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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

单体液压支柱工作面顶板事故的原因与防治

简要地介绍了安徽淮南某矿回采工作面发生的1起重大冒顶事故,从地质、技术、装备、管理以及认识等方面分析r事故发生的原因,并提出了防治顶板事故的6项措施。     

煤层小褶曲附近采动应力演化特征与瓦斯突出防治

为提高煤层小褶曲构造附近瓦斯突出灾害防治的针对性,以古汉山矿地质条件为背景,通过FLAC3D数值模拟方法开展了小褶曲附近采动应力场演化特征及对瓦斯灾害的影响规律研究。结果表明:工作面从背斜端或从向斜端揭露小褶曲过程中,小褶曲附近应力场大小呈现逐渐增大的变化特征,在揭露褶曲前应力增大至峰值状态;在揭露褶曲时刻,处于峰值状态的应力迅速降低,释放出大量的弹性能,迫使煤体产生剧烈位移,容易诱发瓦斯突出动力灾害。小褶曲附近高应力积累部位对现场瓦斯突出防治工作至关重要,可以在加强小褶曲探测的基础上,结合区域地应力场方向、构造产状特征、开采条件对煤层瓦斯突出的危险部位及发生时刻做出预测,从而制定出针对性的瓦斯突出防治措施。     

高压水射流卸压防治复合动力灾害机理及应用

为研究高压水射流卸压防治复合动力灾害的可行性,以余吾煤业高瓦斯矿井东翼采区内首采N2105工作面工程地质条件为背景,通过现场调研、理论分析、数值模拟和工业性试验等方法,对N2105进风平巷两帮采取高压水射流卸压防治效果进行了研究。结果表明:对巷帮煤体采取高压水射流卸压技术,煤体在高压水射流的冲击力和扰动应力波共同作用下瞬间发生破坏;巷帮侧支承应力分布曲线由原有的“单高峰值”转变为“内低外高双峰值”,受以上支承应力变化的影响,底板煤岩体内难以形成范围较大且连续的塑性应力状态区;现场电磁辐射和矿压监测结果表明高压水射流技术对煤层卸压增透效果显著,降低了巷道发生复合动力灾害的可能性。研究结果可为同类矿井复合动力灾害的防治提供参考和借鉴。     

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。     

国家自然科学基金重点项目

1 研究背景和意义 随着我国许多煤矿相继进入深部开采,深部高瓦斯压力、高地应力、低渗透性煤层及其围岩之间的耦合作用不断增强,煤岩瓦斯复合动力灾害日益加剧.迄今国内外学者对煤与瓦斯突出以及冲击地压机理的认识仍然处于半定量阶段,对于发生机理较为复杂的煤岩瓦斯复合动力灾害的认识更处于初步探讨阶段.这使得对煤岩瓦斯复合动力灾害的预测防控难度更大,而且,复合动力灾害一旦发生,其冲击动力会破坏井下设施,产生瓦斯逆流,甚至出现风流紊乱,如果对灾变控制不当,将会造成瓦斯爆炸等二次灾害的发生,对煤矿安全生产构成极大威胁.因此,研究煤岩瓦斯复合动力灾害的孕灾机制及灾变演化规律,构建科学防灾、控灾的理论基础,成为新灾害形式下煤矿安全领域的重大科学问题.基于此,本项目开展"深部煤岩瓦斯复合动力灾害孕灾机制—演化规律及防控基础研究",旨在对煤岩瓦斯复合动力灾害的孕灾机制、灾变演化规律、科学防灾和灾变控制基础理论开展科研攻关,保障深部煤炭安全高效开采.     

国家自然科学基金重点项目 “深部煤岩瓦斯复合动力灾害孕灾机制--演化规律及防控基础研究”(52130409)项目介绍

1研究背景和意义随着我国许多煤矿相继进入深部开采,深部高瓦斯压力、高地应力、低渗透性煤层及其围岩之间的耦合作用不断增强,煤岩瓦斯复合动力灾害日益加剧。迄今国内外学者对煤与瓦斯突出以及冲击地压机理的认识仍然处于半定量阶段,对于发生机理较为复杂的煤岩瓦斯复合动力灾害的认识更处于初步探讨阶段。     

基于微地震监测的华丰煤矿深孔爆破防冲技术

为提高深孔爆破措施对防治华丰煤矿冲击地压的有效性,采用微地震监测技术连续监测其1410工作面围岩破裂情况。根据采场附近岩层"破裂-应力"对应关系,得到工作面前方、侧向及垂直方向上的支承压力峰值区,由此确定深孔爆破卸压的具体参数。结果表明:卸压孔深40 m(倾向投影为4倍采高)时,爆破对煤岩的整体性破坏明显,煤岩体中积聚的弹性能得到释放。监测期间共释放能量9.47 MJ,高应力区向煤岩深部转移,采场附近形成一定的卸载区域,减弱或消除了煤岩体的冲击危险性。     

深部“三软”高应力软岩巷道卸压耦合支护技术

为解决杨河煤业高应力软岩巷道的支护问题,对杨河煤业深部软沿巷道变形破坏特征及原因进行分析,提出支架-锚杆-围岩卸压耦合支护技术,并结合42轨道下山试验巷道对耦合卸压支护技术参数进行阐述,通过矿压观测结果可知:42轨道下山在采用卸压耦合支护技术后,有效控制了巷道强烈变形。     

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。     

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。     

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。     

深部高应力煤层卸压开采相似材料模拟试验

处于深部开采且煤层位于轴部构造的矿井,巷道变形量大、变形速度快且持续时间长,巷道维护十分困难。卸压开采技术是控制矿山压力的有效手段。以大安山煤矿为工程背景,采用相似材料模拟进行卸压开采及非卸压开采两组模型对比试验,研究下保护层轴9煤层开采对被保护层轴10煤层的卸压效果,通过监测保护层开采过程中及开采稳定后轴10煤层卸压系数变化特征、岩层裂隙发育程度及变形情况来检验卸压效果。结果表明:卸压开采条件下,轴10煤层顶板应力普遍降低,峰值应力降低9.4%;岩层裂隙发育密度及煤岩层变形量大,岩层最大裂隙密度为14条/cm,上升16.7%;岩层最大下沉量为54.6 mm,上升21.6%,表明岩层受卸压作用,应力明显减小,弹性能释放程度较好,有利于减弱强矿压现象。     

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。