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。      

唐山矿区构造应力场特征及其对冲击地压的影响

河北唐山矿冲击地压的发生除了受开采技术条件、煤层顶底板岩石学特征等因素影响外,主要受赋存环境的影响,其中地应力条件是一个重要的影响因素。以唐山矿构造应力分布规律为背景,对不同水平构造应力条件下回采工作面煤层及其顶底板围岩的三维场进行了数值分析,系统研究了构造应力对煤层及其顶底板围岩的冲击地压的影响。结果表明,在煤矿开采过程中,高水平构造应力对采区煤层及其顶底板围岩的应力场和能量场的分布规律具有重要影响。高构造应力条件下,煤层及其顶底板围岩中的高水平应力为冲击地压的发生提供了力源条件,而在高地应力环境下所积聚的大量弹性应变能为冲击地压的发生提供了能量条件。      

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。     

开滦矿区地应力场特征及其研究意义

地应力是影响矿井突水的重要因素之一,是存在于地壳中的重要能量场条件。采用现场应力解除法对开滦矿区多个矿井进行了地应力测试,分析了研究区现今地应力分布规律,在此基础上,建立了煤层底板突水危险性与岩石力学性质及地应力之间的相关关系和模型,对范各庄矿12煤层底板和东欢坨矿12-2煤层底板突水危险性进行了评价。研究结果表明,本区地壳浅部现代地应力作用较强,整体处于近东西向挤压应力场中,在挤压应力作用下,煤岩层应力状态主要表现为水平主应力大于垂直主应力,原岩应力主要由构造应力和自重应力场构成。煤层底板突水危险性受岩石力学条件和地应力所控制,当岩石破裂压力大于水压（Pf〉Pw）,则不产生突水;若岩石破裂压力小于水压时,则有可能突水。当承压水的水压（Pw）小于最小水平主应力（σhmin）时,不会产生突水。只有当承压水的水压（Pw）大于最小水平主应力（σhmin）时,存在突水危险性。范各庄矿12煤层底板和东欢坨矿12-2煤层底板破裂压力（Pf）和最小主应力（σhmin）均大于其底板岩体承受的水压（Pw）,本区在无构造破坏卸压条件下是不会发生底板突水的。     

煤层孤岛工作面冲击矿压的防治实践

木城涧矿450水平西四采区三槽东一壁工作面发生的几起冲击矿压事故,与其工作面开采深度、所处地质构造部位、呈孤岛开采状态有关.工作面煤样和顶板冲击倾向性测试结果表明,该煤层属于高冲击倾向性煤层,具有发生冲击矿压的能力.根据产生冲击矿压的原因和特点,采用电磁幅射进行冲击矿压预测预报、爆破卸压进行治理的措施,通过了冲击矿压危险区.     

应力波作用下巷道层裂破坏的数值模拟研究

采用LS-DYNA软件,对扰动应力波作用下巷帮围岩层裂破坏结构的形成过程、扰动应力波强度pmax对层裂结构形成的影响进行了有效的数值模拟,得到了一定巷道围岩应力状态下巷帮围岩层裂结构的形状、厚度等特征。结果表明：扰动应力波是形成巷帮层裂结构,继而诱发冲击矿压的重要因素;扰动应力波的强度决定了是否形成巷帮层裂结构及其层裂结构的范围大小。研究结果对揭示煤矿冲击矿压的诱发机理,及采取有效地防治技术具有重要意义     

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。     

基于组合赋权的加权秩和比法的底板突水危险性评价

煤层深部开采使得煤矿底板水害事故频发,传统突水危险性评价方法评价指标单一、评价结果偏离实际的弊端逐渐显露,造成众多新型评价方法涌现。以河北省华北型煤田东欢坨矿为研究对象,选取含水层性能、隔水层性能、地质条件、煤层条件的评价因素集,综合考虑10个评价因素,建立适用于东欢坨矿的底板突水危险性评价指标体系;利用层次分析法确定各指标主观权重,利用CRITIC法确定各指标客观权重,将2者耦合得到综合权重,兼顾专家主观经验与数据客观信息,保证权重确定的全面性;引入加权秩和比法,构建评价矩阵,依据指标对评价对象所产生的优劣性影响将其分为高优型指标和低优型指标,编秩计算WRSR值,对数据进行分档排序,确定安全、较安全、较危险、危险4个评价等级区间,形成评价模型;利用GIS强大的空间管理及信息处理功能,完成结果的信息展示;将评价结果与实际工程出水位置相比较,发现突水位置都在底板突水较危险区域,并与传统评价方法突水系数法相对比,证明评价模型有效。研究成果形成了煤层底板突水危险性评价新方法,丰富煤层底板突水危险性评价方法的种类,为煤矿防治水工作者提供新思路。      

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。     

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。     

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。      

冲击矿压巷道围岩控制的强弱强力学模型及其应用分析

根据巷道冲击震动破坏的原因和机理,建立了冲击矿压巷道围岩稳定性控制的强弱强（3S）结构力学模型,分析了该力学模型防冲抗震机理,在结构自身强度、应力转移和吸收、变形及能量耗散等方面分别表现出不同的3S特征,并推导得到了巷道支护体内强小结构发生冲击震动破坏的应力判据和能量准则。最后,对该模型在工程中的应用做了理论分析,提出要通过减小外界震源载荷、合理设置弱结构、提高支护强度等措施来防范巷道冲击矿压动力灾害。     

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。     

煤柱下底板偏应力区域特征及案例

选取某煤矿近距离煤层为工程背景,采用FLAC3D模拟了8#煤层残余煤柱底板偏应力场分布特征。结果表明：（1）底板的偏应力呈扩散状向底板传递,距离煤柱越远扩散范围越广,煤柱边缘偏应力呈45°向底板传播;（2）煤柱较窄时,中线和边缘处偏应力影响深度浅,随煤柱宽度增加,底板偏应力变化和影响深度较大,当煤柱宽度足够大时,影响深度又变浅,中部趋于原岩应力;（3）同一水平面上,偏应力呈马鞍状分布,随煤柱宽度增加,煤柱中线处和边缘处偏应力经历了先增大后减小的过程,煤柱边缘处偏应力峰值位置变化不大;（4）同一煤柱宽度,煤柱边缘偏应力峰值向深部递减且趋势减慢,同时,峰值远离煤柱且趋势加快。在自由边界受均布载荷、底板垂直应力、水平应力、切应力解析解的基础上,推导了底板偏应力解析公式,解析与模拟结果基本吻合。具体到该工程的地质条件,9205轨道巷距离煤柱边缘20 m、9205回风巷在煤柱边缘、9205运输巷在煤柱中线处,9205轨道巷维护效果最好,证明了内错式巷道且距离煤柱足够远时,偏应力较小,宏观应力环境更适合巷道围岩自稳。     

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。     

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。      

巷道支护的自稳平衡圈理论

基于软岩巷道围岩变形破坏的自稳平衡现象,通过数值模拟揭示了巷道顶板、两帮和底板之间的相互影响关系,得出了巷道围岩不稳定区是以巷道为中心的椭圆形。基于普氏理论,考虑“底板-两帮-顶板”相互影响,提出了巷道围岩自稳平衡圈理论,给出了自稳平衡圈的椭圆曲线方程,明确了巷道支护对象为自稳平衡圈内的岩体,支护的目的是控制自稳平衡圈岩体的稳定性。研究表明,“底板-两帮-顶板”共同构成巷道稳定性的整体系统,巷道顶板自稳平衡拱的大小随着两帮塑性区的增大而增大,两帮塑性区随底板变形而增大。加强底板和两帮的支护,将大大缩小顶板自稳平衡拱的高度。提出了“治顶先治帮,治帮先治底”的巷道支护理念,得到多年实践验证,为软岩巷道支护控制提供了新的依据。