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。     

综放开采过断层冲击地压危险分析及防治技术

为预防综放开采过断层发生冲击地压事故,以东滩煤矿14310(东)综放工作面为背景,运用微震监测、数值模拟和理论分析等方法,研究断层区域的冲击地压危险性。按照断层活动规律,将工作面冲击危险性分为断层冷冻、断层蓄能、断层活化、断层煤柱、断层错动、上盘能量释放、残余能量释放和断层稳定8个阶段。分析3个高危阶段的冲击地压机理,认为断层活化型冲击机理是开采诱发断层附近积聚的构造应力向煤壁转移;断层煤柱型冲击机理是断层切割顶板与下盘形成高应力煤柱;断层错动型冲击机理是断层长期活化"润滑"断面。结果表明,冲击危险性划分结果和冲击机理分析结果皆与现场实际考察情况大致相同。     

非对称开采条件下工作面“多向应力”变化特征研究

在非对称开采条件下,工作面受上覆岩层自重应力、超前支承应力、采空区侧向支承应力和回风巷煤柱应力等“多向应力”叠加影响,使得工作面应力呈“非对称”性。为研究非对称开采条件下工作面“多向应力”变化特征,基于微震监测、应力在线监测和理论计算,对母杜柴登煤矿30202工作面回采过程中所形成的非对称开采条件下的应力变化进行分析;并基于工作面所受应力条件和围岩体结构条件,分析了“多向应力”叠加显现机理。结果表明:30202工作面回采期间,煤柱支承应力沿走向分为应力升高区、应力明显降低区、应力缓慢降低区和应力稳定区,其应力峰值主要集中在工作面前方40 m左右,应力集中系数平均为1.61;在非对称开采阶段,在走向方向工作面超前支承应力影响范围较回采初期增加了100 m左右;在不考虑垂直应力影响的情况下,相邻工作面采空区的侧向应力对30202工作面倾向方向的影响范围为44 m,应力最大值为56.1 MPa。在“多向应力”耦合作用下工作面在回采过程中产生能量集聚,并在采动扰动下发生能量释放,满足了大能量事件发生的基本应力条件;同时在扰动条件下采空区发生高位顶板错动,以及围岩支护薄弱为大能量事件的发生提供了围岩结构条件。研究结果可为工作面非对称开采条件下采场矿压显现规律研究、顶板控制和巷道支护设计提供指导。     

深部孤岛工作面区段煤柱冲击地压的试验研究

以冲击启动理论为基础,结合覆岩空间结构思想,采用相似模拟试验方法,研究了孤岛工作面上覆岩层空间结构特点及采动围岩应力场的分布、变化规律,进一步探讨了孤岛工作面区段煤柱冲击地压发生机理。结果表明,两侧充分开采的孤岛工作面上覆岩层呈"C"型覆岩空间结构,工作面承受上部岩层及两侧采空区上覆岩层转移过来的部分岩层重量,在工作面两侧形成应力集中区域,导致采动围岩应力场达到极限平衡状态,该集中应力可视为采动围岩近场极限平衡系统的静载荷。孤岛工作面开采过程中"C"型覆岩空间结构逐渐演化形成"W"型空间结构,极限平衡系统静载荷发生转移和改变,最终由上下区段煤柱全部承担上覆岩层重量,系统载荷增至最大,处于临界失稳状态。"W"型覆岩空间结构大面积失稳,为系统提供了外动载荷,系统在动载荷的扰动下突破平衡极限,从而发生区段煤柱冲击。最后,基于孤岛工作面应力分布规律确定了区段煤柱的合理尺寸。     

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。     

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。     

煤岩“震-冲”动力系统冲击失稳致灾机制研究

为有效防治"震-冲"型冲击地压,根据矿震与冲击地压的关系建立煤岩"震-冲"动力系统模型。以此作为研究的基本模型,探讨"震-冲"型冲击地压的发生机制和判据。采用数值模拟方法研究强矿震在工作面附近产生的动力效应。提出"震-冲"型冲击地压的防治对策。结果表明,"震-冲"型冲击地压的发生机制是在矿震扰动下,煤岩应力瞬间进入塑性软化阶段,煤岩体积聚能量与破坏消耗能量的差能增大,在满足冲击破坏的刚度条件时,发生强烈的冲击地压事故。分别控制矿震震动源区、矿震震能传播路径和冲击源区,能大大减弱或消除发生"震-冲"型冲击地压的危险性。     

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。     

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。     

老虎台矿55002#掘进面通过F7-1断层前后微震事件的时空特征分析

冲击地压作为一种特殊的矿压显现形式,对抚顺矿业集团老虎台矿深部开采的安全生产造成了严重的影响,在该矿的实际生产中,地质条件是引发冲击地压发生的重要因素。鉴于微震监测系统是目前在煤矿井下监测冲击地压应用较为广泛的手段之一,本文利用波兰ARAM IS/MA微震监测系统对老虎台矿55002掘进工作面通过F7-1断层前后的微震特征信号进行连续观测,分别从时间和空间上研究此掘进面通过断层前后的微震特征,验证了一种典型的冲击地压发生时间前后的微震活动规律,并结合实际地质条件从位置上分析了微震事件与断层等地质构造之间的关系,进而根据空间分析结果圈定了重点防治冲击地压区域,使老虎台矿在该工作面掘进生产中提前采取相应的防范措施,顺利通过断层等地质构造异常区域,确保了安全生产。     

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。     

浅埋厚煤层井田边界煤柱稳定性研究

针对神府矿区部分煤矿受采煤工艺变化和多次采动影响边界煤柱的稳定性难以保证的问题,本文以相邻的海湾煤矿三号井2206综采工作面和王才伙盘煤矿2201综采工作面为例,采用理论计算、数值模拟方法对常规开采时和卸压开采时边界煤柱的稳定性进行研究分析。研究结果表明:2206工作面和2201工作面边界煤柱的承载强度分别为9. 2、9. 99MPa,稳定性系数分别为0. 54、0. 58,常规开采后均处于失稳和残余变形状态;切顶卸压处理时,工作面前方边界煤柱有足够的弹性区,边界煤柱垂向应力最大为8. 0MPa,较大缓解了煤柱承载,对保障工作面安全生产有较好的作用。     

矿震与冲击地压防治研究进展

矿震与冲击地压是采矿领域亟待解决的热点、难点和瓶颈问题,为了有效控制矿震与冲击地压,综述矿震定义与分类、矿压假说及矿震与冲击地压防治技术,回顾切顶卸压理论及其在中厚金矿采空区处理与卸压开采、中厚及以下煤矿沿空留巷中的应用,并比较其与110工法的差异。据此,给出矿震定义,指出矿震与冲击地压发生的条件类似,针对厚矿体开采提出深埋坚硬顶板控制爆破切槽放顶技术。研究表明：控制爆破切槽放顶技术仍然是未来矿震与冲击地压防治中释放并转移高地压的主要方法,它还可将深埋厚矿体的“砌体梁”简化成弹簧岩梁承载体系。     

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。     

大安山矿煤岩冲击破坏的电磁辐射监测及预警

煤岩冲击灾害严重影响大安山煤矿的安全开采,对其有效预防尤为重要。分析并确定了导致大安山矿轴7槽煤层煤岩冲击的主要因素为开采引起的围岩应力集中;根据电磁辐射与围岩应力的正相关性,并基于电磁辐射监测的时间和空间特征对煤岩冲击危险进行了预警。结果表明:1)电磁辐射监测结果反映了工作面围岩应力分布及变化的区域特征;2)进入采动应力集中影响范围时,工作面发生煤岩冲击的危险性增大,对应的电磁辐射监测表现出一定的前兆反应;3)煤岩冲击的电磁辐射前兆具有明显的时空特征,可根据其特征对工作面可能发生煤岩冲击的具体区域进行判定并预警。     

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。     

特厚煤层重复采动条件下断层滑移对冲击地压的影响

为探究重复采动条件下断层滑移特征及其与冲击地压的关系,以老虎台矿83003综放工作面为研究对象,采用数值计算、现场监测和理论分析多种方法进行研究。采用UDEC数值模拟软件和预应力锚索的工作阻力监测,对重复采动条件下断层运动特征以及断层运动与冲击地压或矿震关系进行分析。研究表明,重复采动使断层活化,83003综放工作面开采后F25断层上盘的滑移量达到5~8 m;锚索工作阻力突变值大于5 k N时,将在33 h内发生能量较大(大于106J)的矿震,对冲击地压的发生具有预警作用。覆岩破坏、断层滑移、断层应力场和采动应力场耦合作用是83003综放工作面冲击地压频繁发生的根源。     

近距离煤层群工作面采场围岩失稳机制与控制技术

为探讨近距离煤层群工作面采场围岩失稳机制和开发相应的控制技术,采用理论计算、数值模拟和实验室试验综合方法,研究煤层群开采围岩采动应力场分布。阐明松散煤体注水加固的力学机制,并开发现场厚坚硬顶板深孔预裂爆破、深浅孔联合注水、新型采煤工艺综合技术措施。研究结果表明:在煤层群开采条件下,上下工作面相互影响程度剧烈,将下伏煤层工作面布置在上覆煤层开采后的卸压区内,可避免上煤层遗留煤柱高集中应力的影响,降低下伏煤层工作面原始应力水平。用设计的深孔预裂爆破工艺,能避免关键层断裂后对下伏煤层作面的动压冲击。提出的工作面低压短时间浅孔注水和2巷超前长孔预注水工艺,能提高松散煤体抗剪强度,增加煤体稳定性。     

煤层小断层附近采动应力演化特征与瓦斯突出防治

为提高煤层小断层附近瓦斯突出防治的针对性,以古汉山矿地质条件为背景,通过数值模拟研究了与工作面开采方向0°夹角、45°夹角、90°夹角小断层附近采动应力演化特征。结果表明,当工作面沿地应力场最大主应力方向开采时,小断层附近构造应力逐渐得到释放,与工作面0°夹角断层和与工作面45°夹角断层附近的采动应力场分布均匀,工作面瓦斯突出的危险性小,而与工作面90°夹角断层因断层应力阻隔效应,工作面的采动应力分布呈现差异,瓦斯突出危险部位沿断层走向分布;当沿工作面垂直最大主应力方向开采时,断层附近的构造应力叠加与断层应力阻隔效应一起导致采动应力逐渐增大,工作面采动应力分布呈现显著差异,在小断层附近存在瓦斯突出危险部位。煤矿现场瓦斯突出防治应在加强小断层探测的基础上,结合区域地应力场方向、开采条件、断层走向,对断层附近瓦斯突出危险部位做出预测,从而提高小断层附近瓦斯突出防治工作的针对性。     

临近断层工作面采动诱冲规律研究*

为研究临近断层工作面采动诱冲规律,首先对开采与断层应力之间的影响进行理论分析,再利用正交实验设计合理的实验方案,采用有限元软件FLAC3D对各方案进行数值模拟实验,提取25组数值模拟实验数据,最后基于层次分析法对各影响因素的组合权重进行理论计算,分析各影响因素对断层冲击地压的影响大小。结果表明:开采深度对断层冲击地压的影响最大,断层内摩擦角次之,断层黏聚力影响最小,且断层黏聚力和开采深度对断层冲击地压影响的差异较大。