平顶山东部矿区地应力场特征及其对煤与瓦斯突出的影响

为了研究平顶山东部矿区地应力场特征,以及地应力对煤与瓦斯突出的影响,利用地应力实测资料,运用理论分析和数理统计计算相结合的方法,系统研究了东部矿区地应力的分布规律;并且进行了地应力区块划分,揭示了东部矿区地应力在突出中的作用。结果表明:1)东部矿区地应力场以水平构造应力为主,最大主应力方向为NEE-SWW向,最大水平主应力百米梯度为5.4 MPa左右,该区域内集聚了较高的水平构造应力,应力场类型为大地动力场;2)依据最大水平主应力随埋深增加而增大的应力梯度线,将东部矿区划分为应力升高区和应力梯度区;3)应力升高区由于地应力集中,提供了突出的动力,构造煤的发育则减少了突出阻力,造成了该区域频繁发生突出事故,突出的主导因素为地应力。     

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。     

同忻井田地应力测量与回采巷道稳定性研究

为保证同忻煤矿安全、高效开采,采用应力解除法对大同矿区同忻井田3-5#煤层的地应力场进行了测量,结合理论分析、数值模拟与现场监测,分析了在该类型应力场中不同巷道布置方向与巷道围岩稳定性之间的关系。测得同忻井田最大主应力为20.42 MPa,方位角为245.18°,确定了同忻井田地应力场属于σHv型。理论计算和数值模拟的结果表明,有利于回采巷道稳定性的布置方向为与最大水平主应力方向成30°,并采用巷道顶板离层监测仪对其进行了验证。     

煤层底板卸荷扰动断裂机制宏细观研究

基于断裂力学和重整化群理论,采用综合研究方法,从宏细观角度对开采扰动底板损伤岩层动态失稳机理进行了研究。结果表明,煤层回采后,底板岩层存在高应力束组成的主应力拱,最大主应力大小决定裂纹的起裂与扩展,裂纹的生长路径受控于最大主应力的方向。采场高支承压力引起岩层原始裂纹起裂,宏观上表现为底板岩层的预先剪切随机破坏;近场区域最大主应力场部分偏转,引起底板岩层中垂直应力显著降低、浅部水平应力急剧增加和斜向采空区方向产生高剪应力,迫使裂隙在原有扩展长度基础上进一步生长;工作面继续推进,采空区内底板岩层水平方向上压缩和竖向膨胀引起岩层拉破坏,当底板岩层损伤发展到临近损伤值时,极小范围的扰动被强烈放大,底板岩层由随机破坏转为"雪崩"式宏观断裂。     

煤矿现代构造应力场最大主应力方向判定方法

现代构造应力场最大主应力方向不仅是影响煤矿巷道稳定性的主要因素,也是煤层瓦斯抽采钻孔优化设计依据的重要参数。运用FLAC~(3D)有限差分数值模拟方法,分析了不同侧压系数下巷道塑性区分布规律,揭示了巷道变形破坏特征与原岩应力场的密切相关性,提出了通过观测多条巷道变形破坏特征综合判定煤矿现代构造应力场最大主应力方向的方法。古汉山煤矿实际应用表明,该方法简单实用,预测结果可靠,具有现行应力测量技术无法替代的优点。     

基于矩形巷道应力特征点的空间数据分析

为得出矩形巷道围岩应力空间分布特征,将复变函数理论推导得出的曲线坐标应力分量转换为巷道所在平面的直角坐标应力分量,采用Matlab软件对巷道应力特征点的空间数据进行分析,得出了巷道围岩应力场分布直观图。并考虑了侧压系数、高宽比及巷道断面尺寸等对围岩应力场的影响,结果表明,应力峰值随侧压系数的增大而增大。应力峰值出现在矩形巷道的四角上,与侧压系数、高宽比、巷道断面面积无关。侧压系数大于1时,顶底板水平应力和最大主应力均随侧压系数增大而增大,两帮垂直应力随侧压系数增大而减小;垂直应力峰值、两帮垂直应力随高宽比增加而减小,顶底板的水平应力和最大主应力随高宽比增加而增加。围岩应力变化规律与巷道断面面积无关。     

空心包体在郓城煤矿中地应力测试的应用

简述了空心包体地应力测试方法测试原理和计算方法,在山东郓城煤矿一采区轨道下山和辅助石门等4个位置进行了地应力实测。测试位置埋深-815～-845 m。测试结果表明,最大主应力为水平地应力,方向为NE81.65°～97.68°,水平应力与竖直应力比为1.32～1.37,最大水平应力达到30.28～38.21 MPa,表明郓城煤矿一采区处于高应力地区。采区巷道布置应沿着NE方向水平布置,能够有效地回避水平构造应力的影响。在巷道支护设计中应主要考虑水平应力。通过地应力实测,为郓城煤矿提供了一采区地应力分布规律,为一采区巷道布置和巷道支护设计提供了基础地质资料。     

不同冲击方向下高压气体致裂岩石特征试验

为探索含瓦斯煤层增透性,提高抽采率,利用自主研制的真三轴高压气体冲击致裂岩石试验系统,开展不同冲击方向下高压气体致裂试验,试验变量为气体冲击方向与最大水平主应力的夹角,在三向应力的作用下开展高压气体冲击试验,得到冲击方向与最大水平主应力呈现0、30、45、60和90°夹角时岩石破裂形态及声发射响应。结果表明：高压气体冲击致裂岩石过程呈现5个显著阶段,即冲击起裂阶段、气压上升阶段、裂缝扩展阶段、气压稳定阶段和压力衰减阶段;高压气体冲击产生垂直裂缝和水平裂缝,射流角度增加后,垂直裂缝出现偏转,且偏转角度逐渐变大,裂缝偏转点也逐渐远离钻孔,水平断裂面呈现中间低四周高的形态;气体峰值压力随着射流方向与最大主应力的角度增加而增加,从0～90°峰值压力呈线性增长;分析声发射信号发现,岩石冲击破坏以张拉破坏为主、剪切破坏为辅,但随着射流角度增加,逐渐转变为剪切破坏为主的拉-剪复合破坏。     

阜新盆地地形对地应力场的影响研究

为了探讨隆起地形对阜新盆地内地应力场的影响,利用半无限平面边界上受分布荷载作用的弹性力学模型计算了阜新盆地两侧的闾山山脉和松岭山脉对盆地内地应力场的影响。结果表明,隆起地形导致阜新盆地内部水平应力增加,在地表至-100 m深度,地形引起的水平应力随深度增加而急剧减小,在近地表处达到了2.81 MPa,在-100 m深度约为1.73 MPa;在-100~-300 m,水平应力随深度增加变化不大,总体维持在1.65~1.73 MPa;随着深度的进一步增加,水平应力又有逐步减小的趋势,在-300~-800 m,水平应力逐步从1.65 MPa逐步减小至1.43 MPa。隆起地形的水平应力效应使盆地内部最大主应力增加,最大主应力与最小主应力之差更为显著,从而造成煤岩体受强烈的构造应力和差异应力作用,增强了煤岩动力灾害的地质动力环境。     

基于Mogi-Coulomb强度准则的井壁稳定性力学分析新方法*

传统井壁坍塌失稳分析模型是基于M-C破坏准则而建立的,该方法忽略了中间主应力对岩石强度的影响,常使得预测的钻井液密度过于保守。为此,引入考虑中间主应力的Mg-C破坏准则建立任意井眼的井壁稳定性评价新模型,通过数值模拟法分析了不同地应力状态下的井斜角和方位角对井壁稳定性的影响。研究结果表明: Mg-C准则克服了M-C准则忽略中间主应力低估岩石强度的影响,其计算结果略低于M-C准则的计算结果,有助于提高钻速,降低钻井成本;正断层地应力状态时,沿最小水平主应力方向钻进时,井壁稳定性最好;走滑断层地应力状态时,沿最大与最小水平主应力之间的某一临界角钻进时井壁最稳定;逆断层地应力状态时,沿最大水平主应力方向钻进时井壁最稳定;该模型有助于指导现场钻井井眼轨迹的优化设计及安全施工。     

世界主要产煤国家煤矿安全生产现状及发展趋势

通过对近20年世界煤炭产量进行统计,分析世界煤炭产量变化趋势,表明世界煤炭产量近年来呈明显增长态势,其中十大产煤国家的产量占到了世界总产量的88.7%。选择美国、印度、俄罗斯、南非、波兰和乌克兰等6个世界主要产煤国家进行煤矿安全生产状况的统计、分析和研究,总结世界主要产煤国家煤矿安全发展趋势。研究表明:20世纪70年代以来,世界各主要产煤国家的煤矿安全状况都有不同程度的改善,事故死亡人数不断降低。总体来看,世界主要产煤国家的煤矿安全生产状况发展并不均衡,发达国家好于发展中国家。发达国家通过建立和完善煤矿安全法律法规、监管监察、科技支撑和教育培训四大体系实现了煤矿安全状况的显著改善。     

模糊神经网络在新庄孜矿立井井筒揭煤中的应用

立井掘进穿过煤层时,模糊神经网络能够提取、捕捉隐藏在大量历史数据中的规律,将模糊数学与神经网络紧密地结合起来,建立模糊神经网络预测系统,为煤与瓦斯突出区域危险性预测提供了一种新的思路和方法。     

软分层对煤层厚度及煤与瓦斯突出影响的研究

煤与瓦斯突出是影响煤矿安全生产的主要因素之一,具有软分层特征的构造煤其突出的可能性更大,在防治煤与瓦斯突出时应尤为重视。根据现场的勘探资料及揭煤时的煤层情况,结合对个别案例的研究,分析了主要地质构造与沉积环境对煤层厚度的影响,并初步建立了煤层厚度预测的理论模型,同时简要分析了软分层的发育对煤与瓦斯突出的影响,对煤层厚度的预测和防突工作具有一定的指导意义。     

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。     

煤层注水防治煤与瓦斯突出机理的研究现状与进展

为了深入研究煤层注水的防突机理,在对国内外煤层注水防治煤与瓦斯突出机理研究的基础上,综述煤层注水影响煤体力学性质、采场应力分布及煤体瓦斯解吸特性3方面的研究现状;进而分析我国在煤层注水防突机理研究方面存在的问题,提出当前应急需解决注水对煤体瓦斯的抑制解吸效应问题。笔者认为:确定抑制解吸效应考察、煤体孔隙特性变化及注水煤样吸附解吸甲烷特性等课题的研究是深入探讨的方向,研究成果为进一步认识煤层注水的防突机理提供理论依据。     

石门揭煤过程中煤与瓦斯延时突出及防治技术研究

在综述煤与瓦斯延时突出机理及其影响因素的基础上,详细地分析石门揭煤过程中煤与瓦斯延时突出时各种因素在延时突出中的作用,并从空间和时间的角度,对石门揭煤过程中巷道煤与瓦斯延时突出整个过程进行详细描述。根据掘进工作面附近暴露煤体的"三区"分布规律及其与延时突出的关系;提出先采用钻孔抽放石门突出煤层瓦斯等措施分阶段释放煤与瓦斯突出动力源;再用注液冻结技术增强揭开煤体的强度、增加集中应力区和卸压区的长度来防止被揭开煤体发生流变而导致延时突出的防突技术;以及在揭煤后采取迅速支护防止空顶和冒落等防治措施。研究成果为开发技术可行、经济合理的快速安全揭煤技术提供理论基础。     

煤尘与矿井特大爆炸伤亡事故的关系

为了阐明煤尘爆炸或煤尘参与爆炸的严重危害,在分析了煤尘爆炸与瓦斯爆炸各自特点的基础上,通过对近年来我国瓦斯、煤尘爆炸事故的情况分析,特别是对典型的重大恶性瓦斯煤尘爆炸事故的分析,指出煤尘对煤矿发生重大恶性爆炸事故的影响,并说明了沉积煤尘防治对控制重大瓦斯煤尘爆炸事故的作用。     

煤矿行业的职业危害预防

煤矿职业危害容易发生的根本原因是企业硬件和软件基础工作的不足,施工周期长、施工条件恶劣、危害因素接触较为频繁、风险发生几率大、伤害结果严重、作业人员素质相对较低等诸多因素。     

平煤集团煤与瓦斯突出强度预测的模糊综合评判

依据平煤集团历年煤与瓦斯突出事例的统计数据,应用7±2心理极限概念,合理选定模糊评判因素集,采用层次分析法确定各因素对突出强度的贡献度权重;采用定性数据定量化理论建立了各因素隶属于大型突出、中型突出和小型突出的隶属度;采用二级模糊综合评判方法和“加权平均型”评判数学模型,在国内外首次建立了煤与瓦斯突出强度预测模糊综合评判方法,按最大隶属度判别准则实现对突出强度的定量预测。对平煤集团91次突出事例突出强度预测验证表明,验证正确率为94 .5 % ,说明提出的煤与瓦斯突出强度预测方法在技术上是可行的,对突出矿井煤与瓦斯突出预测具有重要的指导意义。     

煤矿粉尘监测与矿尘成分分析

目的: 监测煤矿井下粉尘浓度,评价煤矿粉尘危害水平;分析煤尘的组成成份,为探讨粉尘性职业损害机制提供依据.方法: 运用粉尘采样器采集煤尘,计算作业场所瞬时总粉尘浓度(PC-STEL)和时间加权平均呼吸性粉尘浓度(PC-TWA).运用焦磷酸质量法测定煤矿粉尘中游离二氧化硅含量.原子吸收光谱法,测定粉尘中主要金属与类金属元素含量.结果: (1)甲、乙两矿PC-STEL分别为13.61±17.65 mg/m3、39.35±148.10 mg/m3,超过国家标准,样本超标率分别为52.9%、55.8%;PC-TWA分别为3.20±8.42 mg/m3、2.15±2.07 mg/m3,超标率分别17.5%和30.2%.(2) 游离二氧化硅含量为9.60 mg/m3,甲矿显著高于乙矿#(P<0.05),岩巷作业显著高于其它各组(P<0.05).(3)粉尘中Ni、Pb、Mn、As、Cd、Fe、Ca、Mg、Zn、Cu等金属与类金属元素的含量分别为16.2±6.5μg/g、50.6±36.1μg/g、103.4±54.7μg/g、37.5±44.4μg/g、235.9±292.4ng/ml、6224.6±4295.5μg/g、12715.8±26930.8μg/g、919.7±915.4μg/g、656.7±774.5μg/g和28.2±12.8μg/g;不同煤矿粉尘中金属与类金属元素的含量显著不同,同一煤矿不同采样点(工种)间亦有显著差异.结论: 煤矿作业场所粉尘污染仍比较严重,应进一步完善防、降尘体系;10种金属与类金属元素的含量占总粉尘的2.1%.