深井厚煤层大巷孤立煤体冲击危险性评价研究*

为了探究大采深条件下厚煤层大巷孤立煤体频繁发生冲击地压的原因,以梁宝寺煤矿35000采区为工程背景,采取现场实践、数值模拟等方法分析不同采深、煤厚、大巷间距等因素对大巷孤立煤体冲击地压的影响,提出深井厚煤层大巷孤立煤体冲击地压的危险性评价方法。研究结果表明:大巷孤立煤体的采深与垂直应力峰值呈正相关,采深1 200 m时煤体的垂直应力峰值是采深500 m时的3倍左右;大巷孤立煤体随着煤层厚度的增加,其应力集中程度不断升高,且应力峰值向煤体弹性承载区转移;大巷间距越小,孤立煤体弹性承载区应力越集中,发生冲击地压可能性越高;包含开采影响因素和煤层冲击倾向性的大巷孤立煤体冲击危险性评价方法符合现场实际情况,可为大巷孤立煤体冲击危险性评价提供1种思路。     

近直立煤层冲击地压自保护卸压机制与防控

为有效防控近直立特厚煤层群水平分段开采中产生的冲击地压问题,以乌鲁木齐矿区乌东煤矿南采区为研究对象,分析87°近直立特厚煤层群冲击原因,探究这类煤层冲击地压防控的重难点,提出自保护卸压防控方法并分析该方法的卸压防冲效果。研究表明:近直立煤层群冲击地压主要发生在首采煤层中,主要原因为巷道位于支承压力与水平构造应力叠加产生的高应力区,冲击危险性高;对首采煤层采取自保护卸压措施,既可以改变煤岩体所处的应力环境,使支承压力与水平构造应力叠加产生的高应力区向深部煤岩体中转移,将采掘工作面巷道置于低应力区,还可以改变煤岩的性质,使其失去集聚大量弹性能的可能性,从而防止冲击地压发生。     

临近断层特厚煤层分层开采冲击地压发生机制

为了研究临近断层分层开采的冲击地压发生机制,以老虎台矿特厚煤层开采为研究背景,采用地质动力区划方法、数值模拟和现场监测方法对井田的地质动力环境、临近断层开采的围岩应力分布规律和断层滑移特征及其与冲击地压的关系进行了研究。采用地质动力区划方法,将老虎台井田断裂构造划分为5级,通过地震和矿震分布情况,确定老虎台矿地质构造活跃,处于较高的应力环境;采用FLAC3D数值模拟和锚索应力监测方法,分析断层围岩应力演化规律和断层滑移规律,在断层和开采共同作用下工作面断层侧超前支承压力急剧升高。结果表明,地质动力环境为冲击地压的发生创造了外界环境条件,断层和采动的耦合作用是冲击地压诱发的主要原因。     

煤体电荷感应信号评价冲击危险性试验研究

为完善冲击地压矿井的冲击危险性评价方法,提高冲击危险性预测的准确率,应用自主研制的煤岩电荷监测系统,选择典型冲击地压矿井的煤样,开展了煤体单轴压缩冲击危险性测试与电荷感应监测试验研究。基于冲击地压扰动响应失稳理论,将应变软化阶段产生的电荷信号变化作为预测冲击地压发生的前兆信息,得到了煤体冲击危险性指标的临界软化系数Kρ、临界应力系数Kp及其冲击危险的等级分类标准,分析了煤体电荷感应信号的电荷事件数CSJ和电荷事件的平均幅值CFZ参量与冲击危险性指标Kρ和Kp之间的量化关系。结果表明:煤样破裂应力峰后,冲击倾向性K与电荷事件数CSJ呈指数递减关系,与CFZ呈指数递增关系;随着Kρ或Kp的增大,煤样应力峰后CSJ呈幂函数关系递增,应力峰后电荷平均幅值CFZ呈一次函数关系递减,以此可预测煤体的冲击危险程度,最后得到了河南某矿煤层冲击危险性的应力峰后冲击危险等级的CSJ和CFZ判据与划分标准。煤体冲击危险性电荷感应信号评价方法为冲击地压矿井冲击危险性评价提供了一种新的方向,对现场煤层冲击危险性评价具有指导作用,但也还需要开展大量现场试验对其进行不断修正和完善。     

基于模糊综合评判的冲击地压危险性分区预评价技术研究

为解决采煤工作面冲击地压危险性难以准确分区预评价的难题,运用模糊综合评判法建立冲击地压危险性评价模型,模拟工作面开采过程,对工作面开采过程中不同区域煤体应力影响因素进行综合分析,评判冲击危险性,实现了采煤工作面冲击危险性分区预评价。根据专家现场经验和试验研究结果,确定了影响冲击地压危险性等级的7个主要影响因素,采用层次分析法,确定各个因素的权重。评价模型在山东某煤矿3105工作面进行了应用,得到7个高度危险区,4个中度危险区,评价结果与现场实际基本吻合,表明该模型是合理可行的。     

巨厚砾岩作用下底板冲击地压诱发机理及过程

以千秋煤矿21141工作面下巷冲击地压发生的地质和采掘情况为基础,建立煤层巷道底板冲击地压诱发机理模型。水平应力的大小是影响巷道底板岩层稳定性的最主要因素,并确定最大水平应力的计算方法。采场上覆巨厚砾岩层断裂所产生的动载扰动能使巷道底板水平应力瞬间积聚升高。数值模拟分析得出,随着动载应力和加载时间的增加,巷道底板变形量、变形速度和加速度都明显的大幅度增加;同时巷道围岩塑性区也逐渐扩大。研究表明采场上覆巨厚砾岩层断裂、垮落对煤层巷道所产生的动载扰动会诱发规模较大的冲击地压,巷道底板由于缺少有效支护会成为冲击破坏的突破口。     

华丰矿冲击地压危险性预测及区域防治技术研究

针对华丰矿巨厚砾岩断裂会对采场造成冲击地压灾害且冲击地压主要发生在1411工作面回风巷的现象展开研究，并采用区域动力规划方法对巨厚砺岩断裂进行划分。通过分析围岩应变与应力的关系，提出工作面采用错层位内错式巷道布置形式的方案。同时，由于巷道布置形式的优化造成覆岩离层分区发生变化，为进一步通过控制砾岩的断裂运动降低发生冲击地压的危险性，提出覆岩离层注浆的新技术。工程实践表明:采用新方案后1411工作面回风巷上方为上区段采空区垮落的矸石，吸收了绝大部分砾岩断裂产生的能量，改变了1411工作面回风巷发生冲击地压的现象。从注浆效果来看，有效控制了砾岩运动及其引起的地表下沉，大幅度节省了注浆钻孔工程量。     

软弱底板特厚煤层综放面矿压特征研究与应用

水帘洞煤矿3802工作面是彬长矿区首个采用8m小区段煤柱护巷、面临软弱底板问题的特厚煤层工作面,生产条件复杂,类似开采技术经验较少。针对此问题,采用岩石物理力学性质测试和计算机数值模拟等手段,明确软弱底板对综放面矿压影响机理;通过现场实测,对3802工作面矿压特征和覆岩移动规律等进行研究,结果表明,软弱底板条件下特厚煤层综放面较一般底板下特厚煤层综放面矿压显现特征不同,软弱底板吸收能量,将应力转移到深处,一定程度上消除了冲击地压危险,同时矿山压力显现平缓不明显,动载系数小。现场实测结果表明巷道围岩稳定,研究结果可以在类似条件下推广应用。     

巨厚砾岩下冲击地压发生机理及加固技术研究

针对深部矿井巨厚砾岩下采场冲击地压的易发性和危险性,运用理论分析和室内相似材料模拟试验方法,对华丰煤矿巨厚砾岩下覆岩运动规律及采场冲击地压发生机理进行研究。研究发现:随着工作面的推进,离层自下而上发育,在巨厚砾岩层下部离层空间达到最大。煤层极限平衡区内集中静载荷能量E静和巨厚砾岩破断、垮落释放的集中动载荷能量E动是造成采场冲击地压的根本原因,并且E动诱发冲击地压的强度更高,危险性更大。当E静+E动-Ef min>0时,采场冲击地压启动。在此基础上,提出一种囊袋式离层加固技术,对离层区域进行横向挤压和纵向加固,有效控制巨厚砾岩断裂、垮落,防止冲击地压的发生,减少地表沉陷,实现了煤矿安全绿色开采。     

巷道冲击地压模拟试验及其过程动态演示

以巷道冲击地压灾害为典型案例,通过对巷道类冲击地压事故机理的分析,设计了一项巷道冲击地压试验装置,通过视频剪辑和动画制作技术,实现了对冲击地压试验的全程记录,并利用分频、字幕说明等形式对冲击地压试验动态过程进行了演示和说明。结果表明,该试验装置结合了巷道冲击地压发生原理,以动画方式演示,具有直观、简洁、易于理解的特点,为揭示冲击地压过程及其发生机制提供了一种新方法。     

吸能让位防冲支护结构与围岩协同作用体系研究*

为防治冲击地压危害,减小人员伤亡与经济损失,采用数值计算方法建立吸能让位防冲液压支架与围岩协同作用体系模型,计算支架和围岩组合体系在静载和冲击载荷作用下的受力状态。结果表明:静载条件下,受煤层影响巷道右侧拱肩位置应力值与塑性应变相对最大,此处最易发生破坏;吸能装置在静载条件下没有发生压缩变形,表明吸能装置不会影响支架正常工作;竖向冲击荷载条件下,受煤层结构影响巷道右侧拱肩处等效塑性应变值增大相对比较明显,吸能防冲支架中间液压柱与右侧液压柱水平位移变化相对最明显;冲击地压发生过程中,支架与围岩间相互作用力变化较大,总体可分为振动段、平稳段、上升段、波动段4个阶段。     

诱导式防冲支护装置的屈曲吸能特性研究

基于薄壁管件屈曲吸能原理,设计了具有特殊形状的诱导式防冲支护装置,应用于一种新式巷道吸能防冲液压支架中,旨在当突发围岩冲击时,通过装置自身及时的变形让位过程,应对支架遭受的冲击破坏作用并快速吸收其携带的冲击能,从而支架结构受到保护,围岩稳定性与巷道的整体性得到保障。防冲支护装置的承载力与吸能量通过吸能理论分析与计算获得;利用ABAQUS大型分析软件模拟两种防冲支护装置结构形式的变形吸能过程,在轴向加载的条件下进行单节支护装置准静态压缩试验。结果表明:单节防冲支护装置支护力大,比吸能高,吸能量大,总体吸能效果好。防冲支护装置吸能特性研究,为解决当下冲击地压发生时巷道支护安全问题提供了新方法。     

基于改进组合赋权-TOPSIS法的岩爆倾向性评判模型

针对岩爆倾向性评价模型中指标权重难以确定导致预测精度不高的问题，提出1种基于改进组合赋权-TOPSIS法的岩爆倾向预测模型。综合考虑岩爆发生条件，选取岩性条件、应力条件和围岩条件3项准则对应的15个岩爆倾向性判别指标。采用3标度法的改进层次分析法（IAHP）与熵权法（EWM）结合，消除主、客观因素影响获得最优权重，运用逼近理想解法(TOPSIS)分析评判对象与虚拟理想解的贴近程度，从而判断岩爆倾向性等级。研究结果表明:弹性能量指数Wet、动态DT参数、能量储耗指数k、T准侧和应力指数S对岩爆倾向性影响较大；该模型对岩爆倾向性预测准确率高于85%，可为类似地下岩土工程岩爆倾向性预测提供理论支撑。     

煤巷顶板围岩结构承载能力弱化分析

为了揭示煤巷顶板围岩承载能力的弱化机理，结合已有的研究成果，建立巷道顶板三向承载梁结构承载弹塑流弱化分析模型，确定三向承载梁结构承载状态的分析方法，提出用围岩塑性区深度、宽度、长度作为评价巷道围岩承载的弱化分析指标，研究围岩性质、支护强度、采动应用等诱导因子对煤巷顶板结构承载能力弱化分析指标的影响规律。研究结果表明:随着围岩强度的提高、支护强度的增加、扰动应力的减小，弱化分析指标呈似线性减小的变化规律，且减幅由大到小排序为塑性区长度Sy，宽度Sx和深度Sz，同时提高围岩强度、支护强度，减小采动作用应力，煤巷顶板弱化分析指标的减小程度显著高于单因子的改善。