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。     

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。     

特厚煤层大采高综放工作面煤壁片帮机制分析

针对特厚煤层大采高工作面,将超前支承压力作用的煤体分为破裂区、塑性区和弹性区。考虑支架护帮阻力等因素,建立了支承压力作用的煤体变形破坏及煤壁片帮分析力学模型。通过摩尔-库仑准则和非关联弹塑性分析,推导出了煤壁水平位移量及破裂区和塑性区半径解析表达式,分析了影响煤壁片帮的主要因素。理论结果与现场实测结果误差仅为15.6%,验证了模型的正确性。研究表明,随支承压力集中系数的增大、机采高度的增加以及支架护帮阻力的减小,煤壁水平位移量明显增大,煤壁片帮程度严重。工程实践表明,提高支架工作阻力,减缓煤壁处压力,控制合理采高以及增大支架护帮阻力,可有效缓解大采高综放工作面煤壁片帮程度。     

C型采场支承压力分布特征的数值模拟研究

冲击地压的发生与支承压力的分布有重要关系。为研究C型采场支承压力的动态变化规律,采用FLAC3D软件对孤岛工作面推进过程中煤体垂直应力场进行了数值模拟。通过对工作面推进过程中煤体支承压力的平面分布特征、走向支承压力和倾斜支承压力的动态演化特征进行分析,得到以下结论：① 煤体中垂直应力分布呈“C”形;② 孤岛工作面超前支承压力影响距离为正常工作面的3～5倍;③ 双工作面“见方”时,支承压力峰值达到最大值。工程实例验证了结论的可靠性,其结果可为现场冲击地压预测和防治提供依据。     

加载速率影响的煤体破裂过程声-电荷试验研究

为建立加载速率影响下煤体不同失稳形式的声发射-电荷判据,以阜新五龙矿某工作面为研究对象,采用物理试验研究方法,开展了不同加载速率下煤体破裂过程声-电荷监测试验,深入研究了加载速率影响的煤体力学性质、破裂规律和煤体破裂过程能量耗散与声发射-电荷信号的对应关系。研究结果表明:加载速率越高,应力调整越提前,煤样单轴抗压强度增加,累积变形能耗散加剧,煤体失稳形式由静载失稳过渡到类动载扰动失稳,煤体失稳破坏的动力特征明显,压缩型冲击地压动力灾害发生几率增大;不同加载速率下煤岩破裂过程产生的声-电荷信号变化与煤岩受载的应力突变具有较好的一致性;对所用煤样的声发射-电荷信号进行量化分析,初步提出了判定煤体失稳形式的声-电荷复合判定依据,在不同矿区、不同工作面上,可依据监测获得的声-电荷现场数据辅以采动应力场的变化情况,对采动过速诱发的煤体压缩型冲击地压的发生几率进行预测和预警。     

基于冲能吸能平衡效应的冲击地压巷道分级支护研究

冲击地压是煤炭开采过程中发生的一种动力灾害,主要是由积聚在煤岩中的弹性变形能突然急剧释放造成的,约90%发生在巷道中。巷道冲击破坏不仅与冲击能量直接相关,还与冲击距离远近紧密相关,提出能距比的概念,即冲击震源释放能量与其至巷道距离的比值。根据冲击地压动静载叠加机制和冲能吸能平衡理论,综合考虑冲击震源能距比量级、巷道破坏程度、支护构件吸能、弱结构吸能等特性,建立了巷道围岩冲击矿震稳定性控制模型,分析了冲能、吸能的构成和计算过程,搭建了冲击地压能级与巷道支护强度之间的对应关系,确定了“四高锚网+”为主导技术的煤矿巷道防冲抗震支护体系。根据能距比量级大小,将冲击地压巷道支护安全可靠性分为P1～P4级别,分级对应采取不同支护强度的“四高锚网+”组合支护技术。“四高”锚网支护可对应能距比为10²量级的无冲击巷道,“四高锚网+1”(O型钢棚、吸能防冲单元架、围岩弱结构)对应能距比为10³量级的冲击地压,“四高锚网+2”对应能距比为10⁴量级的冲击地压,“四高锚网+3”对应能距比为10⁵量级的冲击地压,10     

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。     

基于能量理论的煤岩体破坏电磁辐射规律研究

为了给电磁辐射预测矿井冲击地压灾害提供理论依据,采用电磁波和损伤力学理论初步分析了电磁辐射能和加载机械能的关系;采用试验和能量理论研究了单轴压缩条件下煤体变形破坏产生电磁辐射能与受载煤体能量积聚、耗散的耦合关系。研究结果表明：加载机械能与煤体变形破坏产生的电磁辐射能成系数为m正线性关系,m与煤体的弹性模量成0.107 4的比例关系;受载煤体峰值弹性应变能与电磁辐射能成正对数关系,煤体的弹性能指数与峰值累积电磁辐射能、总累积电磁辐射能均成正线性关系,电磁辐射信号反映了能量聚集和耗散的状态,表征了煤体冲击破坏的难易程度。因此,电磁辐射能够预测矿井冲击地压灾害的发生。     

煤层冲击地压的层裂模型

提出了描述煤层冲击地压的一维模型。该模型把煤体破坏分为两个阶段－层裂和和失稳，并用支承压力分布特征描述煤体的失稳破坏。该模型还描述了重力场条件下的煤层失稳机制。     

东滩煤矿三采区冲击危险区域评价

对东滩煤矿三采区地应力进行了现场测试及非线性有限元计算，分析了地应力对冲击地压的影响。通过煤体强度实验建立了其强度准则，并结合工程实际建立了能量判据。在此基础上对该矿3号煤层冲击地压的区域危险性进行了评价。     

Research on the Energy Criterion for Rockbursts Induced by Broken Hard and Thick Rock Strata and Its Application

In this study, the occurrence conditions of rockbursts induced by broken hard and thick rock strata (HTRS) in fully mechanized longwall face are investigated by dividing the surrounding rock of a roadway rib into three zones: burst-resistance zone (BRZ), burst-inoculation zone, and stable zone. On this basis, the process of impact vibration energy (released by the broken HTRS) transformation in these zones was analyzed, and theoretical equations are presented to calculate the strain energy, dissipated energy and shock vibration energy. In addition, an energy criterion associated with the critical broken length of the HTRS, the width of burst-resistance zone, and the burst proneness index was proposed to predict rockbursts induced by broken HTRS in fully mechanized longwall face. Moreover, to control these types of rockbursts effectively, a quantitative method was proposed for determining the limit broken length of the HTRS and the BRZ. The research results show that the energy criterion may forecast these typical rockbursts, and rockburst hazards can be eliminated using the proposed method.     

煤层定点水力压裂防冲的机制研究

为实现在掘进或回采前对冲击危险煤层的一次性卸压,达到区域防冲的目的,提出了煤层定点水力压裂技术。为了从理论上说明煤层定点水力压裂技术防治冲击地压的可行性和有效性,首先,通过建立煤层压裂力学模型,从定性和定量两方面分析煤层定点水力压裂防冲的机制,认为煤层压裂通过增阻和降能2方面实现冲击地压的防治;提出了基于压裂效能指数In的压裂防冲效果评价方法以及关键冲击块临界体积的估算公式,为煤层压裂施工参数的选择提供参考;最后,在华丰煤矿1412工作面成功应用该项技术,从现场观测、管路压力、微震事件和应力变化4方面验证了煤层定点水力压裂技术防治冲击地压的效果。     

大采高综放面区段煤柱合理留设研究

侧向支承压力分布、资源回收率以及煤柱和巷道的稳定性是大采高综放面区段煤柱宽度留设要兼顾的因素,为了确定大采高综放面区段煤柱宽度,以某矿8103面为工程背景,首先,采用理论计算和现场应力监测等方法确定大采高综放工作面倾向支承压力分布规律,得出应力降低区宽度约为8 m,原岩应力区为巷帮侧28 m外。其次,采用工程类比方法确定大采高综放工作面巷帮外侧煤体严重破裂区宽度约为4 m。最后,采用FLAC3D数值软件分析了下区段工作面回采时窄煤柱（6、8 m）和宽煤柱（28、30 m）的应力场、位移场及塑性区特征,获得不同煤柱宽度时巷道和煤柱力学特征。研究表明：当煤柱宽度6 m和8 m时,在采动支承压力下煤柱几乎无承载能力,且巷道变形量较大;当煤柱宽度28 m和30 m时,在采动支承压力下煤柱中央仍有一定的弹性核,煤柱保持稳定且巷道变形量较小。综合考虑资源回收、巷道稳定性、次生灾害控制等因素,确定大采高综放工作面区段煤柱宽度为28 m。     

注水煤体应力能 V-f 转化与释放机理研究

文章分析了在煤层注水湿润后煤体弹性能的转化与消耗过程，给出在湿润状态下能量由体变弹性能向形变弹性能转化进而自耗释放的理论模型。指出在坚硬干燥煤体中，注水后在水压力和毛细力的切割作用下，裂隙大量扩展，丰富了自由裂隙，产生更多的裂隙启发(裂隙切口)，使原来近似的刚性煤体变成由裂隙分割的块体组成的组合体或半组合体。裂隙中水的粘滞作用及水分子吸附力使块体问粘性结合、刚度降低、形变增大。煤体形变弹性能自身消耗释放的形式有3种：产生剪应力导致自由裂隙问错动摩擦；强度降低，使裂隙启发被劈裂成自由裂隙；湿润煤体蠕变性增强，产生整体性移动作功。初步给出能量消耗的量化表达式。通过这一理论，能建立煤层注水湿润度与冲击地压灾害发生的更直接的关系，使进一步量化该关系成为可能。从更深层次解释煤层注水防治冲击地压的机理。     

圆形硐室岩爆的折迭突变模型

均匀围压下圆形硐室岩爆是传统意义上的软化区内岩环经过塑性变形局部化阶段完成的。当处于极限状态的塑性变形集中区承载能力下降时, 岩环中相对完好部分以弹性方式卸载,当后者释放的弹性能超过前者塑性变形所耗散的能量时便发生岩爆。简捷地通过等效应力 和等效应变 关系建立突变模型对硐室岩爆进行了分析, 将状态变量 用软化区半径 来表示。分析表明: 岩爆发生条件与硐室岩体的升降模量比 和岩体裂隙发育程度 的乘积有关; 对于特定冲击倾性的岩体,存在对应的临界软化区深度 , 即软化区深度达到 时便发生岩爆;还给出硐室岩爆释放地震能等计算式,岩爆释放的地震能量级则与硐室软化区深入程度有关。     

狭窄煤柱冲击地压的折迭突变模型

对简化的狭窄煤柱岩爆分析模型,通过功、能增量平衡关系的途径,导出狭窄煤柱岩爆的突变模式属折迭突变模型。该突变模型的平衡方程和平衡路径所展示的全部性态, 可对煤柱以岩爆形式破坏和渐进形式破坏过程中,包括系统稳定性在内的所有行为,作一一相对应的描述。并首次给出的岩梁弹性能变化（释放）率曲线包含了丰富的信息量,对理解岩梁-煤柱系统在各阶段的行为规律有着重要的作用。所给出的能量输入率 ,是系统失稳临界条件的提法和表达式中蕴涵了Cook刚度判据,故看作是Cook判据能量形式的动态推广。利用能量输入率可将极限状态下岩煤系统稳定性的定性认识提高到用定量形式描述,为岩煤系统稳定性的表述赋予新的形式。     

扬子地台西北缘前陆逆冲带及煤田构造特征

扬子地台西北缘前陆逆冲带(即龙门山逆冲带)的形成和演化控制着扬子地台内部及其西北缘煤炭资源的聚积和赋存。它可分为根带、中带、锋带三部分。根带无煤聚积,工业煤炭资源赋存在中带,锋带的煤系埋藏过深。前陆逆冲带内的煤田构造变形是适应前陆逆冲挤压应力作用的结果,以发育有冲断叠瓦扇、双冲构造、平行褶皱、斜歪褶皱、飞来峰、逆冲岩席、断夹块等构造样式为特征。前陆逆冲带的形成是特提斯构造域长期演化、沿三条缝合带发生三次碰撞的结果。