千米深井解放层开采卸压机理及效果分析——以华丰煤矿为例

解放层开采是煤与瓦斯突出、冲击地压等煤矿动力灾害防治的重要措施,以山东泰安千米深井华丰煤矿2613、2412工作面为背景,采用物理模拟与数值模拟相结合的方法,围绕解放层开采卸压机理、卸压效果评价等工程科学问题开展研究,明晰解放层开采后上覆岩层运动规律及矿压变化特征,厘清被解放层采动过程中采场应力与岩层位移演化规律,进而对解放层开采卸压效果和被解放层开采可行性进行指标化评价。结果表明：(1)解放层开采过程中,上覆岩层逐渐垮落形成漏斗状、非对称的多固支梁状结构,解放层开采结束后,采场左右两端分别形成对被解放层起永久性卸压保护的类悬臂梁结构,左右保护角分别为54°、60°。(2)解放层上覆岩层划分为“永久性卸压保护区”和“采空触矸压实区”,两种应力分布区对应解放层顶板应力最大值约20、36 MPa,对应被解放层内最大应力值约29、24 MPa,被解放层受两种应力区的叠加影响。(3)解放层开采结束后,工作面两端出现应力积聚,其他区域上覆岩层整体处于卸压状态,“采空触矸压实区”的持续发育已影响到被解放层,被解放层50～100 m区域沉降量约等于采高。(4)被解放开采过程中,覆岩板裂指数f为0.5...     

冲击地压预测和防治

冲击地压严重威胁煤矿生产安全,发生时生产设施遭到破坏,甚至造成人员伤亡。我国是冲击地压最严重的国家之一。针对国内外冲击地压的现状,阐述了国内外冲击地压及其预测、防治的情况,对现有主要的预测技术进行了分析,指出使用电磁脉冲进行预测和水力钻孔割缝进行防治具有的特点。钻屑法是一种简便易行的预测方法,电磁辐射、电脉冲、声发射等也可用于冲击地压的预测。冲击地压防治技术主要有开采解放层、煤层注水、爆破卸压、钻孔卸压等,水力钻孔割缝是一种有待研究的新方法。     

深部煤层卸压爆破防治冲击地压效果的数值模拟研究

卸压爆破技术可降低煤岩体中应力集中程度,有效避免冲击地压灾害的发生。以跃进煤矿23 130工作面卸压爆破工程为例,运用FLAC3D软件进行数值模拟,分析了不同条件下卸压爆破前后围岩应力分布和转移规律,并结合电磁辐射监测技术,对采掘现场卸压效果进行了检验。结果表明,装药量越大,应力峰值降低和转移越明显;煤层厚度越大,应力峰值降低越明显,但推移距离基本不变;采深越大,应力峰值降低越大,但峰值区推移距离减小;爆破区域的电磁辐射检测值降低明显,表明卸压爆破效果理想。综合利用数值模拟方法和电磁辐射监测技术,可为采掘区域合理确定爆破参数和有效降低冲击地压危险提供依据。     

卸压开采研究进展

大规模深部开采已成为我国采矿工业发展的必然趋势。冲击地压、大变形控制是深部开采的研究热点,它们都是由过高的深部开采地压导致的。卸压开采的目的就是要转移或释放部分高地压。总结了压力拱、支承压力、最大水平地应力、板理论、卸压支护和轴变论等卸压理论及其适用领域。从卸压机制入手对卸压施工工艺进行了简单分类。概述了卸压开采的研究方法。其结果表明：钻孔爆破是一种灵活的卸压施工工艺;未来卸压理论研究仍将遵循相似模拟、数值仿真与原位测试相结合的原则;在卸压开采的数值仿真领域,开发嵌入了LS-DYNA3D的FLAC3D软件是钻孔爆破卸压的一个值得重视的研究方向;多种卸压理论的有机结合是创新卸压施工工艺的研发方向;压力拱、卸压支护理论仍值得深入研究。     

岩浆岩床下伏短壁综放面集中静载荷型冲击启动原理

为了探索没有动载荷源的冲击地压发生原理,以平庄某矿为例,采用数值分析、理论分析结合现场实测的方法,研究了巨厚岩浆岩床下伏短壁综放面回采前冲击启动原理。结果表明,巨厚岩浆岩床下伏短壁综放面开始推进前、后,下巷冲击启动都不需要动载荷源,难垮岩浆岩顶板的悬臂为冲击启动提供了足够的集中静载荷;短壁工作面开采使得下巷处于高位高应力区中,加剧了下巷冲击危险性;倾斜煤层巷道冲击时,围岩主应力方向大致与煤层倾向正交,使围岩冲击、鼓出非对称局部化,并且大致位于煤层倾向面的法线方向,这一认识为倾斜煤层冲击地压巷道支护与卸压实行非对称性提供新论点。     

不等长工作面台阶区域覆岩运动诱冲机制及防治

针对阳城煤矿不等长工作面台阶区域发生冲击地压灾害问题,基于工作面特殊布置方式及覆岩赋存特征,采用理论分析、数值模拟和现场实测等方法,分析了台阶区域覆岩结构运动特征和围岩应力演化规律,研究了台阶区域冲击地压诱发机制。研究结果表明：1304工作面台阶区域覆岩经历了“OX-S-C”型较为复杂的结构演变,覆岩空间结构由OX向S型转换时,顶板岩层大面积破断下沉,在台阶区域形成多个悬臂梁结构,越往高位,悬臂梁长度越大;受覆岩运动和采动应力场叠加影响,煤岩体形成高应力集中区,在顶板岩层动载冲击作用下,煤岩体弹性应变能突然释放,诱发冲击地压。采用COMSOL软件对不同卸压钻孔参数下煤体应变能分布特征进行模拟研究,优化了台阶区域卸压钻孔参数。根据模拟结果,随着钻孔孔径、孔深增大及间距减小钻孔卸压效果越明显,考虑工程实际,确定孔径为150 mm、孔深为30 m、间距为1 m为合理有效的卸压钻孔参数,并应用于1302工作面台阶区域的冲击地压防治,取得了较好的防冲效果。     

断层作用下深部开采诱发冲击地压相似试验研究

以典型断层型冲击地压矿井为例,采用相似材料模拟试验方法,基于覆岩空间结构失稳与断层活化耦合致灾原理,分析了巨型逆冲断层下盘煤层开采采场覆岩运动过程、工作面倾向支承压力及断层面的应力变化规律,研究了巨型逆冲断层影响下巨厚坚硬顶板易冲击煤层冲击地压显现特征。试验结果表明：煤层开采诱发巨型逆冲断层冲击灾变过程分为3阶段：第1阶段,受煤层采动影响,上覆岩层发生空间运动,煤体中形成明显高应力集中区;第2阶段,覆岩多层空间结构演化诱发断层活化,断层活化导致空间结构外部岩体回转,给空间结构施加外部载荷,造成空间结构失稳加剧,煤岩体的应力激增,影响范围扩大;第3阶段,断层滑移释放能量,提供动载荷。根据应力监测数据变化规律,划分了逆冲断层的明显影响区域,研究结果为断层影响下煤层开采的防冲策略与设计提供可靠依据。     

采动诱导应力集中对顺层钻孔瓦斯抽采影响的试验研究

利用自主研发的多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统,开展受采动影响导致工作面前方不同应力分布条件下的顺层钻孔瓦斯抽采物理模拟试验,对抽采过程中卸压区、应力集中区和原始应力区的煤层瓦斯压力、钻孔抽采流量、应力敏感系数和无因次渗透率等参数演化规律进行分析。试验结果表明,(1)在瓦斯抽采过程中钻孔周围瓦斯压力下降速率先快后慢,越靠近钻孔的瓦斯压力等压线越为密集,瓦斯流速越大,钻孔周围瓦斯压力梯度先增大后减小;(2)随着采动应力集中系数增大,煤层渗透率降低,瓦斯抽采流量减小,其中采动应力水平最大的应力集中1区瓦斯抽采流量最小,而应力水平最小的卸压区抽采流量最大;(3)应力集中区的应力敏感系数高于卸压区和原始应力区,而该区域无因次渗透率下降速率最慢。     

唐口煤矿3上煤层冲击地压形成机制及防治措施

通过对唐口煤矿地应力、3上煤层及顶板岩层冲击地压测试结果分析,认为3上煤层属强冲击倾向性煤层,3上煤层顶板属弱冲击倾向性岩层;在采深1000m条件下,随着地应力的增大,煤、岩层的冲击倾向性将会增大。因3上煤层为易碎煤,厚度较大,顶板弹性能易突然全部释放,形成冲击地压;3上煤顶板主要为中砂岩、细砂岩及泥岩,质地坚硬,在煤层开采过程中,煤壁附近出易现高应力集中带,在顶板中聚集的弹性能在自重力和采掘干扰下会突然释放,形成冲击地压。在生产过程中采取钻屑法、沿采煤工作面轨道顺槽安装顶板离层报警系统、合理开拓避免应力集中和叠加、对煤层进行注水,降低煤体弹性和强度、提高支护结构的承载能力等一系列措施,较好地预防了冲击地压的发生。     

吉林省道清矿北斜井南平峒煤层冲击地压危险性数值模拟

通化矿业(集团)公司道清煤矿地质构造复杂,且已经进入深部开采阶段,煤体采动所形成的矿压对安全生产造成较大威胁。为预测该矿北斜井南平峒煤层冲击地压危险性的程度,对其煤层进行冲击地压危险性数值模拟,分析了煤层在自重应力场和构造应力场下水平应力、垂直应力、XY剪切应力大小及分布规律,得出应力集中区出现在F3号逆掩断层与煤层交汇处,即此处冲击地压危险性程度相对较大,开采时应注意防范,确保矿井安全开采。     

开采上保护层对巨厚砾岩诱发冲击矿压的减冲机制分析

为研究开采上保护层对巨厚砾岩断裂诱发冲击的防治作用,根据跃进煤矿25采区的地质条件和采掘条件,将25110工作面下巷作为研究对象,从理论上分析了动静载叠加诱发冲击矿压的机制以及开采上保护层后的防冲原理,数值模拟研究了未开采上保护时和开采上保护层后在同等强度的动载扰动应力的影响下巷道底板的位移、速度、应力以及塑性区的变化规律,进行相似模拟试验研究了人工震源的作用下未开采上保护时和开采上保护层后巷道底板的加速度和动应力响应规律。结果表明,上保护层开采后能够有效地释放围岩内部的高应力,且采空区顶板自然垮落,形成的软弱松散岩层结构,能够更好地起到对动载扰动应力波的衰减作用,从而降低了冲击矿压发生的可能,一定程度上能够较好地防治冲击矿压。研究成果对巨厚砾岩下冲击矿压的防治具有一定指导意义。     

Rock burst assessment in multi-seam mining: a case study

To assess rock burst prone zones in the lower seam during multi-seam mining, a rock burst hazard assessment method for use in multi-seam mining was established. According to the observed geological evolution, the feasibility of using upper layer coal mining data to determine the rock burst risk zone of the lower coal seam is explained. Then, we established the energy density risk index (EDRI) and proved that the EDRI more accurately reflected the potential rock burst region than the multi-factor coupling analysis method. Finally, we established the rock burst hazard assessment method for use in multi-seam mining by using the EDRI of the upper coal to divide the rock burst risk zone in the lower coal. From the accuracy and validity analysis of this assessment method, we find that the critical energy induced rock burst, and the damage area of a rock burst in the lower coal seam were all located in the high-risk zone derived from this assessment method. To quantify the effectiveness and practicability of this assessment method, the structural similarity (SSIM) index, from image quality assessment research, was introduced. The SSIM index between predicted-high-risk map and actual high-risk map index was 0.8581, which shows that the established rock burst hazard assessment method in multi-seam mining can be used to predict rock burst risk zones in the lower seam.     

Pressure-Relief Mining of the Working Face Under the Coal Pillar in the Close Distance Coal Seams

Intensive strata behaviors are generated when the No. 8707 working face of the 8# coal seam in a coal mine is advanced by way of the pillars left over of the upper part of 7# close distance coal seam. The theoretical analysis, numerical simulation and filed measurement were utilized to obtain the rule of the stress change when the 8707 working face of the 8# coal seam passes the pillars left over of the 7# coal seam. Meanwhile, a pressure-relief mining (PRM) technology was put forward. According to the research results, when the 8707 working face in the 8# coal seam was advanced to the position that was 20 m in front of the pillar left over, the abutment pressure reached the maximum for 26 MPa and the stress concentration factor was 3.25, which was likely to give rise to the rock burst. With the advance of the working face, the abutment pressure was reduced slowly. As the 8707 working face advanced 15 m away the pillar left over, the transfixed shear failure region of 45° was found in the bedrocks of the upper and lower coal seams, which was readily to give rise to the shear rupture, leading to the rock burst. Based on the aforementioned research, this research carried out the PRM by applying the hydraulic fracturing technology on the coal roof and pillar, which can ensure the safety and efficient mining of working faces.     

淮南煤田朱集井田岩浆侵入特征研究

在对淮南煤田朱集井田钻孔资料分析的基础上,结合侵入岩化学成分测试、X-射线衍射分析以及薄片显微镜下鉴定等结果,得出研究区侵入岩主要以岩床的形式侵入煤系地层,岩性以闪长岩、花岗岩为主,岩床层数多为单层;受NWW—NW向断裂构造带控制,侵入岩体的分布范围呈现从西向东逐渐扩大,在垂向上,从上部煤层到下部煤层,受岩浆影响的程度有明显加大的态势。由于岩浆侵入煤层,严重破坏了煤层的结构和稳定性,同时,降低了煤的工业利用价值,加大了开采难度。     

煤层构造破碎度及其在水文地质中的应用

断块构造区域内煤层及其周围岩层在构造应力作用下的形变具有很好的协调性和密切的相关性。利用煤层构造破碎率，能预测底板隔水层的构造破坏程度。经过几年的现场试验研究，证明该方法简便，结果直观。     

地震勘探方法在赵官井田岩浆岩解释中的应用

赵官井田位于山东省的西北部,该区岩浆岩较发育,有三层岩浆岩呈岩床状侵入到煤系地层中。下层岩浆岩一般位于10煤以下,但在井田局部区域,也会上冲至10煤层,甚至达到7煤层,造成冲断条带两侧煤层底板形态发生剧烈变化,10煤或7煤直接吞蚀。依据赵官井田岩浆岩的发育规律及煤岩性特征,利用三维地震勘探方法查明了井田内三层岩浆岩的赋存状态,尤其对下层岩浆侵入形态以及对煤层的影响进行了解释,否定了以往地质资料中因岩浆侵入煤层而误解释为多条逆断层的存在。赵官庄井田三维地震勘探实例表明,岩浆岩冲断煤层在时间剖面上具有典型的响应特征,并指出下层岩浆岩的上冲的影响井田浅部煤层开采的一个重要地质因素。     

闽西南地区煤层形变影响因素分析

闽西南地区主要含煤地层为二叠系下统童子岩组,区内总体构造为新华夏构造体系龙岩山字型构造,在该体系下形成的褶皱、断层以及火成岩侵入是造成本区煤层形变的主要因素。褶皱主要以纵弯作用、横弯作用和不协调褶曲作用使煤层产生千姿百态的形变效应;断层的影响主要表现为断层无煤带和断层两侧煤厚变化带;火成岩侵入可造成横切无煤带和煤层局部变薄、吞蚀现象等。     

多煤层开采覆岩破断过程的模型试验与数值模拟

首先分析了研究区煤矿山西组煤层剖面和水文地质特征,针对多煤层联合开采的特点和覆岩的工程地质特征,采用工程地质力学模型实验、数值模拟计算相结合的综合研究方法,分析了多煤层开采的采动影响及岩层动态断裂机理,得出了有关岩层移动参数和多层煤同采时应力分布状态,计算得到了多煤层开采垮落带与导水裂隙带的发育高度分别为32m和81.5m,导水裂隙带高度影响范围已经达到风化带,未形成切冒,局部穿透粘土层。