to find that it yields rock burst risk assessment results as per coal seam thickness that are in accordance with real-world conditions.The results presented here suggest that coal seam thickness is a crucial factor in effective rock burst risk assessment.

急倾斜深埋巨厚煤层掘巷冲击地压前兆特征及其灾害防治

随着冲击地压矿井逐渐向深开采,其巷道掘进伴随的冲击显现愈发强烈。针对巷道掘进过程中的冲击地压有效防治问题,以新疆乌东煤矿急倾斜煤层矿井为例,运用微震监测对巷道掘进的冲击地压时空前兆特征加以分析。结合巷道掘进的应力与能量变化数值模拟分析,揭示巷道掘进的冲击地压发生机理,提出急倾斜巨厚煤层巷道冲击地压防治策略,并完成现场工程实践验证。研究结果表明:急倾斜巨厚煤层巷道掘进的冲击地压发生前第2~5天出现微震总能量极低值,或存在至少4 d的能量潜伏期;冲击地压发生前5 d普遍存在3 d以上的最大能量占比高频波动期。冲击地压发生前存在明显缺震现象,发生位置集中分布在距离掘进工作面较近的微震能量极小值区间范围内,或位于微震能量极值区间附近的微震频次极小值区间范围内,且冲击地压事件位于冲击变形能指数较高区域。急倾斜巨厚煤层水平分段综放开采的坚硬覆岩结构不易破断,使得巷道掘进存在上水平采空区两侧“双翼型”应力集中,掘进工作面前方与巷道底部受顶底板岩层相互挤压的应力集中分布且能量积聚显著,随着巷道掘进深度增加其应力集中与能量积聚进一步增强,容易诱发冲击地压等动力灾害。综合分析形成急倾斜巨厚煤层巷道掘进的工作面爆破卸压、巷道钻孔卸压与补强支护、复杂区域架蓬的冲击地压防治策略。结合冲击地压时空前兆异常为及时加强卸压力度提供时机。通过工作面与巷道卸压使得掘进期间未发生单日累计1×105 J以上微震能量,在对支护优化调整与复杂区域重点防护后,巷道掘进日均微震能量降至2.2 kJ,其1 kJ以上微震事件占比下降且巷道断面整体平整。研究结果为急倾斜巨厚煤层巷道安全掘进提供了科学依据。

急倾斜特厚煤层冲击地压防治探索与总结

急倾斜特厚煤层开采顶板破断运动复杂,应力和能量演化规律特殊,在深部“三高一扰动”影响下,冲击地压防治不容乐观。基于某矿2016年冲击地压事故后急倾斜特厚煤层水平分段开采冲击地压防治经验,从急倾斜特厚煤层水平分段开采冲击地压发生机理、瓦斯突出与冲击地压综合防治和冲击地压管理详细介绍了该矿7年来急倾斜特厚煤层冲击地压防治经验。冲击地压发生机理方面,建立了顶板岩层倾斜悬臂梁模型,揭示了顶、底板覆岩结构破断失稳演化过程,划分了夹持煤体受力状态分区,提出了急倾斜特厚煤层冲击“夹持理论”。瓦斯突出与冲击地压综合防治方面,基于冲击地压灾害控制解危技术的强度弱化减冲理论,结合原有防突措施体系,提出了既能防冲且对防突有利的解危措施,形成了某矿瓦斯/CO_(2)突出-冲击地压“双防”技术体系,建立了适用于某矿急倾斜特厚煤层水平分段开采的冲击地压防治体系,以钻屑量和瓦斯吸解值验证了瓦斯突出防治的强度保障,同时以加强实施卸压措施工作面的微震事件分布及各能级总频次和能量对比,论证说明了卸压方案防治效果的有效性。冲击地压管理方面,形成了预测评价、监测预警、治理预防、效果检验、安全防护和教育培训“六位一体”综合防治架构,基于《煤矿安全规程》和《防治煤矿冲击地压细则》等各项规定,制定了Q/YJMD-—FC 0104-2022《窑街煤电集团有限公司煤矿冲击地压防治第四部分:冲击地压防治技术规范》。

急倾斜巨厚煤层复杂空间结构区微震时空演化规律及诱冲机理

煤矿冲击地压灾害的发生与空间结构密切相关,尤其在复杂空间结构区灾害发生更频繁。掌握煤层开采复杂空间结构区煤岩灾变规律并揭示其发生机制对于冲击地压防控具有重要意义。以乌东煤矿为研究背景,采用数值模拟、微震监测、理论分析等方法,研究了岩柱应力异常尺寸效应,分析了复杂空间结构区微震时空演化规律,揭示了复杂空间结构下冲击地压发生机理,评估了煤层开采不同区域的冲击危险性。研究结果表明:①急倾斜岩柱厚度更窄、出露高度更大其撬动效应更强,岩厚变异应力异常形成5个分区。②岩柱厚度更窄区域微震频次更多,能量更高,时空活动度更强,离散性更高。高应力区、应力梯度区、应力平稳区依次呈现“低频次-高能量”、“高频次-高能量”、“低频次-低能量”的微震响应特征。③特殊空间结构区域微震事件簇集且能级增大,时空活动度及离散性陡增,尤其在结构边缘该特征更明显,能量积聚及释放速率增大,冲击地压发生的概率及强度更高。位于岩柱更窄区域的特殊空间结构内微震活动更剧烈。④岩柱厚度越窄(煤柱高度越大)则岩柱向深的弯矩及能量增长速率越快,冲击危险性更高。依据结构面强度效应推断出断裂带发生滑移错动,是能量积聚与释放的优势区域。揭示冲击地压发生机理为高静载及低临界载荷共同作用,基于应力集中特征评估煤层开采不同区域的冲击危险性。

弱化浅层岩体防治急倾斜特厚煤层冲击地压研究

急倾斜特厚煤层受其特殊的地质、应力和开采技术条件影响,冲击地压防治方法与一般煤层存在较大差异。将理论推导、数值模拟、现场监测等方法相结合,研究了急倾斜特厚煤层的岩层弯曲和煤层能量积聚特征,提出了弱化浅层岩体防治急倾斜特厚煤层冲击地压的方法,得到了防冲关键参数,并进行了工程应用。研究结果表明,急倾斜特厚煤层岩层弯曲时内部岩体破裂释放能量是动载的主要来源,采空区两侧围岩转移、传递至煤层的水平集中应力是静载和能量积聚的主要来源;防治急倾斜特厚煤层冲击地压应弱化工作面浅层岩体的应力传递能力,来降低传递至工作面的动载扰动强度以及转移、传递至煤层的水平集中应力。基于此提出了通过浅孔爆破措施弱化急倾斜特厚煤层浅层岩体的防冲方法。现场工程应用表明,矿井补强浅孔爆破后,工作面微震事件总能量降低了42.38%、总数量增大了471.74%,说明工作面的能量释放由大能量剧烈释放逐渐转为小能量平缓释放,且未再发生过冲击显现,冲击地压危险得到有效控制。研究成果可为类似条件矿井防治冲击地压提供参考。

特厚煤层综放临空巷道冲击地压综合防治技术应用

在特厚煤层开采过程中,由于临空巷道受相邻上一个工作面采空区顶板活动以及现采工作面回采影响,在回采过程中,由于临空侧向静载荷和回采期间超前动载荷相互叠加,导致临空巷道围岩应力随之上升,巷道冲击风险也随之增加。以小庄煤矿40205回采工作面为背景,采用理论分析、现场实测、数据统计等方法,研究分析了临空巷道工作面回采过程中产生冲击的主控因素并制定出了相应的防冲卸压技术方案;现场实施后,通过微震、应力监测方法进行了效果检验。结果表明:特厚煤层临空巷道回采过程中,通过现场防冲卸压技术方案的优化后,微震能量数据主要以102J/d为主,临空侧巷道两帮收敛量降低了96%,工作面超前100~150 m内,应力值降低至7.3 MPa,同时,通过采用“锚索+双网+大托盘”联合支护,提高了巷道的支护能力,工作面回采期间冲击地压防治效果显著,为后期临空巷道回采积累了经验。

厚煤层掘进工作面强震动诱发底煤卸压失效机理研究

针对厚煤层掘进工作面底煤爆破断底卸压后仍发生冲击地压的现象,以新疆硫磺沟煤矿厚煤层掘进工作面为工程背景,采用现场调研、理论分析、数值模拟等方法,对厚煤层掘进工作面强震动诱发底煤卸压失效机理进行研究。研究结果表明:由于掘进导致围岩卸荷过程中煤体剪切破坏产生强烈震动,震动波能量主要被松散底煤吸收,最终导致底煤发生冲击;提出了强震动诱发底煤卸压失效的能量判据,基于此计算得到硫磺沟煤矿厚煤层掘进工作面底煤抛出高度=1.26 m,验证了理论分析的准确性,同时得到卸压底煤冲击的临界震源能量hc=13.7 k J;最后通过FLAC3D模拟了不同震源能量对卸压底煤的扰动效应,得到当震源总能量为22, 32, 42 k J时,底煤最大垂直速度分别为4.32, 6.91, 16.65 m/s,底煤最大位移量分别为0.11, 0.57, 1.40 m;底煤垂直速度随着震源总能量的增加不断增大,随着动载作用时间的增加呈现先迅速增大后迅速减小最后衰减为零的趋势;底煤位移随着震源总能量的增加而增大,随着动载作用时间的增加其增大趋势逐渐变缓,在动载作用时间为3/5个周期时达到最大值,辅助验证了理论分析的准确性。

基于机器学习的急倾斜巨厚煤层掘进巷道冲击地压预测方法

针对急倾斜巨厚煤层掘进巷道冲击地压前兆信息挖掘不充分的困境,以新疆乌东煤矿急倾斜巨厚煤层掘进巷道的冲击危险预警为背景,探究了多项物理指标的演化规律,采用BP神经网络、随机森林(RF)、支持向量机(SVM)、梯度提升决策树(GBDT)等4种机器学习算法,分别建立了急倾斜巨厚煤层掘进巷道冲击地压的预测模型,并对各模型预测性能进行了验证和实例分析,明确了掘进条件下神经网络算法对急倾斜巨厚煤层各指标的敏感性分布。研究结果表明:机器学习算法能够有效提取出各物理指标发展趋势中蕴含的冲击前兆特征其中BP神经网络算法的建模精度最高,相较于其他模型平均绝对误差分别降低了58.44%55.64%,26.37%;R^(2)分数分别提高了11.25%,8.37%,3.66%;依据BP神经网络算法得到的各物理指标敏感性排序分别为A(b)值、b值、矿震活动度S值、等效能级参数EEM值、缺震值、算法复杂性AC值;应用R值评分法对乌东煤矿急倾斜巨厚煤层掘进巷道的冲击预警进行了效能验证结果表明该模型预测准确率较好,总体预测准确率为90.65%,并成功预测了掘进期间的两次大能量事件,该方法适用于急倾斜巨厚煤层掘进巷道的防冲预警,建立的模型对于冲击地压危险的预测有着较好的潜力,研究结果可为类似条件下急倾斜煤层冲击危险的演化发展提供参考。

强冲击特厚煤层地面压裂覆岩运动规律

坚硬覆岩运动是诱发冲击地压的关键因素之一。为揭示覆岩运动对工作面冲击的孕育致灾过程及诱冲机理,以孟村煤矿401102工作面为工程背景,采用理论分析的方法研究了覆岩空间结构演化特征。针对高位覆岩坚硬顶板实施地面L型水平井分段水力压裂技术,结合理论分析以及现场监测的方法,分析了压裂后采场覆岩运动时空演化规律。结果表明,地面压裂弱化区域硬厚复合砂岩层得到充分弱化,高能微震事件大幅降低;而地面压裂盲区硬厚复合砂岩层形成悬顶结构,弹性能没有得到提前释放,导致工作面开采至下方时会诱发岩层的突然断裂与运动,形成高能微震事件并释放巨大的微震能量。

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。

特厚煤层冲击地压重复发生的机理研究

以现场同一区域重复发生冲击地压为工程背景,通过理论分析、现场监测、数值模拟等方法研究冲击地压重复发生机理,得出如下结论:1特厚煤层重复冲击区域存在应力恢复现象,而力源作用下的特厚煤层的扩容是导致应力恢复的主要原因;2重复冲击是冲击体受到的冲击力与阻抗力多次搏弈的结果,煤体由完整状态向碎裂状态过渡过程中满足冲击力大于阻抗力的条件而发生多次冲击,直至煤体进入碎裂状态;3通过消除力源、阻止应力恢复可防止冲击地压重复发生。研究结果对防治特厚煤层冲击地压具有重要意义。

巨厚砾岩与逆冲断层控制型特厚煤层冲击地压机理分析

以某典型冲击地压事故为背景,通过理论研究和现场勘查,研究了巨厚砾岩与逆冲断层控制下特厚煤层工作面冲击地压致灾机理和防治方法。通过对地层结构与开采形成覆岩空间结构的研究,建立了侧向静态支承压力估算模型,得到了21221工作面上覆岩层空间结构与应力分布规律;估算了巨厚砾岩传递应力、自重应力与F16逆冲断层及相变带构造应力的叠加总应力,该应力超过了该矿的临界冲击应力;特厚煤层在叠加应力作用下发生塑性滑移,逐渐形成滑移线场,并产生塑性膨胀,导致巷道围岩应力增加,在外部扰动应力作用下,煤体发生瞬间大范围滑移是发生冲击地压的主要原因。针对这类冲击地压的致灾机理,通过合理设计巷道平面位置以避开传递应力峰值区域、采用半煤岩巷道以减小滑移线场范围和合理设计煤层大直径卸压孔参数以改变煤体滑移方向等措施,有效治理了该类冲击地压。

复合型厚煤层“震-冲”型动力灾害机理、预测与控制

针对软硬分层相间的复合型厚煤层综放工作面发生的动力灾害事故,提出了复合型厚煤层综放工作面"震-冲"型动力灾害的概念.通过理论和实践研究,初步建立了复合型厚煤层"震-冲"型动力灾害的力学模型,研究了其发生的机理,分析了矿震和冲击地压发生的力学条件和相互关系.研究成果在兖州矿业集团公司南屯煤矿得到应用,成功预测了动力灾害发生位置,并做好了预先卸压、监测和防护,实现了"有震无灾"的控制目标.

基于加卸载响应比的冲击地压矿井急倾斜巨厚煤层推进速度研究

工作面推进速度过快易诱发冲击地压等动力灾害,探讨合理的工作面推进速度已成为冲击地压矿井安全高效开采亟待解决的关键。采用数值模拟、岩石力学试验和现场微震监测等方法,通过研究急倾斜巨厚煤层推进速度影响下工作面前方煤体经历的采动应力路径,分析推进速度采动应力路径下的煤样力学行为特征。完成了采动应力路径下煤样加卸载响应比的变化规律研究与急倾斜巨厚煤层工作面推进速度的合理确定,开展了现场工程实践验证。研究结果表明:急倾斜巨厚煤层工作面推进速度增加使得采动应力峰值增大,同时其采动应力路径的循环加卸载幅度增加,循环次数减小,主要影响区域范围增加,而作用时间减小。不同推进速度应力路径下的煤样强度呈非线性递增趋势,且其递增幅度逐渐增加,煤样破坏程度、声发射累计计数及能量均随应力路径所处推进速度的增加而增大。类比冲击矿压评价指标得到6.4 m/d应力路径下的煤样可视为冲击煤样,同时引入加卸载响应比,提出了基于采动加卸载响应比的冲击地压矿井工作面推进速度合理确定方法,形成了不同推进速度采动应力路径影响的加卸载响应比评价指标,确定了满足+425 m水平工作面的安全高效开采推进速度。现场微震实测结果验证了基于采动加卸载响应比确定工作面推进速度的有效性。

急倾斜特厚煤层开采冲击地压发生过程监测与分析

为解决急倾斜特厚煤层水平分段开采时的冲击地压问题,采用微震监测系统,确定了两煤层间岩柱中产生的矿震是诱发巷道冲击地压的力源,结合具有高采样频率的冲击地压监测系统进行了冲击震源震波及其响应信号的实测,得出急倾斜特厚两煤层之间岩柱诱发冲击地压的震源信号具有距离工作面近、波形呈现出明显的P波、S波,延时较长,能量较大等特征;震源产生的动载使得煤体应力和锚杆受力瞬间升高,距离震源越近,引起煤体应力变化的幅度越大,煤体垂向应力较水平应力升高更为明显,冲击发生前至少1 h内,煤体应力就已开始发生变化,表现出了一定的冲击前兆特征。研究结果表明,通过震波及其响应信号实测可分析冲击地压发生过程。

特厚煤层分层工作面冲击地压事故后复产方案研究与实践

在分析黑龙江峻德煤矿特厚煤层分层工作面重大冲击地压事故的基础上,研究得到事故发生的原因和相应的治理对策,制定了恢复生产的方案。提出了分层开采工作面恢复生产需满足的条件为:工作面和巷道围岩始终处于低应力低密度状态、消除底板(底煤和薄底板)冲击隐患、建立可靠支护、建立有效的实时监测体系和确定合理的开采强度。以煤层大直径钻孔为主实现围岩的低应力和低密度;提出了冲击危险巷道的基本支护、超前支护方式和强度;建立了应力实时在线监测为主、微地震监测为辅、多种监测手段联合的冲击地压实时监测预警体系;基于应力动态和微震监测确定工作面合理的开采强度。根据研究成果制定的恢复生产方案在峻德煤矿三水平北17层一段一分层3·15事故工作面实施后,保证了工作面安全恢复生产。

急倾斜特厚煤层水平分段综放开采冲击矿压机理

我国急倾斜特厚煤层开采冲击矿压越发凸显,且灾害显现特殊。为了揭示急倾斜特厚煤层水平分段开采冲击矿压机理,建立覆岩力学模型,分析了覆岩运动、能量释放、煤层应力分布等规律;采用工作面液压支架工作阻力监测数据,分析了工作面支架工作阻力与动载系数分布规律;利用微震监测得到的矿震空间分布,分析了岩层运动和能量释放规律。研究结果表明:急倾斜特厚煤层水平分段开采,顶板倾向破断步距与煤层倾角呈非线性正相关关系,当煤层倾角大于60°时,破断步距出现陡增;覆岩下位坚硬岩层破断后在倾向上可暂时形成平衡结构,随着下位分段开采和放煤,平衡结构可发生破断旋转、断块跌落、结构挤压俯冲等3种类型的失稳冲击过程,对工作面形成动态冲击;在顶底板夹持作用下,工作面煤体靠近顶底板侧将形成非对称倾向支承压力分布,靠近顶板侧为封闭夹持状态,应力集中程度高,靠近底板侧为开放夹持状态,煤体易破坏卸压而处于塑性状态,在非对称支承压力作用下,工作面中部至顶板侧底煤受强烈剪切应力作用,且处于底板弹塑性交界区,易于失稳冲击;急倾斜特厚煤层水平分段综放开采,覆岩破断步距大,顶板破断和失稳冲击的瞬间释放能量强,扰动底煤高应力区诱发冲击矿压显现,揭示了急倾斜特厚煤层水平分段综放开采夹持冲击型冲击矿压机理。工作面液压支架工作阻力监测表明工作面中部至顶板侧动载系数最大达到3.25,表明覆岩形成了悬空式结构失稳;矿震监测结果表明工作面中部至靠近顶板侧底煤容易积聚弹性变形能,底板侧容易释放能量,顶板活动易形成动载扰动。研究结果得到了监测验证。

急倾斜厚煤层中分层开采冲击地压发生机理及防治技术

针对东峡煤矿急倾斜厚煤层分层开采的中分层冲击地压频发问题,采用立体分布的微震监测台网,通过震源空间精准定位方法确定了矿震震源集中于底板岩巷和其分布趋势线与最大水平应力方向垂直的规律,确定中分层冲击地压是由上分层开采引发最小主应力(竖向)减小使强构造应力下底板岩石达到莫尔剪切破坏极限状态引发,进而提出了针对底板岩石的爆破防冲措施。工程实践结果表明:定期采用合理的底板爆破药量,可有效降低震动频次和能量,避免冲击地压的发生。

急倾斜巨厚煤层群难采资源开采的覆岩破断与能量释放规律

针对急倾斜巨厚煤层群难采资源的安全开采问题,采用物理模拟实验与理论分析方法,对急倾斜巨厚煤层群不同开采工艺产生的覆岩变化、破断高度、微震能量等特征进行了分析与对比,推导了急倾斜巨厚煤层坚硬顶板破断积聚能量的理论计算公式,并由不同开采工艺的对比分析结果为急倾斜巨厚煤层群向深开采的方案设计提供思路。研究结果表明:急倾斜巨厚煤层群水平分段综放开采的中间岩柱集中破断形成岩柱与上部煤层顶板的联动效应,容易引发冲击地压等的动力灾害事故;走向长壁开采中区段煤柱的强支撑作用,使得急倾斜巨厚煤层群向深开采过程中覆岩破断高度与范围的增幅较小。通过构建急倾斜巨厚煤层坚硬顶板破断力学模型,推导得出急倾斜巨厚煤层坚硬顶板破断积聚能量计算公式。急倾斜巨厚煤层群采用走向长壁的累计微震能量24.28×10^(5)J,较水平分段开采的累计能量小15.67%。水平分段综放开采过程中,单次开采的平均能量比走向长壁开采较低,且避免了煤柱留设时煤炭资源的浪费。顶板破断的能量不充分释放,容易造成其下次破断能量释放的峰值效应,且中间岩柱大范围集中破断容易对矿井的安全生产带来挑战。基于节约矿井资源的同时又能避免大范围覆岩集中破断的理念,建议在原有水平分段综放开采与顶板弱化调控基础上,增加对顶板与中间岩柱的弱化程度,避免岩柱大范围集中破断带来的矿井安全生产问题。研究结果为急倾斜煤层复杂条件矿井资源的有效利用与安全开采提供了参考。

深部厚煤层巷道掘进微震预警参数及临界指标研究

崔木煤矿采深大、煤层厚且具有冲击倾向性,留底煤掘进期间多次发生巷道动力显现。以崔木煤矿21306工作面运输巷掘进为工程实例,分析了微震监测系统对掘进期间微震事件的大能量事件分布特征和异常系数等,进一步确定冲击危险性与微震预警参数的关联性。研究结果表明:不同掘进阶段的微震能量和频次表现形式不同,但具有一定规律性。当微震能量持续升高而频次逐渐降低时或掘进速度突然加快时会发生密集的大能量事件。统计表明,微震活动异常系数大于1.5后,将会发生大能量事件。