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。     

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。     

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。     

尖角煤柱影响下旋采面冲击地压危险分析与防治

为预防复杂开采条件工作面冲击地压灾害,以尖角煤柱与旋转开采耦合条件工作面为研究背景,从冲击倾向、地质构造、地应力、坚硬顶板、旋转开采与尖角煤柱等角度分析冲击地压发生的影响因素,基于数值模型研究工作面采动应力演化特征,得出工作面冲击危险区域及程度,并提出相应的防治措施。结果表明:连续的尖角煤柱具备较高的应力集中条件且会产生应力累积效应,工作面冲击地压危险区域主要集中在旋转之前和旋转中,其中旋转开采部分运输巷受断层、矿界煤柱与旋转开采影响具有强冲击危险,旋转开采部分轨道巷受尖角煤柱与旋转开采影响具有强冲击危险。工作面旋转区、尖角煤柱区分别采用降低开采扰动强度、静载卸压的方式防治冲击地压的发生。     

采动影响下水力致裂前后煤层顶板应力变化规律

煤层顶板水力致裂是防治冲击地压的重要手段之一。为了研究水力致裂对采动过程中顶板岩层三维应力变化规律的影响,现场开展了煤层顶板水力致裂试验,采用光纤光栅三维应力传感器,监测得到了水力致裂前后工作面推进过程中的顶板岩层三维应力。结果表明:采动影响下,工作面前方顶板岩层中3个方向正应力均不断增加,直至达到应力峰值,其中竖直方向正应力增加幅度明显大于水平方向正应力增加幅度;水力致裂后,应力峰值位置约从工作面前方11 m向深部移动至21 m处,顶板岩层3个方向正应力的增加幅度均有所降低,其中竖直方向正应力增幅的降低程度最大,约从153%降低至94%;水力致裂可以改变采动影响下顶板岩层三维应力的变化规律,尤其是支承压力的变化规律,从而预防冲击地压的发生。     

孤岛工作面长度对下伏大巷稳定性影响研究

以开滦矿区某矿8#孤岛煤柱回采为工程背景,针对孤岛工作面长度对底板垂直应力的分布影响及下伏大巷围岩稳定性问题展开研究。采用理论分析和数值模拟相结合的手段,建立了孤岛工作面在倾向方向上的底板受力模型,采用半无限体空间理论,推导出底板垂直应力计算公式,将该孤岛工作面实际地质参数带入公式,得出了孤岛工作面长度与底板应力之间的函数曲线。研究表明:当该孤岛工作面长60 m时,对下方-480 m水平大巷产生的垂直应力最小。通过FLAC 3D数值模拟方法验证了8#孤岛工作面合理尺寸（60 m)比实际孤岛工作面长度（100 m)对下方水平大巷的采动影响小,便于维护。     

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。     

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。     

基于Ventsim的南山煤矿孤岛工作面均压通风方案研究*

孤岛工作面掘进期间,采用在原有采空区内掘进进风巷、回风巷、切眼的方案以降低工作面冲击地压风险等级。为了降低此布置方案产生的采空区漏风对工作面的影响,设计了6种均压通风方案,使用Ventsim三维通风仿真软件对工作面实施6种方案后通风系统和风压分布状态进行模拟。通过对模拟结果比较,确定以局部通风机吸风量400 m3/min（方案3）为最优设计方案,并根据方案3对该工作面实施均压通风。对该工作面通风系统实测结果分析表明,局部通风机出口风量为346.8 m3/min,进、回风巷及工作面的通风阻力分别为22.8,29和15.2 Pa,验证了该方案的有效性及可靠性,通风系统风量能保证工作面正常开采,且漏风量较小。最后,对工作面采煤过程中以及推进到停采线时均压通风系统进行了稳定性分析,并提出了管理措施。     

孤岛工作面支承压力影响下顶板破坏机理研究

为了探讨孤岛工作面支承压力影响下顶板破坏机理,通过采用理论分析,建立薄板力学模型,对孤岛工作面顶板弯矩分布规律进行分析,并结合实验室数值模拟手段对工作面顶板支承压力集中系数及顶板围岩塑性区演变规律进行研究。研究结果表明:在支承压力作用下,随着推进距离的增大,顶板支承压力集中系数呈现增大的趋势;工作面顶板煤壁中部弯矩显著大于煤壁两侧弯矩,该结果合理解释了工作面方向上支架工作阻力不相等的规律;顶板断裂的塑性区演变特征存在时空效应及力学特征,顶板四周所形成的横向“O”型破断与横向“X”型破断,共同构成了顶板破断的横“O-X”破断形式。     

综放开采覆岩“两带”高度影响因素及预测模型研究*

为研究影响综放开采覆岩“两带”高度预测模型,采用理论分析与经验公式方法系统分析影响覆岩“两带”高度的因素,包括覆岩岩性、覆岩组合结构、煤层赋存状态、顶板控制方法、开采厚度、工作面走向长度与倾向长度、工作面推进速度、覆岩破坏残余变形;并将上述因素划分为采矿地质因素、顶板控制方法、采煤工作面三维尺寸设计参数、时间因素4类;基于此建立综放开采“两带”高度预测模型,并通过工程实例对比、现场实测等方法进行合理性验证。结果表明:芦沟矿与盛泰矿2个工作面的“两带”高度预测值均在实测值范围之内,说明得出的回归式预测效果较好,验证综放开采“两带”高度预测模型的合理性。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。