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.     

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。     

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FLAC^3D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。     

孤岛综放面冲击地压前兆信息识别及多参数预警研究

孤岛综放工作面强烈的动压显现使得其发生冲击地压的可能性大大增加,通过运用微地震和电磁辐射综合监测手段分析孤岛综放工作面两次强动压显现事件,获得了工作面煤体发生冲击地压前后能量积聚与释放规律及相应微震和电磁辐射监测数据变化规律,认为工作面煤体发生冲击地压前一般存在一个短暂的能量积聚期,在能量积聚期内微震系统监测到的微震事件的次数和总能量均较少,同时能量积聚期内煤体电磁辐射强度值和脉冲数均持续升高。将工作面微震事件的沉默期以及煤体电磁辐射强度值、脉冲数的持续升高期作为冲击地压的综合前兆信息,并将其转换为量化的预警参数和指标,建立了工作面冲击地压多参数预警方法。现场实践表明,危险识别与灾害预警效果良好。     

孤岛工作面应力分布规律的数值分析

为得出孤岛工作面推进过程中应力分布规律,采用有限差分法分析软件FLAC-3D进行模拟分析。得出了孤岛工作面的上下两区段煤柱分别承受着孤岛工作面上覆岩层的重量,处于高应力集中状态;随孤岛工作面向前推进,在工作面前方形成了应力降低区、应力升高区、原岩应力区;随孤岛工作面向前推进,煤岩应力集中系数不断增大。该研究为制定防冲、防突等措施提供参数数据,对于指导现场生产具有重要的应用价值。     

矿井冲击危险电磁辐射连续监测及预测研究

煤岩电磁辐射监测技术可以预测、预报矿井冲击地压和煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害。利用中国矿业大学自行研制和开发的KBD7煤岩电磁辐射连续监测系统及数据处理软件,在鹤岗矿业集团南山、峻德等有冲击危险的矿井成功地连续监测了煤矿煤岩电磁辐射。根据监测现场的实际情况,结合监测数据,分析了有冲击危险监测区域的电磁辐射连续监测规律,并提取了其中蕴含的冲击危险前兆信息,用于冲击地压的监测、预报。     

开采孤岛煤柱的冲击危险性区预测

为了确保"孤岛"煤柱资源回采过程中的安全生产,预测其冲击危险性,通过Flac3D实现对矿井4、6煤层采空区和煤柱支承应力分布与塑性变形区域分布模拟,详细分析了两煤层中的7个应力集中点在走向、倾向上的应力分布和塑性变形区域分布,并按照分析结果,在4煤层划分了5个高危冲击危险区,在6煤层划分了2个高危冲击危险区。该研究为制定防冲、防突等措施提供参数数据,对于指导现场生产具有重要的应用价值。     

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。     

深井孤岛工作面巷道围岩采动应力分区演化特征

针对深井孤岛工作面煤巷大变形问题,采用现场实测手段研究了回采过程中巷道和采空区应力动态演化规律以及巷道围岩变形破坏演化特征。研究结果表明:深井孤岛工作面巷道围岩应力演化与变形破坏具有显著的阶段性特征,工作面前方大于250 m范围,巷道围岩未受采动影响,围岩应力变化较小且变形主要集中在底板与煤柱肩窝;工作面前方100～250 m支护结构受力增大,巷道浅部围岩破碎,顶底板移近及煤柱内挤变形突出,巷道出现明显的非对称变形破坏;工作面前方100m为强烈采动影响阶段,尤其是在工作面前方20～22m围岩垂直应力与空间主应力变化比较剧烈,顶底板移近与两帮内挤变形更加突出,巷道围岩表现出明显的大变形破坏特征。根据采空区应力分区特征分析了顶板覆岩结构的动态演化过程。结合应力与变形破坏演化特征,提出了巷道支护对策,以期为深井巷道围岩控制提供一定指导。     

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。     

冲击地压预测的煤岩变形局部化方法

针对煤矿冲击地压引起的采掘安全问题,以山西晋中左权五里堠煤矿3号煤层开采地质条件为工程背景,提出一种基于钢锥冲击煤层的卸压方法。根据通电线圈间产生电磁互感斥力原理,获得磁力驱动绕线钢锥撞击煤层的冲击力函数式,并结合弹性力学理论,分析冲击力作用下煤体应力场分布特征、裂隙类型、破裂范围及程度。结果表明：(1) 冲击力与交流电电压及线圈级数呈正相关关系,与交流电频率及每米线圈匝数呈负相关关系。其中,电压是调控冲击力的最主要因素,综合考虑认为电压取660 V为宜。(2) 计算显示钢锥长度与直径仅需1 cm和1.28 cm,与之匹配的2级加速线圈总长为2 cm,可实现冲击装置的微型化,便于在钻孔内灵活布置。(3) 冲击力使钻孔横截面围岩出现集中系数为4.0~16.7的叶状极高应力区,其延伸长度为5倍钻孔半径,区内发育张拉裂隙;叶状区之外为集中系数1.7~3.3的高应力区,发育压剪裂隙,其范围可达50倍钻孔半径,据此得到卸压钻孔间距为2.5 m。(4) 按卸压段长度,每孔内设置2个间距2 m的冲击装置,冲击力使钻孔纵截面围岩呈现针状极高应力区,相邻针状区间分布椭圆形压剪裂隙区,两者一起贯通2 m厚煤层,实现有效破煤卸压。研究成果为探索基于磁力钢锥冲击的煤层卸压技术奠定初步理论基础。

     

玲珑金矿深部应力分析及岩爆防治措施研究

通过对玲珑金矿深部岩石的循环加卸载试验、单轴和三轴刚性试验以及三维数值模拟计算,从整体上揭示了玲珑金矿岩石内聚集较高弹性应变能和深部岩体中分布较大弹性能的现象,并且这些弹性能释放具有很高的冲击特性。结合多种理论判断岩爆准则,得出玲珑金矿深部开采具有潜在的强岩爆可能性,并且岩爆总体上讲是可以预测的。同时,根据现场实际施工情况,提出了相应地防止岩爆发生的对策和安全措施。     

Analysis of rock structure stability in coal mines

In this paper, the theory of limit point instability is used to analyse the stability of rock structures in coal mines. A general method of analysing stability of rock structures is put forward and a uniform instability condition of rock structures is set up. Some instability phenomena, such as rock bursts in circular roadways, pillars and long walls, and the outburst of coal and gas from circular roadways, are discussed analytically. At a later stage, the critical point of rock structure instability is determined. The influence of relative parameters (such as the mechanical properties of rock, coal, and the geometric sizes) on the stability of the rock structures is carefully analysed. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.     

近直立特厚煤层深孔爆破防治冲击地压效果检测

为了对近直立特厚煤层冲击地压进行防治,采用地面岩柱深孔爆破方法对煤层间岩柱进行预裂爆破,并采用地面EH-4探测法和井下瞬变电磁探测法对爆破前后岩柱体的物理力学结构进行探测,对卸压效果进行分析。EH-4探测表明,深孔爆破后岩柱结构破坏明显,在+550~+650 m水平范围时,岩柱体的电阻率等值线由近直立向近水平发育,视电阻率值主要集中在150~250 Ω·m,明显高于未爆破区域;井下瞬变电磁探测表明,深孔爆破后岩柱裂隙增大,探测区域前方20~90 m,视电阻率值从爆破前的25~86 Ω·m增加到爆破后的84~216 Ω·m,出现高阻异常区域。深孔爆破后岩柱破碎效果较好,岩柱体内积聚的弹性能得到释放,卸压效果明显,有效降低了冲击地压发生的危险性。     

含预制单裂隙花岗岩的真三轴单面临空岩爆试验研究

通过开展含预制单裂隙花岗岩的真三轴单面临空岩爆试验,并利用高速摄像系统和声发射（acoustic emission,简称AE）系统监测岩爆过程,探究了不同产状裂隙岩石的破坏模式、强度变形和声发射演化特性,分析了裂隙产状与岩爆过程及弹射动能之间的关系,对比了含裂隙岩石岩爆发生机制与无裂隙完整岩石的差异。有关力学特性的分析表明,随着裂隙倾角的减小,岩样破坏模式大体呈现由“内剪外劈”向“Z型斜剪”变化的趋势,裂隙对岩石强度的削弱作用不断增大。当裂隙倾角小于30°时,岩石峰值应力普遍仅为完整岩样的一半左右;小倾角裂隙的长度越大,岩样岩板劈裂现象变得显著,形成岩爆坑略微变大,且强度折减幅度越大,峰值轴向应变相应变小;裂隙位置向临空面靠近会加剧岩板的劈裂效应,塑性阶段普遍会产生较大变形并萌生大量裂纹,当裂隙已出露且切断临空面将不易形成岩爆坑。有关岩爆过程及弹射动能的分析表明,随着裂隙倾角的减小,岩样弹射动能呈现先显著降低后小幅回升的变化规律,30°倾角为转变拐点;岩样内部裂隙距临空面越近,裂隙岩样的弹射动能越小;树脂填充裂隙使得岩样弹射动能极大提升,而水泥填充的则无明显提升。有关声发射特征的分析表...     

纳林河二号煤矿涌水水源判别的PCA-Logistic方法

纳林河二号煤矿作为纳林河矿区的第一对大型矿井,生产初期由于其自身复杂的水文地质条件和采掘的强扰动,导致涌水事件时有发生,给矿井的安全生产造成严重威胁,快速有效地找到涌水水源是防治矿井水害的关键。通过对纳林河二号煤矿主要含水层及采空区水样进行水质分析并绘制Piper三线图,揭示矿区各含水层地下水及采空区水的水化学特征,统计Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺+K⁺、HCO₃^-、Cl^-、SO₄^2-、pH和矿化度8个指标作为水源判别的原始数据,经主成分分析法（PCA）处理得到4个主成分F₁、F₂、F₃和F₄;将4个主成分的值作为Logistic回归模型的判别指标,建立纳林河矿区涌水水源判别模型;以36组标准水样作为训练样本,发现模型回代准确率为97.22%,再利用建立的模型对4组待判水样进行判别,结果与实际分析相符。研究结果表明：主成分分析和无序多分类Logistic回归方法相结合的涌水水源判别模型能够有效消除样本原始数据间的冗余信息,使涌水水源判别结果更加快速准确,可为矿井防治水工作提供决策和依据。移动阅读     

莆炎高速公路文笔山2~#隧道岩爆综合预测研究

岩爆预测一直是地下工程世界性难题之一。以莆炎高速公路文笔山2#隧道岩爆预测为例,从研究区围岩的岩体特征和初始应力场着手,通过室内岩石力学试验和现场波速测试,获得隧道围岩的物理力学特性和完整性;采用水压致裂法实测研究区地应力的大小和方向,通过线性回归函数拟合分析了隧道洞身初始应力场分布规律,采用Kirsh概化模型计算分析了开挖后围岩重分布应力场分布规律。在此基础上结合国内外岩爆判别准则对文笔山2#隧道岩爆发生段落、部位和岩爆等级进行综合预测分析,为施工开挖和支护方案的制定提供依据。