多煤层开采煤矸互层顶板动压巷道围岩稳定性研究与控制

为了解决多煤层开采煤矸互层顶板动压巷道围岩稳定性问题,以东荣一矿为工程背景,分析18层煤回采对20煤层巷道掘进的影响。对20煤层地应力环境、顶板强度及结构进行测试,建立数值模型进行分析并得出围岩控制方案,并结合现场矿压监测数据进行方案验证。研究结果表明:上层煤回采工作面与下层煤掘进工作面的水平错距是影响多煤层开采中下层煤巷道围岩稳定性的关键因素;数值模拟结果表明,当水平错距为40 m时,20煤层掘进工作面已进入增压区,应力集中系数达到2.5,现场矿压监测显示,当回采工作面距离测站40 m,锚杆锚索受力开始明显增加;通过实施高预应力强力锚杆锚索组合支护方案,20煤层右三片下料道未发生锚杆锚索破断现象,顶板最大下沉量为182 mm,两帮最大变形量为120 mm,巷道变形量大幅度减小,围岩稳定性得到较大提高。

区域多工作面协调开采防治冲击地压实践研究

矿井多工作面之间的开采扰动会诱发煤矿冲击地压灾害,区域工作面协调开采是此类冲击地压防治的关键手段之一。为了工程验证区域多工作面协调开采防治冲击地压的合理性和有效性,以冲击地压多发的义马矿区为例,基于模拟得到的协调开采原则及参数取值,制定了跃进-常村井间区域协调开采方案,通过对比不同协调开采程度区域的应力转移特征和冲击事件特征,评估了工作面协调开采效果。结果表明:跃进-常村井间区域中,跃进23092工作面和常村21162工作面煤层厚度和巨厚砾岩厚度较小,23092-21162工作面组和21170-21162工作面组开采时工作面之间煤柱宽度较大、两工作面水平距离和垂直错距较远,井间23092工作面和21162工作面为最优的接续工作面;跃进-常村井间区域协调开采程度高于耿村-千秋井间区域,协调开采使工作面之间由冲击和开采引发应力转移的频次和强度均明显降低,应力转移范围明显减小,协调开采效果明显。

预掘双回撤通道稳定性机理及控制技术研究

为解决预掘双回撤通道贯通时回撤通道围岩稳定性问题,通过理论分析、数值模拟和现场实测相结合的方法,研究分析了回撤通道贯通时围岩破坏机理、通道间合理煤柱尺寸、工作面贯通不同位置时围岩塑性区分布与应力分布规律。结果表明:主、辅回撤通道间煤柱理论宽度为20 m,此时煤柱内部应力分布呈现双峰状,辅助回撤通道围岩应力较小;20 m煤柱条件下,工作面进入末采期,主回撤通道围岩逐渐破坏,辅助回撤通道围岩塑性区范围较小,因此确定主、辅回撤通道间煤柱宽度为20 m。工作面末采期主回撤通道采用垛式支架加强支护,现场实测主回撤通道帮部最大变形量180 mm,巷道完整性较好。

锚杆杆尾螺纹力学性能的实验研究

为提高锚杆杆尾螺纹段综合力学性能,在分析锚杆杆尾螺纹力学性能主要影响因素的基础上,对不同螺纹参数的锚杆螺纹段力学性能进行了试验研究,开发出螺纹力学性能测试试验台,加工不同公称直径、不同牙型、不同螺距等参数的螺纹段试件,进行多方案对比试验,得出不同螺纹结构参数与锚杆螺纹段力学性能的关系。试验结果表明:螺纹参数对锚杆螺纹段力学性能影响非常显著;通过减小螺纹的螺距,能够有效提高螺纹预紧力矩转化效率,并提高杆尾螺纹段的拉伸强度性能。

露井协调开采顺序对露采边坡变形破坏影响规律研究

露井协调开采顺序关系到两种开采方式之间相互制约和影响的程度,结合平朔矿区露井协采工程实践,设计先井工后露天开采和先露天后井工开采两套方案,并分别对两套方案进行数值模拟,对比分析了不同露井协调开采顺序下露采边坡变形破坏特征。根据分析结果,从维护边坡平整和稳定的角度,建议在露井协采生产实践中,对于计划进行内排的矿山且内排进度超前于井采扰动的范围时,可优先考虑采用先露天后井工的开采模式,除此之外,建议采用先井工后露天的开采模式且露天开采进度滞后于井采活跃期。

含裂隙煤体能量耗散特征与冲击倾向性研究

冲击倾向性是煤岩体能否发生冲击地压的自然属性,裂隙的分布对其有重要影响。为研究煤体原始裂隙对能量耗散特征和冲击倾向性的影响机制,采用PFC2D数值模拟方法,对不同裂隙类型的煤体试件进行了单轴压缩测试。研究表明:①随着裂隙倾角的增大,宏观力学参数抗压强度和弹性模量均表现为先减小后增大的趋势;当裂隙倾角为30°时,两者都取得最小值。不同裂隙类型宏观力学参数大小关系为:非共面平行双裂隙试件<单裂隙试件<共面断续双裂隙试件。②弹性应变能和总应变能的变化规律与宏观力学参数相似。平行非共面的裂隙试件在裂隙之间形成了能量耗散结构,共面断续双裂隙试件裂隙之间形成了能量集中区,揭示了不同裂隙类型弹性能量大小关系的内在原因。③从煤岩体储存弹性能的能力和破坏后释放弹性能的能力2个角度对冲击倾向性进行分析,提出了弹性能储存率和弹性能释放率2个冲击倾向性指标。④随着裂隙倾角的增大,弹性能储存率和弹性能释放率均表现为先减小后增大的趋势;当裂隙倾角为30°时,两冲击倾向性指标都取得最小值。不同裂隙类型冲击倾向性大小关系为:非共面平行双裂隙试件<单裂隙试件<共面断续双裂隙试件。裂隙的分布形态对煤体的冲击倾向性具有显著影响,在煤岩体的冲击倾向性评价和冲击地压防治中应考虑裂隙这一因素。

卸载条件下逆冲断层滑移实验研究

煤矿开采活动对断层系统的卸荷效应,往往诱发逆冲断层失稳进而导致冲击地压灾害。以义马F16逆冲断层为工程背景,采用实验室实验研究了卸载条件下逆冲断层的差应力变化特征,分析了逆冲断层卸载过程中的位移场、变形场演化规律,阐述了逆冲断层失稳瞬态的滑移位移及声发射特性,探讨了逆冲断层的失稳过程。研究结果表明:逆冲断层卸载失稳时发生多次差应力"突跳"现象,以首次"突跳"变化量最大,差应力"突跳"量为0.36 MPa;断层不同部位滑移情况具有显著差异,其中下部滑移量大于中部和上部、下盘远场滑移量大于近场和上盘;断层岩体的法向应变和剪切应变呈"降低—突增—波动—稳定"的变化趋势,且变形场受位置影响较大,如下部法向应变"突跳"量大于中部和下部,两端剪切应变"突跳"量大于中部;断层失稳瞬间可分为启滑、主震、后震3个阶段,主震将释放大部分能量,为断层冲击地压的主要能量来源;卸载导致逆冲断层滑移的过程分为线性稳态、非线性稳态、亚失稳及失稳4个阶段,失稳瞬间剪应变的变化趋势为"突降—回弹—稳定";开采扰动引起的卸荷作用,造成F16断层不同位置呈不同的滑移模式,即浅部逆时针滑移、深部顺时针错动。

煤与煤层气资源开发全过程阶段划分及其开发效果评价

为更好地认识煤与煤层气两种资源开发的全过程,科学评价各阶段开发效果,基于煤层气矿业权和煤炭采矿权分置的现实以及现行的煤炭和煤层气开采的安全生产许可制度,考虑不同类型开采企业的性质和特点以及不同时空煤层气开发对煤炭生产的影响,对煤和煤层气开发全过程进行了系统研究分析。研究结果表明:煤炭与煤层气开发全过程可分为相互独立又相互联系的4个阶段,即:单纯性煤层气开发阶段、互惠性煤层气开发阶段、煤与瓦斯共采阶段和废弃矿井煤层气开发阶段。但随着“煤层气勘查、开采结束前,不设置煤炭矿业权”规定的落实,将来煤炭与煤层气开发仅有单纯性煤层气开发阶段、煤与瓦斯共采阶段和废弃矿井煤层气开发3个阶段。基于各开发阶段不同的的开发目标,提出了各阶段开发效果评价的内容和方法,用于指导各开发阶段开发方案的优选。

干燥和饱水条件下煤样破坏特征及红外辐射演化规律研究

为探究饱水煤样红外演化特征,对干燥和饱水煤样进行加载试验,对比分析干燥和饱水煤样受载过程中应力变化、温度变化以及红外辐射演化特征。结果表明:干燥煤样破坏产生喷射现象,而饱水煤样受载过程中较平静;相同应力条件下饱水煤样的位移量和塑性强度均大于干燥煤样的位移量和塑性强度,但弹性模量、载荷峰值均小于干燥煤样的弹性模量及载荷峰值;干燥煤样受载过程中平均热红外辐射温度整体为上升趋势,而饱水煤样表现为下降趋势;低温异常预示着发生张拉破坏,高温异常预示着发生剪切破坏;干燥和饱水煤样主要破坏方式分别为剪切破坏和张拉破坏。

我国煤矿冲击地压防治技术研究现状及展望

通过文献统计分析了我国煤矿冲击地压目前的发生现状、总体特点以及发生机理、监测手段、防治方法等。结果表明:我国煤矿冲击地压发生频度强度激增,并且浅部开采激增明显;关于冲击地压的研究由对冲击地压发生机理研究逐步转向冲击地压防治技术研究;冲击地压监测采用多参量综合监测模式较科学,但该模式需与冲击地压发生机理相结合;冲击地压防治方法采用综合防治方法较为合理,但需对该方法进行精细化研究。最后笔者归纳总结了防治冲击地压的"三个理念"。

不同应力路径下大理岩声发射特性试验研究

利用TAW-2000高温岩石三轴伺服试验机和德国VallenAMSY-6声发射信号采集系统,对大理岩在单轴压缩、等幅循环加卸载和分级循环加卸载条件下损伤破坏全过程的声发射特性进行研究,并用快速傅里叶转换(FFT)对单轴压缩试验全过程的声发射信号、循环加卸载过程中Kaiser点和Felicity点的声发射信号频谱特性进行了分析。试验结果表明:单轴压缩试验过程中,声发射主频带主要位于两个区域——低于200 kHz区间和300 kHz附近,并且随着加载应力的增加,主频由低频向高频转移,主频幅值总体呈下降趋势;提出一个新的反映声发射波形信息的指标——次主比α,并指出单轴压缩过程中次主比呈上升趋势。分级循环加卸载过程中Kaiser点和Felicity点的主频变化不明显,Felicity点的次主比总体大于Kaiser点;采用第2次循环中与首循环峰值应力等值应力点的AE数作为Kaiser效应中"明显增多"的尺度能够观察到明显的Felicity效应。

露天矿端帮煤柱回收井工开采工作面推进方向的优化

为科学优化井工开采工作面的推进方向,保证边坡稳定的同时进一步提高煤炭采出率,以平朔矿区平面露井协采工程实践为背景,采用相似材料模拟实验的方法,研究了露天矿端帮煤柱回收过程中顺坡开采和逆坡开采对边坡变形破坏影响的差异性,构建力学模型分析了引起工作面煤壁侧垮落角小于开切眼侧垮落角的根本原因。研究结果表明,平朔矿区类似地质与采矿条件下,上覆岩层破断机制的不同,导致开切眼侧垮落角与煤壁侧的垮落角相差约7°,且顺坡开采有利于边坡稳定。基于以上结论,若采用顺坡开采方式,不但可以减小井工开采对边坡稳定的影响,还可以进一步缩小露井协采边界参数,采出更多的端帮压煤。

长壁工作面采空区见方形成异常来压的微震监测研究

上覆岩层的断裂失稳下沉是造成工作面矿压显现的根源。采用微震监测技术对长壁工作面见方期间围岩破坏的整个过程进行监测,研究长壁工作面见方期间微震事件动态信息与岩层运动及矿压显现间的关系,揭示大能量微震事件发生和工作面围岩异常矿压的物理力学机制。同时,统计研究采场煤壁片帮和支架工作阻力的动态变化规律。微震监测与宏观矿压观测综合对比研究表明,见方期间的开采影响范围比正常开采时大,围岩释放能量也达到极大值。研究结果证实了采空区见方期间工作面将发生异常矿压,能够为见方期间冲击地压、煤与瓦斯突出和底板突水等矿井动力灾害防治提供针对性的指导。

冲击倾向性煤体加载破坏的红外辐射特征研究

为探讨不同冲击倾向性煤体失稳破坏的红外前兆信息,以无、弱、强3种冲击倾向性矿井煤样为对象,开展煤体加载破坏过程中红外辐射特征观测试验。试验结果表明:无冲击倾向性煤体温度场变化幅度较小,表面平均温度变化在0.01℃内,弱冲击倾向性煤体表面平均温度升高达0.18℃,强冲击倾向性煤体表面平均温度升高达0.21℃;无冲击倾向性煤体加载过程无明显高温区域,而冲击倾向性煤体加载时则出现剪切破坏形成的高温区域,且冲击倾向性越强,区域范围和强度越大;冲击倾向性煤体破坏前,煤样表面破裂区域为升温变化前兆,而未破裂区域为降温变化前兆。

超前深孔顶板爆破防治冲击地压原理分析及实践研究

通过对超前深孔顶板爆破过程及影响因素的分析,揭示其防治冲击地压的机制。采用ADINA软件模拟研究三孔扇形布置条件下炮孔夹角及装药段长度变化对其防冲效果的影响,并从应力场、能量场2个不同的角度对其现场防冲效果进行检验。研究表明,在炮孔深度一定的前提下,三孔扇形布置的超前深孔顶板爆破可有效降低工作面超前高应力区的峰值并使其向煤体深部转移,使煤岩整体结构处于相对稳定的低势能状态,其爆破防冲效果随炮孔夹角的增大而增强,形成的剪应力降低区随装药段长度的增加而增大。

煤矿深部开采煤岩动力灾害防控理论基础与关键技术

煤岩层赋存条件决定了煤矿深部开采条件下煤岩动力灾害的发生机理更趋复杂、防控难度显著增大,如何解决煤矿深部开采煤岩动力灾害防控问题,直接影响我国煤矿的安全生产和能源的有效供给。针对“煤矿深部开采煤岩动力灾害防控技术研究”这一科学命题,基于冲击地压“三因素”机理和煤与瓦斯突出的综合作用假说,从煤岩动力灾害防控理论基础、关键技术和防控实践等3个方面,梳理澄清了煤矿煤岩动力灾害防控中的一些模糊概念,建立了用于统一描述冲击地压和煤与瓦斯突出发生机理的广义“三因素”(“物性因素”、“应力因素”及“结构因素”)理论,确定了我国煤矿典型冲击地压的4种类型(煤层材料失稳型、煤层结构失稳型、顶板断裂型、断层滑移错动型),分析了影响冲击地压和煤与瓦斯突出的主要因素,从思想认知、原则方法及技术核心等方面凝练了煤岩动力灾害多尺度分源防控技术,提出了深部开采冲击地压巷道“三级”吸能支护思想与成套技术,开发了煤与瓦斯突出井上下联合抽采防控技术和超高压水射流“横切纵断”防治复合煤岩动力灾害技术,并在现场开展了应用试验。煤矿深部开采煤岩动力灾害防控理论与关键技术的建立与完善,为我国今后煤矿煤岩动力灾害的防治提供了科学依据。

浅层地震法探测浅煤层采空区试验研究

高分辨率地震反射波法在煤矿采空区的勘查中越来越受重视,该技术通过在地表激发地震波,该波在向下方半空间传播过程中遇到上下波阻抗(介质波速与密度的乘积)差异较大的界面时,产生相应的反射波,通过追踪被采煤层的反射波,视其在勘查剖面上的变化来确定采空区是否存在,并圈定其边界。

基于水压致裂法的岩石抗拉强度研究

为了揭示水压致裂法和巴西劈裂法测量岩石抗拉强度的关系,开展了理论和现场试验研究。基于经典的水压致裂法理论,推导了不同围压下钻孔破裂压力和抗拉强度。利用断裂力学理论建立了水压致裂法和巴西劈裂法测得抗拉强度的关系。利用预制切槽方法模拟天然裂纹,对水力裂缝的起裂压力进行了研究。结果表明:围压为最大主应力等于3倍最小主应力测得的抗拉强度大于围压为0测得的抗拉强度;水压致裂法和巴西劈裂法测量抗拉强度关系与应力场、裂纹长度、断裂韧度3个变量有关;通过在晋城矿区王台铺矿的预制切槽试验,运用断裂力学建立的抗拉强度计算式更为符合现场实际。研究结果可为坚硬难垮落顶板预制切槽的水力压裂设计提供参考。

采动巷道矿压显现特征及力构协同防控技术研究

以西北地区典型冲击地压矿井为工程背景,研究采动巷道冲击地压力构协同防控技术的有效性,通过对典型厚硬顶板条件下重复采动巷道冲击地压显现特征及主控因素的分析,采用"点-面-区"相结合的方式对深部厚硬顶板采动巷道应力分布进行了探测,确定了回风巷冲击地压严重的主要原因为区段煤柱侧向覆岩结构破断和采动应力的叠加作用。提出冲击地压防治要从采动巷道围岩结构和应力环境双方面入手,通过调整采动巷道围岩应力环境,人为干预高低位岩层破断位态,增加高低位厚硬顶板破断所释放弹性能量的传递损耗,优化巷道围岩支护参数,提高工作面超前应力峰值附近巷道刚性支护系统瞬时吸能让压能力,并根据采场煤层赋存条件、围岩结构特征和应力环境不断改变的特点,动态调整各种措施的时空组合方式进而实现采动巷道的围岩稳定性控制。通过典型冲击地压工作面现场防冲实际,验证了采动巷道冲击地压力构协同防控技术的有效性,为西北地区深部厚硬顶板条件下采动巷道冲击地压防治提供理论指导。

煤矿深部开采冲击地压灾害结构调控技术架构

煤矿冲击地压灾害频发依然严重制约煤炭深部安全高效开采,冲击地压灾害研究需将发生机理、监测预警及综合防治相互关联,建立深部开采冲击地压综合防治体系。以冲击地压防治为目的,提出了冲击地压灾害防治的结构调控理念、科学内涵以及冲击地压结构调控技术路线,分析认为煤岩体结构是导致围岩应力场演化的根源,系统结构变化是引起应力变化及转移的根本原因,应力仅是系统结构变化的外在显现形式,冲击地压灾害防治应从调控煤岩体结构出发。通过对冲击地压灾害机理及防治有关问题的梳理,提出了深部冲击地压灾害结构调控核心科学问题,包括扰动作用下冲击性煤岩体应力场时空演变、深部冲击地压多元前兆信息耦合辨识及预警、深部高应力煤岩体的结构调控及减冲机制。在此基础上,提出了应力-电磁辐射-地音-微震监测构成的多元监测预警体系,以实现对采区范围内巷道、采场及覆岩结构破裂的多尺度监测。根据由区域子系统和局部子系统组成的深部开采冲击地压灾害结构调控技术路线,提出由保护层+负煤柱开采、水力压裂、深孔爆破及大直径钻孔组成的结构调控体系来实现降低冲击地压灾害发生的危险性。结构调控体系已在山东某矿埋深1300 m的4号煤层成功应用,验证了该体系防治冲击地压灾害的可行性及科学性。