深部岩体工程响应的特征科学现象及"深部"的界定

根据实测数据和工程实例介绍了深部岩体工程响应中发生的一系列特征科学现象,这些特征科学现象归蚋为静力特征现象和动力特征现象两类。静力特征现象表现为在深部工程围岩中交替出现若干破裂区和不破裂区;动力特征现象表现为深部矿井中的岩块弹射和岩块冒落等岩爆现象和地下爆破时发生的冲击地压动力事件,即岩体中的工程性地震。文中在阐明动力特征现象本质的同时,介绍了与之紧密相关的岩块系的超低磨擦效应、岩块系的准共振现象和岩块系运动时发出的慢速变住波(摆型波)。最后介绍了时深部岩体工程的“深部”概念的应有理解及其如何科学界定。关键词：深部岩体;工程响应;分区破裂化现象;冲击地压动力现象     

瓦斯压力影响下煤岩力学性质与冲击能量指数演化规律及机制

深部煤层冲击地压诱发瓦斯涌出、突出事故频繁发生,对井下安全生产带来了巨大威胁,厘清瓦斯对煤岩力学性质、冲击倾向性演化规律是建立有效防治手段的基础。运用物理试验方法,基于自主研发的可视化煤岩流?固耦合试验系统,研究瓦斯压力影响的煤岩吸附、力学性质及碎块分布规律,分析瓦斯影响的煤岩冲击能指数演化特征与机制。结果表明:具有强冲击倾向性煤岩的瓦斯等温吸附曲线符合Langmuir模型,随瓦斯压力升高,煤岩软化特性越发明显,弹性模量、软化模量均呈阶段性降低,瓦斯对二者在煤岩峰值前后具有不同的影响效果且存在临界压力,试样破坏形式呈“脆性张拉→剪切→张拉+塑性流动”过渡,冲击能指数与试样碎块尺度均呈先减小后增大的“V”形变化特征,破碎后具有更多盈余能;含瓦斯煤岩小尺度碎块是灾害发生的客观条件,瓦斯膨胀能为煤体动态失稳提供了额外的能量,增大了冲击地压发生过程的强动力性和破坏性,这种煤岩基质骨架与瓦斯运移的固?流耦合降低了冲击地压发生的临界指标且具有更高的致灾潜能。研究成果与启示为进一步判定深部高瓦斯煤层灾变倾向并建立行之有效的防治手段提供了试验基础和研究思路。      

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。     

峻德煤矿296工作面回风巷冲击地压事故的成因及防治

根据峻德地质条件和296工作面回风巷发生冲击地压事故的调查分析,建立了该巷道发生冲击地压的力学模型,分析了产生冲击地压的影响因素及其作用规律。并根据冲击地压发生机理及实现条件,提出了切实可行的预防冲击地压的措施。     

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。      

冲击地压的滑块模型研究

冲击地压具有典型的粘滑特性,用(Ruina,1983年)双状态变量模型(Two State Variable Model, TSVM)可以很好地模拟冲击地压的这一特性。在分析冲击地压系统的运动特性的基础上,根据冲击地压发生的力学和地质条件,研究了用双状态变量本构模型来模拟冲击地压的动力学和演化行为。分析表明：模型中参数K,β对冲击地压系统动力学行为和状态变量演化行为贡献较大,而系统动力学和演化行为对 , f初值的敏感性相对较低。模型模拟了冲击地压系统的粘滑特性和冲击地压系统的动力失稳过程,较好地解释了冲击地压发生机理,为冲击地压失稳破坏的预测预报提供了理论依据。     

巷道诱发型冲击地压的发生机制及危险性分析

为了治理巷道诱发型冲击地压发生的灾害,从力学机制方面阐述了巷道诱发型冲击地压发生的静-动应力主导关系,揭示了巷道诱发型冲击地压发生的机制;将煤层巷道的围岩二次静应力和震源产生的动应力叠加,得到了巷道围岩二次应力与不同应力波叠加后的最大主应力和最小主应力表达式。从高应力差和巷道围岩冲击倾向性两方面考虑,提出了巷道诱发型冲击地压发生的判断方法;直接判断出巷道在特定深度、震源在某个位置、产生一定的应力波时,巷道发生冲击地压及冲击范围,并解释了巷道群附近产生大范围冲击的机制,成功分析了山东某煤矿掘进工作面发生冲击的原因。研究结果为分析诱发型冲击地压的危险性提供了理论基础,为治理诱发型冲击地压提供了技术途径。     

冲击地压的非线性非连续特征

从冲击地压的现象出发,通过煤岩摩擦滑动试验研究,探讨了冲击地压的非线性非连续特性。在此基础上,提出了冲击地压的控制途径。     

用滑块模型对冲击地压的研究(Ⅰ)

根据冲击地压发生的力学条件和地质条件，引入(Ruina,1983年1单状态变量本构模型(Single state variable model，SSVM)对冲击地压的动力学行为和演化行为进行了描述。研究表明：模型中参数K，β对冲击地压系统动力学行为和状态变量演化行为贡献较大，而系统动力学行为和演化行为对φ，f初值的敏感性相对较低。模型模拟了冲击地压系统的粘滑特性和冲击地压系统的动力失稳过程，较好地解释了冲击地压的发生机理，为冲击地压失稳破坏的预测预报提供了理论依据。     

用滑块模型对冲击地压的研究（I）

根据冲击地压发生的力学条件和地质条件, 引入 (Ruina,1983年)单状态变量本构模型(Single state variable model, SSVM)对冲击地压的动力学行为和演化行为进行了描述。研究表明：模型中参数K, 对冲击地压系统动力学行为和状态变量演化行为贡献较大,而系统动力学行为和演化行为对 ,f初值的敏感性相对较低。模型模拟了冲击地压系统的粘滑特性和冲击地压系统的动力失稳过程,较好地解释了冲击地压的发生机理,为冲击地压失稳破坏的预测预报提供了理论依据。     

深部强冲击地压易发矿区厚煤层开采解放层卸压效果数值模拟

为研究深部强冲击厚煤层开采上、下解放层的卸压效果。采用数值模拟方法,分析不开采解放层,开采下解放层,开采上、下解放层条件下,被解放层的应力变化情况及应力变化规律,计算开采下解放层后的合理卸压角,确定解放层平巷位置。模拟结果表明开采上、下解放层后,应力明显减小,但仍存在高应力区,易发生冲击地压,必要条件下应采用其它辅助卸压方式。证明了煤壁前方应力增加区域一般在煤壁前方8～25m。该研究为工作面开采设计提供理论指导,对防治冲击地压具有一定的现实意义。     

基于钻屑法的冲击地压危险性检测研究

为得出耿村煤矿13210回采工作面冲击地压危险性指标,对该工作面进行了钻屑法研究,研究发现根据现场测试的大量数据绘制的钻屑量曲线图可分为3种类型,分别为“孔底升高型”、“多峰型”、“单峰型”,使用3种钻屑量曲线图,可以排除误差数据,确定有效数据.根据筛选的有效数据,得出当最大钻屑量为2.5 ～3.0kg/m,峰值位置距离煤壁距离为6 ～8m时有冲击地压危险性,但无严重冲击地压危险,对于今后冲击地压危险性的检测起到了重要作用.     

基于进化神经网络的冲击地压非线性动力系统建模

冲击地压是一种危害很大的矿山灾害之一。理论研究表明,冲击地压实质为一种矿山岩体的动力现象,是矿山开采带来的一种动力学灾害。考虑到冲击地压的动力学特点,采用基于免疫进化规划的进化神经网络,进行了冲击地压非线性系统的建模研究。并采用一个矿山实测得到的震级数列,进行了进化神经网络方法的实用性验证,结果表明,进化神经网络,不但模型拟合精度高,而且,其预测性能也较好,是一种进行冲击地压非线性系统建模的较好方法。     

岩爆、冲击地压的定义、机制、分类及其定量预测模型

引述了若干国际权威学者关于岩爆的机制和定义的论述,在此基础上,依据岩爆发生的不同机制,将岩爆分为断层滑移或者剪切断裂所导致的断裂滑移型和岩石破坏导致的应变型岩爆,并结合事故案例,分析了应变型和滑移型两类岩爆及冲击地压的发生机制和特点。在机制分析的基础上,介绍了岩（煤）柱应变型岩爆和围岩应变型岩爆以及断裂滑移型岩爆定量预测的研究成果,其中,包括作者利用非欧几何模型研究非协调变形影响后对应变型岩爆进行了定量预测和数值模拟的新研究成果。     

基于SVM的冲击地压分级预测模型及R语言实现

采场冲击地压的分级预测对保障矿山安全具有重要的意义。在综合考虑采场冲击地压等级判别的各类影响因素之后,引入支持向量机理论,建立了采场冲击地压等级判别的SVM模型。通过借助R语言实现了分层随机抽样的技术,保证了训练集与测试集样本数据的随机性和差异性。研究表明:基于SVM理论的采场冲击地压分级预测模型,可靠性强、预测准确率高。同时,采场冲击地压分级预测模型程序化语言的实现,对保障工程后期的研究预测的可持续性具有重大的意义。     

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...     

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。     

矿井地质动力环境评价方法与冲击地压矿井类型划分研究

冲击地压等矿井动力灾害的发生受多因素影响,是自然地质动力环境条件和开采工程扰动条件耦合作用的结果。冲击地压发生的时间、空间、强度等特征与矿井所处区域地质动力环境有关,由于不同煤田、不同矿区、不同矿井所处的区域地质动力环境存在差异性,致使有些煤矿不具备发生冲击地压的地质动力环境条件,而有些煤矿发生冲击地压的类型也不同。提出矿井地质动力环境评价方法,并构建评价指标体系。在地质动力环境研究中,主要考虑自然地质条件下外部地质体的动力作用对冲击地压的影响效应,确定构造凹地反差强度、矿井区域断块构造运动、断裂构造、构造应力、开采深度、上覆岩层结构特征、本区及邻区判据条件等影响因素为评价指标,根据各因素对矿井的影响程度情况,给出每个因素的不同量化评价值。综合量化评价结果,判定矿井是否具有发生冲击地压的地质动力环境：(1)当综合评价指标值n为0～0.25,表明矿井不具备冲击地压发生的地质动力环境;(2)当综合评价指标值n为>0.25～0.50,矿井具有弱冲击地压发生的地质动力环境;(3)当综合评价指标值n为>0.50～0.75,矿井具有中等冲击地压发生的地质动力环境;(4)当综合评价指标值...     

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。     

基于剪切梁层间失效模型的断层冲击地压分析

将剪切梁层间失效模型用于分析断层冲击地压的发生,在不考虑断层的弹性时对断层冲击地压进行了解析分析,得到了剪切梁的位移和应力分布规律和断层冲击地压发生时撕开裂纹长度和临界载荷。分析了撕开裂纹长度和临界载荷与各种力学参数之间的关系。研究结果表明：当采深越大,剪切梁的剪切弹性模量越小,剪切梁厚度越厚,断层带剪切软化模量越大;断层带厚度、滑动摩擦系数、剪应力峰值强度越小时,断层冲击地压容易发生。采深、剪切梁的剪切弹性模量、断层带剪切软化模量、剪应力峰值强度、断层带厚度这些参数对断层冲击地压的发生影响较大。其结果为预测、防治断层冲击地压提供了理论依据。