深部煤岩原位扰动力学行为研究

深部开采是我国矿产资源获取的主要途径,然而目前深部资源的开发现状是工程领先倒逼理论创新,时效性差,灾害频发。系统探索深部岩体原位力学行为已经成为了深部矿产资源高效开采亟待攻关的基础科学问题。以深部煤炭开采为工程背景,通过现场井下实测捕捉深部岩体所经历的应力路径,进而考虑扰动应力路径、深度原位赋存环境等因素,开展深部煤岩原位力学与破坏特征的模拟测试,主要结论有:①赋存深度是深部原位岩体力学行为的重要影响因素。岩体强度随赋存深度非线性增长,浅部(低围压)岩体的强度受载荷速率影响较小,加卸载速率对深部(高围压)岩体力学特征影响存在特定范围。②工程扰动是深部原位岩石力学特性的重要影响因素。扰动应力路径下岩体较常规三轴强度降低,且与常规三轴力学试验不同的是出现低初始应力作用下的体积膨胀和高围压作用下的体积收缩现象。③原位扰动应力路径下,随深度增加岩体破坏后表面微裂纹数量减少,由“半Y”型拉-剪复合破坏向“半X”型纯剪切破坏过渡。④建议的煤岩原位岩石力学测试方法可以较为真实模拟地下工程扰动形成的三向不等压力学状态,能有效在实验室条件下揭示深部开采扰动下煤岩体力学行为。

深部煤层采动破坏电位响应特征与分布规律

为了研究采动破坏过程煤体电位信号的响应特征与规律,利用自主研发的矿用电位仪在河南薛湖煤矿25050综采工作面进行了现场测试。结果表明:煤层采动破坏过程能够产生显著的电位信号,电位响应特征能够揭示煤体应力状态的变化,随着回采工作面的推进,电位强度呈先增加后降低趋势,利用钻孔卸压后,煤体应力降低,电位信号随之下降;电位强度与钻屑量的空间分布规律基本一致,利用电位空间分布规律能够识别应力异常特征,出现“卡钻”现象时,煤体应力异常,电位强度出现峰值;当瓦斯指标超限或出现大能量煤炮事件时,电位信号呈超前增大趋势并伴随剧烈波动,利用电位信号能够识别煤岩动力灾害危险的前兆特征。研究成果表明利用电位手段可现场监测煤体采动破坏、预警煤岩动力灾害。

深部矿井掘进工作面煤体突出危险电位反演精细判识

深部煤炭开采条件下,煤与瓦斯等动力灾害更加严峻及复杂,对突出危险潜在区域进行精细判识,是监测预警深部煤与瓦斯突出灾害的基础和前提。常规预测手段无法在空间分布上对突出危险区域进行连续、精细监测。基于此,现场测试研究煤体掘进过程电位响应特征,根据双边电位反演模型提出掘进工作面前方煤体突出危险精细判识方法,并进行应用与验证。煤体掘进过程中电位信号与采动应力的变化基本一致,符合经典应力分布规律。电位信号在工作面发生大能量煤炮时处于高值水平且波动剧烈,表明电位响应能够反映煤体采动过程的受载破坏状态。构建双边电位反演成像模型,提出掘进工作面前方煤体(10 m内)突出危险判识方法。基于模糊数学统计结果确定电位反演临界值,对反演区域内的突出危险区域及危险程度进行区域划分与定量识别。结合钻孔瓦斯参数等常规指标对电位判识结果进行验证,统计表明电位反演云图中黄色危险区域对突出危险点的判识成功率为100%,红色危险区域的判识准确率为62.5%。电位反演方法能够精细判识掘进工作面前方煤体突出危险区域及危险程度,为深部煤岩动力灾害的监测与防控提供了新的研究思路和应用手段。