Prediction and control of rock burst of coal seam contacting gas in deep mining

By analyzing the characteristics and the production mechanism of rock burstthat goes with abnormal gas emission in deep coal seams,the essential method of eliminatingabnormal gas emission by eliminating the occurrence of rock burst or depressingthe magnitude of rock burst was considered.The No.237 working face was selected asthe typical working face contacting gas in deep mining;aimed at this working face,a systemof rock burst prediction and control for coal seam contacting gas in deep mining wasestablished.This system includes three parts:① regional prediction of rock burst hazardbefore mining,② local prediction of rock burst hazard during mining,and ③ rock burstcontrol.

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》。

煤岩组合体冲击倾向性对超低摩擦型冲击地压的影响机制

为揭示煤岩组合体冲击倾向性程度对超低摩擦型冲击地压的影响机制,以不同冲击倾向性煤岩组合体为研究对象,在对煤岩组合试件进行冲击倾向性测定的基础上,采用自行研制的煤岩界面超低摩擦试验装置,以发生超低摩擦效应时的水平位移、动能、摩擦力为指标,探究煤岩组合体冲击倾向性与垂直应力波扰动频率、扰动振幅之间的关系特征。研究结果表明:(1)受扰动频率影响,弱、强冲击倾向煤岩组合体易发生超低摩擦效应的频率显著影响区分别为2.0~3.0,2.5~3.5 Hz,且随着冲击倾向性程度的增强,频率显著影响区逐渐右移。(2)相比于弱冲击倾向性煤岩组合体,强冲击倾向性煤岩组合体发生超低摩擦效应时水平位移、动能和摩擦力降幅较大,煤块易发生超低摩擦滑动。(3)随着煤岩组合体剩余能量指数的增大,冲击倾向性程度逐渐增强,动能呈指数规律增大,煤块越易发生超低摩擦滑动。研究结果可为超低摩擦型冲击地压的预测和防治提供参考。

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。

上覆不规则煤柱孤岛工作面冲击地压弱结构法防治技术

为解决上覆不规则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Y484工作面为研究对象,分析得出以上覆不规则煤柱、大埋深、本层煤柱和煤岩层结构为主的上覆不规则孤岛工作面冲击地压的主控因素;提出了通过制造弱结构调控冲击地压主控因素的防冲方法,描述了弱结构的特征及其通过调整应力分布防治冲击地压的原理;采用FLAC3D建立数值模型,分析了上覆不规则煤柱孤岛工作面的变形破坏过程及应力分布规律,使用弹塑性本构模型模拟弱结构,验证了弱结构对冲击地压的防控作用。通过现场工程实践,建立并实施了以弱结构为主的冲击地压防治技术,并通过应力法和钻屑法验证了弱结构对该条件下的冲击地压具有良好的防控效果。

基于钢锥冲击的煤层卸压方法研究

针对煤矿冲击地压引起的采掘安全问题,以山西晋中左权五里堠煤矿3号煤层开采地质条件为工程背景,提出一种基于钢锥冲击煤层的卸压方法。根据通电线圈间产生电磁互感斥力原理,获得磁力驱动绕线钢锥撞击煤层的冲击力函数式,并结合弹性力学理论,分析冲击力作用下煤体应力场分布特征、裂隙类型、破裂范围及程度。结果表明:(1)冲击力与交流电电压及线圈级数呈正相关关系,与交流电频率及每米线圈匝数呈负相关关系。其中,电压是调控冲击力的最主要因素,综合考虑认为电压取660 V为宜。(2)计算显示钢锥长度与直径仅需1 cm和1.28 cm,与之匹配的2级加速线圈总长为2 cm,可实现冲击装置的微型化,便于在钻孔内灵活布置。(3)冲击力使钻孔横截面围岩出现集中系数为4.0~16.7的叶状极高应力区,其延伸长度为5倍钻孔半径,区内发育张拉裂隙;叶状区之外为集中系数1.7~3.3的高应力区,发育压剪裂隙,其范围可达50倍钻孔半径,据此得到卸压钻孔间距为2.5 m。(4)按卸压段长度,每孔内设置2个间距2 m的冲击装置,冲击力使钻孔纵截面围岩呈现针状极高应力区,相邻针状区间分布椭圆形压剪裂隙区,两者一起贯通2 m厚煤层,实现有效破煤卸压。研究成果为探索基于磁力钢锥冲击的煤层卸压技术奠定初步理论基础。

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。

煤层厚度影响下大直径钻孔卸压释能机理

煤层厚度变化是影响大直径钻孔卸压效果的重要因素之一。基于等效弹性模量原理建立了大直径钻孔卸压弹性力学模型,以某矿不同工作面为工程背景,研究了不同煤层厚度条件下大直径钻孔卸压煤体应力分布特征和能量释放规律,探讨了煤层厚度影响下大直径钻孔卸压释能机理。研究结果表明:当大直径钻孔卸压参数相同时,薄煤层中原岩应力、钻孔切向应力及其塑性区范围均大于厚煤层;大直径钻孔周边应力峰值随煤层厚度增加呈非线性减小趋势,当煤层厚度由1 m增加到9 m,应力峰值由23.2 MPa降低到20.2 MPa,降低12.9%;大直径钻孔卸压释能率随着煤层厚度增加呈减小趋势,当煤层厚度由1 m增加到9 m,大直径钻孔卸压释能率由68.7%降低到45.8%,即相同大直径钻孔卸压参数条件下薄煤层卸压效果更好;当大直径钻孔卸压参数相同时,钻孔切向应力随着煤层厚度增加而减小,导致煤体破碎区和塑性区范围以及存储弹性能释放量减小,即钻孔卸压释能率降低。某矿1208工作面和1203工作面煤层厚度分别为9.08、4.95 m,虽然两工作面采取了相同的大直径钻孔参数,但1208工作面巷道围岩变形破坏更为严重,对大直径卸压钻孔参数优化后,煤体平均钻屑量由2.48 kg/m下降到1.76 kg/m,表明随着煤层厚度增加,需采取减小钻孔间距、增大钻孔直径等措施来达到更好的卸压效果。

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。

新巨龙煤矿煤层大巷冲击地压防治技术

针对新巨龙煤矿3303工作面回采末期开采扰动对煤层大巷产生的冲击地压风险,采用微震监测分析了开采期间工作面超前煤岩体破裂的分布和演变规律,理论分析了大巷保护煤柱区应力分布形态,数值模拟分析了工作面开采前后大巷煤柱区应力分布特征及煤层大巷在工作面采动影响下的应力分布及演变规律,阐述了新巨龙煤层大巷区域冲击地压发生机理。研究表明:大巷保护煤柱区域应力呈“马鞍形”分布,受工作面采动影响,应力与超前支承压力叠加逐渐增大。工作面回采末期,采空区连通范围增大也导致支承压力峰值增大。3303工作面超前支承压力影响范围约为180 m,工作面距大巷小于180 m时,受采动垂直应力影响较明显,巷道帮部冲击风险增强。此外,通过优化3303工作面终采线位置,采取巷道加强支护、巷道煤体卸压及顶板爆破卸压等针对性防治方案,工作面回采末期大巷区域矿震少且能量低,冲击地压防治效果显著。

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。

近直立煤层上覆煤柱下巷道冲击地压防治研究

以近直立特厚煤层终采线保护煤柱下掘进过程中遇到冲击地压问题为工程背景,通过数值模拟、理论分析和现场实践的方法,研究了保护煤柱下方掘进面开采过程中冲击危险程度的变化,提出了相应的防治手段和检验措施,得出如下结论:巷道掘进影响了煤柱区域应力状态,增加终采线煤柱区域应力集中区的范围及冲击危险性;掘进工作面经过煤柱边缘应力集中区时,前方应力峰值较大,围岩冲击危险性较高。根据PDCA管理模式提出了理论分析→实施解危→效果验证→掘进实践→优化调整→效果验证的双循模式管控,通过实施掘进面密集大孔径卸压孔和全方位高压注水软化等系统性防治工程,并采用微震、地音、电磁辐射等技术进行效果验证,实现了掘进工作面安全的通过煤柱影响区域。这为矿井冲击地压防治提供了参考和借鉴。

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。

近距离冲击地压煤层开采遗留煤柱与断层复合影响下冲击危险性研究

我国主要冲击地压矿井往往同时赋存多层可采煤层,多煤层协同安全开采是事关我国能源安全的重要课题。近距离冲击地压煤层开采时,上部煤层留设的煤柱承载了较高的上覆岩层载荷,给下部煤层开采带来了较大的风险。当遗留煤柱下发育断层时,该遗留煤柱导致的应力集中区与断层围岩附近的应力异常区产生的复合作用对工作面开采产生巨大影响。本文以陕西彬长大佛寺煤矿40201工作面为研究对象,理论分析了上煤层遗留煤柱和断层复合作用对下部冲击地压煤层开采时冲击危险性的影响,采用地震波层析成像技术和微震监测技术,分别探明了遗留煤柱和断层复合作用下工作面围岩静载荷、动载荷分布规律。研究结果表明:煤层中的断层破碎带在上覆遗留煤柱作用下产生的静载荷集中区域会向断层两盘远处转移,使得断层更易发生滑移失稳;在遗留煤柱和断层的复合作用下,工作面“见方”区域来压早于理论预测结果,且来压强度增大;工作面动载显现以遗留煤柱下区域为主,遗留煤柱的存在增大了工作面超前支承压力的影响范围。本文研究可对类似条件下的冲击地压煤层开采提供一些借鉴。

近直立煤层群水平分段综放开采充填卸压防冲研究

目前近直立煤层开采冲击地压防治措施主要有爆破、水压致裂、建立保护层等,或破坏层间岩柱和顶底板,或难以解决大采深情况下的层间岩柱应力集中问题,且会导致较大的地表沉降。以乌东煤矿为工程背景,针对近直立煤层群水平分段综放开采方法,提出了充填采空区技术,以支护层间岩柱及顶底板,降低开采分段周围煤岩体的应力集中现象。设计了3种充填方案:方案1为第一开采分段采空区使用高强度材料充填,其余分段采用普通材料充填;方案2为第一开采分段采空区使用高强度材料充填,其余分段交替采用高强度材料和普通材料充填;方案3为每一分段采空区均使用高强度材料充填。通过数值模拟研究了3种充填方案的卸压防冲效果,结果表明:与未充填相比,3种充填方案下层间岩柱最大垂直应力分别下降25.07%,26.57%,29.23%,下一分段煤体最大水平应力分别下降10.63%,10.79%,12.34%。综合考虑卸压效果和经济效益,优选间隔充填的方案3。指出可结合高应力区域实时智能监测技术,及时支撑层间岩柱,减少层间岩柱及下分段煤体的应力集中,防止冲击地压发生。

近距离煤层采空区下厚煤层开采强矿压机理及控制研究

针对近距离煤层采空区下W1701厚煤层工作面开采顶板强矿压现象,利用物理相似模拟实验、理论分析及数值模拟实验,研究了一次采全厚条件下W1701工作面顶板强矿压诱发机理及控制对策。研究结果表明:W1701工作面顶板受其上方“高位关键层(硬岩)-巨厚软弱岩组-低位关键层(硬岩)”覆岩结构破断运动影响,顶板呈现大周期、小周期来压变化,其中,低位关键层“砌体梁”结构性失稳形成小周期来压,巨厚软弱岩组纵向裂隙周期性贯通并发生台阶下沉,形成大周期来压,大周期来压造成工作面顶板支承压力跳跃式突增,支架载荷高达67248kN,是支架额定工作阻力的3.7倍,极易将整个工作面支架压死,并引发重大生产安全事故。对于准南煤矿此类近距离多煤层采空区下厚煤层不宜采用一次采全厚开采,宜采用分层开采,分层开采使得高位关键层、低位关键层之间的巨厚软弱岩组产生了分次破坏,工作面来压相对于一次采全厚有效缓和,能够有效避免工作面强矿压事故。

近直立煤层顶底板爆破防冲方法数值模拟研究

近直立煤层由于顶底板的挤压撬动作用,其冲击地压防治难度较大,本研究以乌东煤矿南采区为工程背景,进行了近直立煤层顶底板岩体爆破卸压防冲方法的研究。通过案例分析、数值模拟和现场验证等方法,分析了近直立煤层发生冲击地压期间采取的深孔爆破措施卸压防冲效果。尽管深孔爆破能够减少顶底板的压撬作用产生的动载,但对工作面近场围岩的弱化及静载的降低效果不佳。针对这些不足,提出了深浅孔爆破卸压防冲方法,结合深孔与浅孔爆破,既弱化了压撬作用导致的动载又有效弱化工作面围岩并降低静载集中,具体方法包括深浅孔交替爆破和深浅孔同时爆破。相比于单一深孔爆破,这两种方法都能进一步降低巷道围岩水平应力峰值。深浅孔同时爆破的防冲效果优于交替爆破,但工程成本更高。在乌东煤矿南采区应用了深浅孔交替爆破防冲。微震监测结果显示,相较于深孔爆破实施深浅孔爆破后,104 J以上大能量事件的发生率从9.3%降至0.2%,微震能量以“低频高能”转变为“高频低能”平稳释放,有效降低了冲击地压危险。研究成果可为近直立煤层冲击地压的防治工作提供重要支撑。