围岩应力回迁诱发滞后性冲击与突出现象机制研究

为探究卸压区域再次应力集中诱发异常冲击与突出事故的发生机制,以河南某矿25110工作面为例,结合河南2起典型事故,提出应力回迁概念。利用理论分析、数值模拟、现场实测等方法,研究应力回迁现象的发生过程、力学机制及防治对策。结果表明:围岩应力回迁现象存在,且具有滞后性、隐蔽性特征;深部煤体过度卸压弱化自身承载能力,并迫使支承压力向巷道方向回迁,是滞后性冲击与突出灾害发生的主要原因。结合该类灾害特点,提出近场强卸压与强支护、深部控卸压与强监测的防治对策,并被应用于河南某矿25110工作面,保证了该工作面的安全回采。     

动力扰动诱发巷帮煤体冲击矿压机制研究

基于煤岩介质的动力扰动载荷理论,对动力扰动诱发深埋巷道帮部煤体冲击矿压机制进行了研究。利用FLAC3D软件数值模拟了深埋巷道围岩,尤其是帮部煤体对动力扰动的响应。结果表明,随扰动载荷增加,巷道围岩速度、应力和位移均产生了急剧变化,两帮煤体发生严重拉伸破坏,塑性分布区明显扩大。始终维持极限平衡状态的深埋巷道帮部煤体在动载反复扰动下容易产生超高应力集中,帮壁煤体发生破坏,形成应力转移,导致深部煤体由三向应力状态迅速转化为双向或单向应力状态。同时,动载产生的强烈振动改变了顶底板对煤层的约束条件,降低了摩擦阻力,诱发深埋巷道帮部煤体冲击矿压。根据现场统计,大安山矿+550 m西二褶曲轴10下槽回风顺槽动力扰动诱发的冲击矿压为35次,约占冲击显现总数的93.3%。     

水力扩孔扰动下穿层抽采钻孔串孔致因研究

为解决水力扩孔卸压过度问题,厘定水力扩孔合理冲煤量,进一步提高矿井瓦斯抽采效率,首先运用Hoek-Brown原则揭示和阐明水力扩孔后钻孔串孔发生原因;其次构建流-固耦合数学模型,借助COMSOL模拟软件分析扩孔卸压后煤体所受应力变化和渗透率变化情况;最后结合现场扩孔试验,考察不同扩煤量下钻孔串孔发生情况。结果表明:扩出煤量越大,扩孔孔洞周边煤体的径向位移形变量越大;孔洞附近区域内煤体卸压充分,透气性得到大幅改善,串孔发生率明显增大;现场试验与理论分析、模拟结果基本吻合,可为类似地质条件的矿井实施水力扩孔技术提供一定的参考依据。     

低渗煤层高压水射流割缝强化瓦斯抽采技术研究

为了解决低渗高突煤层瓦斯治理工程量大、效率低难题,提出在煤层中利用高压水射流切割缝槽依靠煤岩自身重力自动卸压强化瓦斯抽采技术。为了确定超高压水射流割缝工艺参数,采用FLAC3D数值模拟方法分析了不同缝槽间距、宽度条件下缝槽周围煤体塑性破坏特征和应力演化规律,得出高压水射流割缝合理缝槽间距为3 m,合理缝槽宽度为100 mm,现场实践表明:高压水射流割缝增大了煤层暴露面积、煤体扰动体积,高负压抽采支管瓦斯流量和浓度显著提升,瓦斯抽采纯量在0.7~1.1 m3/min范围内波动,瓦斯浓度在50%以上,对该矿其他工作面瓦斯治理具有一定借鉴意义。     

高压水射流冲击煤体损伤的数值模拟研究

为研究高压水射流破煤过程中煤体的损伤状态及压力的分布状态,论文采用J-H-C含损伤本构模型,水射流采用Bridgman状态方程,通过拉格朗日-欧拉有限元法模拟计算高压水射流冲击煤体的损伤机制,得出了煤体在高压水射流冲击作用下不同时刻的损伤变化情况。结果表明,煤体在高压水射流作用下,在接触点两边形成"肺叶状"负压力区,煤体所受压力逐渐减小;冲击速度和产生的损伤随时间变化逐渐减小,损伤主要集中于坑洞底部。     

基于钻孔气体漏失量法巷帮卸压带宽度确定研究

为确定巷帮卸压带宽度,合理布置巷道位置及确定封孔长度,提出了钻孔气体漏失量法,对某矿巷帮卸压带宽度进行了测试,并与封孔法所得结果进行对比分析。研究结果表明:钻孔封孔法测定卸压带宽度为9～10 m;钻孔气体漏失量法因充入高压气体使原始裂隙遭受楔形劈裂作用,造成裂隙扩张,测试结果为11 m,略大于封孔法测试结果;根据矿井实际抽放钻孔情况,结合漏失量法及封孔法测试结果综合确定该矿巷帮卸压带宽度为9～10 m。利用钻孔指标法进行验证,借助钻屑量、瓦斯涌出初速度及钻屑瓦斯解吸指标3个参数综合确定卸压带宽度为9～10 m,所得结果与封孔法测试结果一致,略小于漏失量法,说明对钻孔气体漏失量法所得结果适当修正后可进行卸压范围确定。     

矿井围岩应力松弛区理论计算与试验研究

通过对掘进工作面前方煤体的受力特点进行分析,理论研究了掘进工作面应力分布特征,得出了掘进巷道前方卸压带宽度计算公式,分析了各因素对煤与瓦斯突出发生的影响,现场利用电磁辐射监测技术进行测试,与理论计算结果相吻合。结果表明,掘进工作面前方卸压带的宽度与巷道的高度、巷道煤岩与顶板的摩擦角等因素有重要关系,研究为掘进工作面煤与瓦斯突出预测及防治具有重要的指导意义。     

基于热流固耦合工作面前方瓦斯渗流数值模拟

通过分析温度和地应力对深部煤体瓦斯运移规律的影响，建立了瓦斯渗流热流固耦合模型，以贵州省松和煤矿15#煤层12150采煤工作面为例，利用ComsolMultiphysics软件对深部煤层工作面前方瓦斯渗流进行数值模拟。研究结果表明:受采动影响，在工作面前方“三带”中，卸压区存在大量新裂隙和通道，瓦斯压力梯度最大；在应力集中区至卸压区过渡段瓦斯压力下降速度最快，解释了在该区容易导致瓦斯突出的原因；在应力集中区，瓦斯压力和有效应力较高，压缩煤体，导致煤颗粒排列紧密，渗透率降低；在卸压区，煤体体积形变逐渐变大，产生了很多新裂隙，发生扩容，渗流通道贯通，导致渗透率急剧增加，因此在应力最大处形成了煤层渗透率最低点，随着时间的推移，渗透率最低点逐步远离工作面；在采煤工作面前方，虽然温度升高后瓦斯热运动加剧，有促进瓦斯渗透率的趋势，但由于工作面前方有效应力较大，煤体受热膨胀应力小于有效应力，导致煤体内膨胀，渗流空间减小，造成渗透率降低。     

基于液电效应的高压电脉冲对煤体致裂实验研究*

为分析基于液电效应的高压电脉冲致裂煤体效果，采用电脉冲应力波实验和微观观测方法对潞安矿区煤样裂隙发展过程及其特征进行研究。结果表明:液电效应能明显致裂煤体，且作用次数越多，煤体裂隙密度越大、裂隙网络越贯通，同时煤体孔裂隙等结构薄弱部位的存在能促进裂隙的发育；液电效应对煤体作用可分为4个阶段，其中裂隙快速发展阶段是适合现场作用阶段；高压电脉冲通过液电效应产生冲击波和其他次生作用，且对煤体组成成分无影响；在现场应用中，应充分考虑煤体性质、钻孔布局等，采用“单点多次、多次连续、分段进行、全孔作业”的作业方式。该实验研究为基于液电效应的高压电脉冲技术应用提供支撑。     

高应力下硬岩巷帮钻孔爆破卸压动态模拟

钻孔爆破卸压是转移或释放高地压的有效措施。采用显式非线性动力分析有限元程序ANSYS/LS-DYNA与快速拉格朗日有限差分程序FLAC3D相结合的方法,动态模拟了硬岩巷帮钻孔爆破卸压过程,分析了不同施工条件对卸压效果的影响。结果表明:合理的钻孔深度处于支承压力峰值与支承压力区边界之间的中部位置;装药量越大,支承压力峰值降低越明显,装药量上限应确保爆炸产生的损伤区与巷道已有损伤区不贯通;钻孔间距越小,支承压力峰值降低越明显,钻孔间距下限应满足在确保不扩大巷道已有损伤区范围的前提下,钻孔之间能够形成基本贯通的塑性带。     

煤矿企业重大灾害预防与安全保障体系构建与运行评价

为提高煤矿企业重大灾害预防与安全保障能力,以典型煤矿企业为例,深入分析企业重大灾害的孕灾环境与类型,确定诱发煤矿重大灾害事故发生的关键因素,并提出构建以“安全文化理念”为1个核心,涵盖“组织”“制度”“人员”“技术”“信息”“装备”“资金”7个要素以及“危险源预控”和“灾害应急救援”2个关键环节的整体安全保障体系;最后,利用事故树模型和层次分析法评价某典型煤矿企业历年来的灾害事故实际情况,提出相关保障体系的持续优化方案,研究结果可为煤炭行业企业开展重大灾害预防与安全保障体系的设计与构建提供参考和借鉴。     

复合动力灾害条件下孤岛工作面区段煤柱宽度留设研究

孤岛工作面覆岩空间结构复杂多变,受开采和地质等因素的影响在开采过程中面临冲击地压、煤与瓦斯突出、自燃发火以及采空区突水等复合动力灾害。留设合理宽度的区段煤柱是确保工作面安全开采的关键,以陕西某矿特厚煤层孤岛工作面开采为工程案例,通过分析工作面覆岩空间结构,理论计算了工作面应力分布;采用应力动态监测等方法确定了该工作采空区侧向覆岩运动,并综合考虑冲击地压灾害防治、次生灾害控制以及巷道支护等因素,确定了该工作面区段煤柱的合理宽度为5~7 m。     

近距离煤层上行开采巷道优化布置及煤层卸压效果试验分析

为解决近距离煤层上行开采上煤层出现台阶状下沉问题，以西曲煤矿南三盘区近距离煤层群为研究背景，结合其煤层地质条件，采用理论计算对南三盘区近距离煤层群上行开采进行可行性判定，并建立数值和相似模拟模型，模拟留煤柱和错层位巷道布置开采，对上行开采煤层垮落形式和卸压效果进行试验分析。试验结果表明:煤层上行开采过程会导致上层煤位于垮落带内；采用留煤柱巷道布置上煤层出现台阶状下沉现象，错层位巷道布置上煤层连续下沉不会出现台阶状下沉；错层位巷道布置上行开采，上煤层卸压效果良好，无应力集中现象。研究结论可为类似条件上行开采和岩层控制提供参考。     

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。     

基于防冲的孤岛工作面分类及应用研究

针对目前煤矿孤岛工作面冲击地压类型复杂且治理缺乏针对性的问题，提出了“分类防治”的思路，围绕导致孤岛工作面冲击的高应力这一本质原因，并综合考虑覆岩运动、地质构造、开采、空间等因素，基于防冲对孤岛工作面进行分类；将孤岛工作面分为充分采动、非充分采动、充分-非充分采动、立体、“隐性”和复合型6种类型；将该分类方法应用于孤岛工作面采前冲击危险性评估，并根据评估结果对孤岛工作面冲击地压实施分类防治。研究结果表明:该分类方法可有效控制孤岛工作面冲击地压灾害。     

Rapid regional outburst elimination technology in soft coal seam with soft roof and soft floor

In order to solve the problems in outburst elimination of coal seams with outburst potential, methods of field testing, theoretical analysis and numerical simulation are employed in this study. It is found that the horizontal stress concentration surrounding coal unloading boreholes is the primary cause of the coal and gas blowouts in the process of the coal unloading and permeability improvement with high-pressure water jet. The results indicate that low borehole density and inefficient drainage are the main reasons for the occurrence of high outburst indices in the effeteness validation of regional measures to control outbursts. Based on numerical modeling results and onsite parameter testing, reasonable parameters such as borehole density are determined, and hydraulic fracturing is applied to improve coal seam permeability and relieve stress levels so as to eliminate regional outburst potential. The effect is significant in the field application, coal and gas blowout during the coal unloading period with high-pressure water jet is reduced dramatically, and the roadway development rate is increased by 48%. It is demonstrated that the gas drainage combined with the hydraulic fracturing, coal unloading with high-pressure water jet is a practical and effective technique for rapid elimination of coal and gas outburst potential in roadway development.     

特厚煤层巷道冲击特征及冲击危险性评价方法研究

通过研究特厚煤层巷道能量储存、应力分布及围岩强度特征,揭示了特厚煤层巷道与薄及中厚煤层相比具有储存能量多、应力影响范围广及围岩强度低的主要冲击特征。基于特厚煤层巷道冲击特征和冲击地压启动理论,提出了综合弹性能指数、应力比指数和冲击能量速度指数的冲击危险性评价多元指数法,建立了特厚煤层巷道冲击危险性的综合评价指标体系。将该评价指标体系应用于陕西某矿特厚煤层掘进期间巷道冲击危险性评价,根据评价结果对冲击地压危险区域采取了合理的卸压措施,保证了工作面的安全开采。     

某铅锌矿巷道围岩破坏原因及治理对策分析

为了澄清1 330 m中段巷道发生冒顶、片帮及底鼓的原因,并预测深部各中段巷道的地压显现规律及治理对策,应用FLAC3D模拟实际开挖和开采过程,并分析巷道围岩的应力变化。结果表明:巷道地压显现是拉应力长期作用而发生疲劳拉坏的结果;南侧矿体无断层与巷道贯通,且离1 330 m中段巷道较远,其开采对巷道稳定性影响微弱;北侧矿体有正断层与巷道贯通,离巷道水平距离只有10 m,其开采是引起巷道围岩拉应力增大的主要原因,贯通断层是引起巷道围岩拉应力增大的次要原因;深部巷道应布置在矿体下盘分界线以外不小于15 m处;鞍部矿体采空,有利于1 330 m中段巷道卸压,对1 280 m中段巷道卸压效果微弱;确保断层附近顶柱的完整性,有利于降低巷道围岩的拉应力;对拉伸疲劳破坏的巷道,采用无预应力锚杆支护几乎不起作用。该结论与开挖、开采实践基本吻合。     

突出煤层掘进防突技术研究

针对焦作矿区单一煤层开采特点,分析煤巷掘进突出和瓦斯涌出规律,探讨防突措施的适应性,研究出严重突出危险掘进工作面中高压注水综合措施,即在巷道两侧布置长钻孔抽放工作面前方及两侧煤体瓦斯,向掘进工作面前方应力集中带内打短钻孔进行中高压注水。边掘边抽钻孔提前抽放瓦斯,增大煤体透水性,有利于煤层注水和较高的压力水压裂破坏煤体,增加煤体透气性,提高瓦斯抽放效果。通过在严重突出矿井试验,3115m巷道未发生一次突出,巷道掘进速度平均提高一倍以上,有效解除了突出危险,大幅度提高了掘进速度。研究与实践证明,中高压注水综合防突措施具有广泛的适用性、有效性和安全性特征。     

采动底板力学特征及其对回采巷道稳定性影响

应用理论分析、计算机模拟和现场实测,分析了采动底板应力传播规律及其对底板巷道稳定性影响规律。研究表明:煤壁前方应力增高区附近底板压应力分布呈现"球根"状,随着埋深的增加,垂直应力先增加后减小,剪应力浅部采场边界高度集中,是引起层状底板剪切滑移的根本原因。张集矿1113(1)工作面回采过程,活化了已回采稳定的两工作面层间似连续-非连续-散体结构,导致非连续结构的剪切滑移失稳,和散体冲破相互咬合摩擦力的移动,引起了1113(1)工作面轨道巷广距离失稳。相邻采区开采顺序由上下煤层间隔同采调整为上下煤层顺序开采后,巷道表面位移显著降低,技术经济效益显著。研究成果可为煤层群开采采区设计、底板巷道稳定性控制提供理论基础。