煤矿巷道底板冲击矿压发生的原因及控制研究

巷道底板水平应力是导致底板冲击矿压发生的主要因素,根据巷道底板冲击矿压的特点,建立了底板冲击矿压发生条件与影响因素的力学模型,初步确定了底板冲击矿压危险性系数的表达式。当底板岩层泊松比一定时,底板冲击矿压危险性系数与巷道埋深、巷道宽度的平方、水平构造应力、巨厚坚硬老顶影响系数成正比,与弹性模量、巷道底板软弱层厚度的平方成反比。通过数值模拟,发现巷道开挖后底板煤层的水平应力升高和垂直应力降低的规律,底板应力极易达到煤层破坏极限,在支护不当和外界扰动下容易发生底板冲击矿压。最后确定了底板强度弱化减冲原理,在跃进煤矿25110工作面下巷采取底板爆破卸压措施后取得了良好效果。研究成果为解决类似条件底板冲击矿压防治问题提供了理论依据和借鉴。     

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。     

基于煤层巷道开挖卸荷效应的底板冲击孕育过程研究

采用相似模拟和数值模拟研究了河南义马煤田跃进矿采掘影响下巷道底板的应力及变形规律,揭示底板冲击矿压发生前的孕育过程。研究表明,巷道底板冲击受煤层埋深、顶板条件、巷道施工布置方式等多因素影响。在巨厚坚硬上覆砾岩影响下,工作面开采增加了相邻工作面的应力水平。在厚煤层中巷道沿顶板布置留底煤,巷道开挖后,一定范围的煤层底板中的水平应力升高,垂直应力降低,增加了煤层失稳破坏的可能性。巷道开挖卸荷过程中,底板由于没有支护,垂直位移增加,底板的塑性区范围大于两帮,并产生了明显的拉伸破坏,容易使底板成为冲击破坏突破口。      

吉林临江市永安煤矿煤层冲击倾向性数值模拟

临江市永安煤矿地质构造复杂,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。为防治其冲击地压的发生,对其煤层进行了冲击倾向性数值模拟研究,分析了煤层在自重应力场和构造应力场下水平应力、垂直应力大小及分布规律,得出结论:(1)应力集中区出现在地质构造复杂地带,凡遇褶皱和煤层尖灭处,且强度相对较大,即冲击倾向性相对较强。(2)水平应力最大值接近自重应力,垂直应力最大值约为自重应力的1.8倍。水平应力最大值与垂直应力最大值均出现在煤层尖灭处。(3)数值模拟得出结果和实际开采吻合较好,开采时注意防范,确保矿井安全开采。     

长壁孤岛工作面冲击失稳能量场演化规律

煤矿冲击地压一直是困扰中国煤矿安全的主要问题,而煤矿开采过程中跳采形成的孤岛工作面由于容易产生应力集中,来压强度提高,极容易发生冲击地压。基于唐山矿T2193下孤岛工作面的地质条件,从数值分析的角度研究了煤岩体材料的非均匀性,揭示了孤岛工作面顶板周期来压时煤岩体能量释放的动态特征,分析了工作面前方能量释放激增机制。数值模拟结果显示,长壁工作面回采过程中直接顶的不断垮落造成了老顶悬空距离的不断增大,工作面周期来压时,积聚于老顶岩层内的弹性应变能将瞬间释放,容易引发工作面及巷道的冲击失稳。孤岛工作面由于其特有的矿压显现特征,老顶周期破断时所释放的弹性应变能将更加剧烈,冲击地压势必愈加强烈。孤岛工作面顶底板和煤层的能量释放激增可以作为判断煤岩体冲击失稳的前兆信息。孤岛工作面前方发生冲击破坏的主要原因是由于工作面回采过程中围岩所积聚的大量弹性能在顶板断裂时所伴随的巨大能量释放而造成的。     

深部采掘扰动区线性切顶防冲护巷技术

采掘扰动是诱发冲击地压灾害的重要因素,深部采掘扰动区域则受冲击与巷道变形的双重威胁,针对该技术难题,本文研究了线性密集切顶防冲护巷技术。基于关键层理论分析了倾斜煤层关键层倾向破断结构特点,表明关键块B的空间状态是控制正在开采的工作面与迎采巷道矿压显现的关键,给出了采掘扰动工况下的最佳关键块断裂线位置。基于COMSOL模拟研究了不同装药直径下的应力峰值分布规律,结果表明:爆破后应力以指数函数形式快速衰减,给出了不同装药直径下应力峰值分布的拟合公式;致裂半径与装药直径呈幂函数的正相关关系;以顶板岩石抗拉强度为指标值,确定了爆破孔直径对应的最优间距。现场设计实施了不同技术参数的切顶方案,结果表明,相比于传统的深孔爆破,线性密集切顶两钻孔之间能够形成贯通裂隙,从而控制关键层的破断方式,因此钻孔间距是影响防冲与护巷效果的关键参数。通过巷道围岩观测与微震监测,表明线性密集切顶技术能够有效减弱迎采巷道的围岩变形,同时降低正在开采的工作面矿压显现与冲击危险性,现场实践验证了理论与模拟结果,可为类似条件工程提供借鉴。     

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。     

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。     

开采上保护层对巨厚砾岩诱发冲击矿压的减冲机制分析EI北大核心CSCD

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。     

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。     

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。     

深部厚顶煤巷道围岩变形破坏机制模型试验研究

为研究深部厚顶煤巷道围岩变形破坏特性及其机制,以赵楼煤矿千米深井厚顶煤巷道为工程背景,开展了大比尺地质力学模型试验,对让压型锚索箱梁支护系统作用下的巷道围岩位移、应力演化规律进行的研究表明：巷道顶底板围岩竖向应力释放较两帮剧烈,水平应力释放反之,巷道顶板中部围岩是顶板竖向应力释放的主要部位。通过与现场试验结果对比验证,总结出深部厚顶煤巷道围岩变形破坏的3个主要特征：顶板变形破坏较两帮和底板严重、顶板围岩变形破坏主要发生在煤岩交界面以下的煤体中、巷中是顶板变形破坏的关键部位,并进一步分析了相应机制：顶板煤岩松软破碎、自承能力差、顶板及其巷中竖向应力释放相对更为剧烈、矩形巷道顶板受力状态差等因素,导致顶煤所受径向应力低,碎胀变形剧烈,且弯曲变形、离层严重,顶板受力结构恶化,最终导致顶板控制困难。     

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。     

回采工作面围岩采动应变场-渗透系数场耦合

采动岩体变形与渗透特性是工作面突水防治研究的基本问题。采用理论分析和数值模拟计算方法,分析了岩石变形-渗透特征及其三维定量关系,研究了煤炭开采中回采工作面围岩应变场、渗透系数场分布及其控制因素。研究结果表明,采动岩体渗透性变化主要取决于应变状态及应变增量,且随着垂直于裂隙的张应变的增加而增加;工作面后方垮落带和煤壁边缘的剪碎带产生剧烈的采动拉伸变形,渗透系数较采前显著增大,而支承压力区和整体移动带岩层产生较大的采动压缩变形,渗透系数较采前明显减小;工作面围岩垂向渗透系数较水平渗透系数增加的幅度及增加区的范围小,但对水体下采煤工作面涌水起主导作用。加快工作面推进速度、减小工作面斜长和采高能降低采场围岩渗透系数增加幅度,并将渗透系数场变化范围局限在采区附近,能有效减小采动对原始煤岩层渗透性的影响。      

淮南矿区地应力条件及其对煤层顶底板稳定性的影响

通过现场地应力测量和理论分析以及数值模拟计算,研究了淮南矿区地应力分布规律,探讨了圆形硐室围岩应力分布和不同侧压下回采工作面顶板稳定性分布。研究结果表明:淮南矿区原岩应力主要表现为自重应力场,除局部构造应力集中外,不存在高构造应力;区内侧压力系数λ值一般为0.49~1.49,平均为0.92,并且与测点距地表深度有一定的趋向性,表现为在浅部λ值较大,变化范围也大,而在深部λ值渐小,变化范围也缩小;回采工作面顶底板稳定性与侧压系数λ的大小密切相关,且随侧压系数λ的增大,顶板垂直位移减小,顶板岩层易于形成结构平衡而保持稳定,但底板垂直位移量增大,且易于形成底鼓破坏。这些认识为研究区煤层顶底板岩层支护控制提供了科学依据。      

弹脆性圆形煤巷应力跃升及冲击地压预测模型

为预测煤巷冲击地压灾害,将强冲击倾向煤视作理想弹脆性材料,建立圆形煤巷力学模型,分析煤巷围岩的应力和变形能密度分布特征,进而建立煤巷冲击地压预测模型,利用该模型预测冲击地压灾害风险。研究结果表明：弹脆性煤巷围岩的切向应力和变形能密度在弹性区与破坏区界面处发生跃升;煤体强度损伤度和地应力增大,煤巷破坏区半径增大,煤巷围岩切向应力和变形能密度跃升高度增大;切向应力跃升为煤巷失稳破坏提供了力源,变形能密度跃升为冲击地压发生提供了能量源;切向应力和变形能密度跃升高度越大,煤巷越容易失稳和冲击;基于切向应力和变形能密度跃升,建立了煤巷冲击地压解析预测模型,预测结果与现场冲击地压实际情况一致,从而为脆性煤巷冲击地压预测提供了一种新的方法。     

基于FLAC3D和DEM数据的缓倾斜煤层开采沉陷分析

宁夏石嘴山矿区位于西部黄河流域,其煤矿采空区沉陷导致地表生态和环境问题频发,对其采煤沉陷分析将对西部黄河流域煤矿区的环境修复有一定的积极作用。为研究缓倾斜煤层采空区围岩应力与位移场演化特征,以宁夏石嘴山矿区为对象,基于FLAC3D数值模拟软件,建立缓斜煤层开采三维数值模型,计算分析采空区围岩应力、塑性区及位移变化规律,并基于两时相DEM叠加统计分析地表位移变化,与数值模拟结果进行相互验证。结果表明:地下开采引起应力重分布,采空区顶板及煤柱出现明显的应力集中现象,最大主应力呈现从煤层顶板向地表递减的变化趋势;越靠近采空区顶部的岩层垂直位移越大,随着远离采空区逐渐减少,开采完成后地表垂直位移最大值约12 m;随着采空区面积的不断增大,采空区四周及角隅处塑性区逐步延伸扩大,且以剪切破坏为主;地面沉陷盆地不对称,2个沉降中心均发生在沉陷盆地中部且偏下山方向,下山方向比上山方向影响范围更大;数值模拟计算的沉降量与两时相DEM叠加统计分析的变化量结果及趋势基本一致,研究成果可为煤炭安全开采提供参考依据,为地表沉降监测提供新方法。      

孤岛顶煤综放采场冲击矿压形成机制及控制技术

应用覆岩空间结构学术观点对孤岛顶煤综放采场冲击矿压机制及其控制技术进行研究。根据覆岩关键层的岩性、层位、范围等因素,覆岩关键层空间结构分为覆岩空间大结构和基本顶有限矿压结构。孤岛顶煤采场冲击矿压发生机制：①孤岛顶煤综放采场 ? 型空间大结构形成过程是集中压力逐渐增加的过程,是该时间段发生冲击矿压的力源;②采场基本顶形成最下位 ? 型空间结构后,随着工作面推进,基本顶块体产生滑落失稳,造成工作面冲击矿压现象。通过对分段来压理论、基本顶结构失稳理论和坚硬顶板预断裂理论对覆岩关键层空间结构运动的控制作用研究,提出采用覆岩空间结构理论分析、分阶段降低放煤率、坚硬覆岩预爆泄压技术、覆岩坚硬岩层破裂的微地震监测技术等方式方法预防冲击矿压的发生。     

坚硬顶板孤岛工作面冲击地压机理及前兆判别

以忻州窑矿8939工作面为工程背景,运用弹性板理论分析坚硬顶板破断期间释放的弹性能量值,并利用FLAC3D数值模拟划分工作面回采期间的高应力区域,同时根据分形理论分析微震事件的时间分布、空间分布与冲击地压的内部关联。研究结果表明:坚硬顶板断裂前,悬露顶板由于旋转下沉不断对工作面前方煤体缓慢加载,由于过程缓慢,应力与能量不断向煤岩体深部转移,不易发生冲击地压。当顶板断裂时,会瞬间释放大量的弯曲应变能,对工作面周围煤体产生强大的脉冲作用,若脉冲能量超过冲击地压的临界值,则发生冲击地压的可能性较大。且冲击地压发生之前,煤岩体处于非稳定状态,会与外界积极交换能量,此时微震事件处于活跃期,当微震能量超过一定数值或微震事件的分维值低于某临界值时,易发生冲击地压。      

断裂结构面对回采工作面矿压及顶板稳定性的影响

通过对现场观测和数值模拟分析,系统研究了断裂结构面对回采工作面矿压分布和顶板稳定性的影响。研究结果表明,回采工作面顶板断裂结构面有3种典型组合类型,即“正三角形”结构、“川字形”结构和“倒三角形”结构。在工作面开采过程中,“正三角形”结构顶板稳定性差;“倒三角形”结构顶板稳定性好;而“川字形”结构顶板能形成结构平衡且稳定。由于断层使介质不连续,导致初始应力场挠动,局部产生附加应力,在断层带附近形成低压力区和高应力集中区带,比较明显的影响范围距断层面大约10~30 m。当工作面推进到高应力集中区带时,工作面前方煤(岩)体中支承压力明显增大,支承压力峰值位置向前方煤岩体中转移,易于发生冒顶事故和其他矿井动力地质现象;当工作面推进到低应力区带时,压力峰值降低,顶板稳定性差。