矿山冲击的地震学研究与开发

国家地震局地球物理研究所与中国统煤总公司北京矿务局合作,将地震学的成熟方法引入对矿山冲击的研究。在监测系统改造、分析软件包编制、震源机理研究、矿山冲击分类和冲击预测专家系统研制等方面,都取得一定进展,并展示出极广阔的应用开发前景。本文则是这些工作的综合性总结。     

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。      

冲击载荷下锚杆-围岩结构冲击失效机制的数值分析

针对冲击地压造成大量锚杆支护结构破坏问题,采用动力数值计算方法,研究冲击载荷作用下锚杆-围岩的动力耦合作用与破坏机制。结果表明:(1)冲击载荷作用下锚杆与围岩振动存在明显的"时差效应",导致锚杆与围岩非同步振动,致使锚固剂承受动态剪切作用。随着锚固长度的增加锚杆与围岩的振动呈同步趋势,削弱了振动"时差效应"引起的锚固剂剪切作用,有效避免锚杆的脱粘滑移失效;(2)随着冲击速度的增大,"时差效应"导致锚杆锚固剂承受动态剪切作用被覆盖,锚杆的破坏失效模式由脱粘或杆体屈服断裂转变为锚杆与围岩统一破坏模式;(3)当冲击载荷频率接近锚固围岩体固有频率时,冲击载荷引起锚杆与围岩共振,锚杆与围岩同步振动速度幅值显著增大,可在相对较低的冲击速度下造成锚杆与围岩整体失效。远离锚固围岩体的固有频率对锚杆-围岩动力相互作用影响较小。     

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。     

煤矿冲击地压灾害的预防与治理

本文在分析华丰矿区地质开采环境特征的基础上,探讨了冲击地压形成的内外因和内在斑裂产生的机理。建立健全了灾害预测防治体系,提出了开采解放层、煤层注水、爆破卸压等治理防护措施。     

营运期隧道地压的评估与分析

通过对普氏、秦氏、太沙基及浅埋隧道地压公式的分析,提出了等效岩柱高度的概念,揭示了传统地压公式可以归结于等效岩柱高度和重度的乘积而具有的本质统一性,并给出了考虑营运修正系数的统一地压表达式。最后结合工程实例,验证了统一地压公式的正确性。     

强冲击地压矿井煤层顶板覆岩结构研究——以孟村煤矿为例

矿井工作面上覆坚硬厚层顶板对冲击地压的产生具有重要影响,顶板坚硬厚层砂岩通常因沉积相的变化在横向和纵向上呈现出厚度、顶底板起伏和岩石力学性质等方面的变化。陕西彬长矿区孟村煤矿地质条件复杂,主采煤层顶板发育多层厚砂岩,矿井长期受冲击地压灾害威胁。为准确掌握工作面顶板坚硬厚层砂体层位及展布状态等信息,对其进行压裂弱化,保障矿井安全高效开采,基于孟村煤矿工程地质条件,通过井下工作面巷道顶板钻孔取心编录和钻孔电视测井方法,进行工作面顶板覆岩结构探查,对顶板主要砂体采样,进行岩石学、沉积相和岩石物理力学性质等特征分析,得到如下主要成果：(1)孟村煤矿401103工作面顶板100m内可对比划分出5层连续的砂体,工作面沉积微相变化导致各砂体厚度和顶底板标高不稳定;(2)401103工作面顶板延安组二段、直罗组、安定组底部均为河流相沉积,河流微相中的天然堤相细粒砂岩和粉砂岩的岩石力学强度相对最大,随着岩石粒径的逐渐增大,边滩相和河床滞留相中、粗粒砂岩的强度相对降低。不同沉积环境同一粒级砂岩的岩石力学强度因石英含量增高、硅质胶结物含量增高、颗粒支撑结构等因素而增大;(3)井田现今构造应力和顶板坚硬厚层砂...     

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。      

卸压加载方法在测量冲击能量指数中的应用

为了测定煤岩试样的冲击能量指数K_E,在没有电液伺服试验机和刚性试验机的条件下,开发了卸压加载方法并利用该方法设计了一套实验装置。利用该实验装置对通化矿务局煤矿现场所取煤样进行冲击能量指数K_E的测定,得出了一定的数据并绘制出应力-应变全程曲线,验证了卸压加载方法的可行性。结合其他方法测出的弹性能量指数、动态破坏时间及单轴抗压强度,可以判断相关矿井能否发生冲击地压灾害。      

防冲钻孔参数确定的能量耗散指数法

钻孔布置参数的确定是大直径钻孔卸压防治冲击地压的关键之一。通过岩石力学试验、理论分析、现场实测等方法研究了工作面冲击危险区的卸压指标,提出了能量耗散指数的概念,推导出能量耗散指数与冲击能量指数之间的转换公式,得到以下结论：验证了能量耗散与冲击能量指数之间具有较好的相关性,可以将其作为煤层卸压后残余冲击危险性的评价指标;提出了工作面冲击危险区“分区分级”的防治理念,并以煤层有效卸压应变率分别为1.5‰、1.0‰、0.8‰作为新巨龙矿井高度、中度和一般冲击危险区的卸压标准;推导出了基于能量耗散指数的防冲钻孔参数定量计算方法,并在新巨龙矿井2302S工作面进行应用,取得了良好效果。研究结果对冲击地压防治具有参考意义。