高位硬厚岩层影响下矿震发生规律及预测

为系统有效地预防灾害性矿震,以东滩煤矿43上13工作面为背景,运用理论分析、数据和统计分析等方法,研究了高位硬厚岩层影响下灾害性矿震的机理和发生规律,在此基础上对43上13工作面剩余部分矿震危险做出预测。高位硬厚岩层条件下发生矿震的根本原因是硬岩运动释放较大能量与采动应力在老顶附近相遇并叠加,可能诱发冲击破坏。东滩煤矿43上13工作面高位砂砾岩运动为矿震发生提供巨大动力源,是主导矿震的关键因素。从震源与断层关系可以看出震源有沿断层展布而分布的特征。大矿震发生前后的支架阻力异常不稳定,振幅增大,频率增高,往往经历一段时间的蓄能期,矿震发生具有明显的周期特性,这种周期特性在东滩煤矿43上13工作面表现为100 m的大周期内存在50 m的小周期,1个大周期大致对应6个基本顶周期来压;1个小周期大致对应3个基本顶周期来压,大小周期内分别发生4次和2次左右高能矿震。工作面开采速度过大或剧烈变化会导致强矿震的发生,回采过程中要格外注意对开采速度的限制并尽量保持匀速开采。最后将矿震预测结果与现场实际情况进行了对比验证。     

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。     

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。     

深井综放工作面回采速度对矿震致灾的影响性研究

以从波兰引进的SOS微震监测系统为依托,对兖矿集团东滩煤矿深井大采高特殊开采条件下的1305综放工作面在回采期间的微震活动进行全时连续监测,并统计分析了1305综放工作面开采期间的微震活动发生次数和能量释放变化规律。结果表明:东滩煤矿深部1305综放工作面微震事件以低能量的释放为主,低能量微震活动有为强震积蓄能量的趋势;低能量矿震的次数、能量与开采速度呈近似线性正相关,而高能量矿震与开采速度呈非线性关系;开采速度的增大会增加矿震的次数和能量,致使震动总能量由低能量向高能量移动,动力灾害危险性增加;开采速度的稳定性对工作面围岩的应力分布有很大影响,同样开采强度下,匀速开采较非匀速开采的应力集中系数小,煤岩体储存的弹性能小,表现为微震的次数和能量都较低。研究表明,控制开采速度可以控制低能量矿震的发生次数和释放能量,慢速均匀开采能有效减少矿震发生次数。     

冲击地压与微震影响因素的关系研究

矿震的发生受多个因素耦合控制。为研究不同诱因条件下矿震分布对冲击地压的影响,基于反演计算推导,得到走时与临界距离公式,并借助微震检测手段,结合现场开采实际,从关键层运动、回采速度的稳定性的角度分析矿震发生机制与分布。研究发现,矿震的发生可分为若干个活动周期,强矿震的发生均处在矿震活动周期内峰值位置;关键层处微震信号最为集中,信号首先于基本顶处集聚,后逐渐向关键层扩展,后再次于基本顶处集中显现;回采速度的变化能够引起突发性顶板垮落,加快回采速度,会造成工作面前方出现高应力集中区,且高应力集中区随工作面的推进逐步向工作面靠近;日进尺突然增加使里氏震级与频次的曲线出现较为强烈的波动。     

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。     

深部开采煤岩瓦斯动力灾害统一发生机制及监测技术

为研究深部开采冲击地压、煤与瓦斯突出及其复合动力灾害的发生机制,并对其进行有效监测预警,运用事故调研、理论分析、工程实践等方法,分析了我国煤岩瓦斯动力灾害的影响因素,研究了其发生的统一机制和监测技术。结果表明:煤岩瓦斯动力灾害是冲击、突出共性因素和个性因素共同影响下的结果;根据灾害发生过程中能量释放的主体和形式,将煤岩瓦斯动力灾害分为冲击地压、煤与瓦斯突出、冲击-突出型复合动力灾害、突出-冲击型复合动力灾害4种类型;采用多层次统一监测模式,可对深井煤岩瓦斯动力灾害进行全方位连续的统一监测。最后将研究成果应用于煤矿现场实例,效果良好。     

深井大采高综采面矿压显现及覆岩破断规律研究

针对深井大采高综采技术中采场矿压控制难的特点,以潘二矿11223大采高综采工作面为工程背景,采用相似模拟、数值模拟、现场矿压监测、理论分析等方法,对深井大采高综采工作面矿压显现及覆岩运动破断规律进行研究。结果表明:深井大采高综采面覆岩运动破断后结构形态演化特征可概括为“组合悬臂岩梁结构——压实填充结构——非铰接岩梁结构——铰接岩梁结构”的动态演化过程,这种动态演化过程直接影响着工作面的矿压显现特征及覆岩破坏特点;得到工作面初次来压步距为34 m,基本顶周期来压步距15 m,来压由中部开始向两端转移;工作面前方应力集中区距煤壁平均4.4 m,应力峰值平均为26 MPa,工作面矿压显现特点受控于覆岩运动破断的动态演化力学结构,研究结果对类似条件下的工作面安全开采具有一定的理论依据和借鉴意义。     

采动影响下断层滑移失稳研究

为研究采动影响下活动断层的滑移情况,以抚顺矿区老虎台矿为背景,建立了采动条件下覆岩运动的突变力学模型,确定了断层发生滑动的必要条件;运用UDEC数值模拟软件对工作面开采条件下断层活动进行分析,现场工业性试验对断层活动进行监测和验证。结果表明,断层失稳的必要条件为刚度值k≤1,刚度比随着开采深度的增加而逐渐降低;当弹性段采出厚度大于85 m时,F25断层具备了发生滑动的必要条件,易发生冲击地压。83003工作面开采后,F25断层下盘位移基本不变,上盘位移活动幅度较大,最大位移达到了5~7m;锚索测力计的应力变化与断层活动具有较大的相关性,当锚索测力计数值突变时,表明断层已经活动,锚索测力计数值突变越大,预示冲击地压和矿震能量越大。     

硬岩金属矿山开采活动与矿山地震活动的关系研究

以冬瓜山微震监测的数据为基础,结合开采、地质条件等因素,运用统计学和线形拟合方法,研究了开采活动与矿山地震活动的关系特征。其结果发现:累积矿震事件数与累积采掘体积、爆破药量存在着双对数线性的正比例关系;而累积矿震能量却与开采体积存在着斜率为负的双对数线性关系;较大矿震事件主要发生在开采爆破活动之后的时间内,震级大于0的矿震事件在时间上要超前爆破事件,矿震活动在开采活动之后呈现从强到弱再从弱到强的变化过程。该结果对硬岩金属矿山的矿震活动研究有一定的参考价值。     

基于覆岩空间结构理论的矿压特征分析及应用

基于覆岩空间结构理论,一面采空、两面采空边界条件下覆岩结构称为“O”型和“S”型,结合矿压知识及工程背景的特殊条件,将二者转换过程中覆岩结构定义为“O-S”型。在系统分析三种结构构成、运移规律和应力分布特征的基础上,对矿山动力事件进行分析与防治;现场侧向支承压力监测结果显示基于覆岩空间结构理论的结构构成及相关计算相似,现场顶板岩层离层监测结果显示基于覆岩空间结构理论的覆岩运移规律阐述可靠,工作面矿压特征监测结果显示基于覆岩空间结构理论的特厚煤层矿压特征分析与实际发生情况基本一致,研究可为类似条件下矿压特征分析与岩层控制提供一定借鉴。     

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。     

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。     

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%。     

热冲击煤细观损伤与能量响应的相关性研究

为研究热冲击煤细观损伤和能量响应机制的相关性，以平煤十矿24130工作面的煤作为研究对象，借助4K科研相机研究了不同热冲击煤的细观结构特征和热冲击对煤的损伤致裂效应。采用HC-U7非金属超声波探测仪、电热鼓风干燥箱、伺服万能试验机等仪器，开展了不同温度热冲击煤样加载试验，研究了热冲击对煤体单轴抗压强度、弹性模量、泊松比、动态破坏时间、冲击能量指数的影响规律，分析了热冲击煤细观结构、宏观破坏状态、煤物理参数与力学参数及能量指数之间的变化关系，并阐述了热冲击煤受力加载过程中煤能量响应机制。结果表明，煤体细观结构与煤能量响应机制具有较好的正相关性。热冲击煤能量响应特征的差异是由煤初始损伤造成的，煤损伤的存在削弱了煤储存弹性应变能并发生破坏的能力。热冲击温度越高，煤样孔隙越发育，孔隙周围更容易形成高应力区相互叠加，更大程度降低力学性能。损伤发育程度越高，能量积聚和耗散能量越低，峰值前能量积聚和峰值后能量释放越稳定，破坏前能量耗散行为的主导作用越明显。     

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。     

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。     

矿岩接触带巷道顶板沉降变形相似模拟试验研究

为分析矿岩接触带巷道顶板沉降变形对巷道稳定性的影响,以大冶铁矿尖林山矿区接触带巷道为研究对象,基于相似原理,构建了矿岩接触带巷道物理相似模拟试验模型,设计了沿巷道走向与矿岩接触面对称布置的应变位移计监测方案,分析了接触带巷道顶板沉降变形规律。研究结果表明:接触带巷道顶板两侧岩体沉降变形量和变形速率存在差异,接触带巷道大理岩侧顶板沉降量和沉降速率大于铁矿侧;邻近巷道开挖扰动对已开挖巷道顶板变形破坏有较大影响,增大了接触带巷道两侧岩体的沉降变形程度。结合大冶铁矿矿岩接触带巷道顶板沉降量监测数据,从顶板沉降量、沉降速率2个方面对比分析了相似模拟试验和现场监测试验结果,表明矿岩接触带巷道顶板沉降变形规律具有一致性。     

矿岩接触带巷道顶板变形问题研究

为研究矿岩接触带巷道顶板变形对接触带巷道稳定性的影响,以大冶铁矿矿岩接触带巷道为研究对象,通过力学分析,建立接触带巷道顶板力学模型,推导接触带巷道顶板岩梁挠度表达式;运用FLAC3D数值模拟软件,模拟接触带巷道顶板应力分布和沉降量的变化情况;通过现场监测试验,分析接触带巷道矿岩两侧顶板累积沉降量和沉降速率的变化规律。研究表明:接触带巷道两帮应力局部集中,顶底板存在卸压现象,且顶板应力在接触带处出现波动跳跃;巷道顶板沉降显著,但位移云图变化平稳,位移影响区范围为沿巷道方向接触带前后5.00m左右;接触带巷道铁矿侧顶板累积沉降量和沉降速率均比大理岩侧小;接触带巷道大理岩侧顶板沉降速率先增大后减小,铁矿侧顶板沉降速率先增大后减小再增大再减小。     

矿岩-充填体组合试件能量传递规律研究

为探讨矿岩-充填体组合试件的动态力学特征，使用取自云南玉溪大红山铜矿的含铜矿岩和分级尾砂制作矿岩和配比分别为1∶4、1∶10的充填体组合试件，利用分离式霍普金森冲击杆分别在0.20 MPa、0.22 MPa、0.24 MPa、0.26 MPa、0.28 MPa和0.30 MPa的冲击气压下对矿岩-充填体组合试件进行动态冲击试验，研究组合试件的能量传递规律和破坏模式。结果表明：当试件开始发生破坏时，宏观裂隙首先出现在试件边缘，并随着冲击气压增加而扩展，直到裂隙使充填体试件完全贯通，最终试件会完全破碎；组合试件的破坏模式主要表现为剪切破坏、张拉破坏及共轭剪切破坏3种；充填体试件的波阻抗变化反映了试件在冲击过程中的损伤演化规律；试件的吸收能密度随入射能量增加线性增加；在冲击气压为0.20 MPa时，矿岩和配比为1∶10的充填体组合试件较早发生剪切破坏；当冲击气压为0.24～0.30 MPa时，矿岩和配比为1∶4的充填体组合试件虽然发生破坏，但仍具有一定吸能特性，并且相较于完整状态下变化不大，而在此冲击气压下，配比为1∶10的充填体粉末占比达到约80%,这表明灰砂比较高的充填体部分具有更稳固的...