主办单位:煤炭科学研究总院出版传媒集团、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

冲击地压最新研究成果(2020年5月)

来源:煤炭学报 煤炭科学技术

近日,山西省出台《山西省科学确定灾害严重矿井生产能力防范和遏制煤矿重特大事故工作方案》,决定从即日起至2020年7月,科学确定正常生产的冲击地压矿井和煤与瓦斯突出矿井开采强度,重新确定以上“两类”煤矿的生产能力,并对违规核增产能项目进行清理。

为了向冲击地压领域科研人员报道领域最新研究进展,特整理《煤炭学报》《煤炭科学技术》2020年以来冲击地压防治领域最新成果。

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  • 作者(Author): 刘金海, 姜福兴, 朱斯陶, 李昊, 朱权洁

    摘要:煤矿冲击地压发生过程可描述为外部力源驱动围岩结构失稳或系统平衡状态突变。冲击地压发生过程中,应力起着重要作用。根据主控性应力来源或类型可得到我国煤矿冲击地压的区域性特点。其中,深厚表土地层控制型冲击地压属于巨野矿区特有的冲击地压类型,其显现特征与地层结构具有密切的关联性。针对此类冲击地压,通过案例与现场监测数据分析,探讨了典型深厚表土煤层冲击地压特征,结合煤层应力演化分析,表征了深厚表土煤层瞬时冲击和延时冲击过程,最后通过相似材料模拟试验揭示了煤层应力演化与覆岩运动、地层变形之间的关系,并对典型深厚表土煤层冲击地压模式进行了验证。研究表明:覆岩整体失稳促使煤层应力快速达到冲击地压临界应力,发生大能量冲击地压,表土层持续变形和移动促使煤层应力缓慢达到冲击地压临界应力,再次发生冲击地压;离层发育高度与回采距离有关,但具有明显的“平台效应”,煤层应力演化与离层发育有关,但相对于回采距离具有明显的滞后性;瞬时冲击地压加载机理为“覆岩结构运动→煤层应力演化→冲击地压”,延时冲击地压加载机理为“地层变形→煤层应力增长→冲击地压”;最后,提出了深厚表土煤层冲击地压监测对策。研究结果可为深厚表土煤层冲击地压预测与防治提供理论基础。
  • 作者(Author): 窦林名, 王盛川, 巩思园, 蔡武, 李小林

    摘要:针对制约煤矿安全高效生产愈发严重的冲击矿压问题,为提高冲击矿压监测预警的准确性及针对性,紧跟监测预警技术朝着区域化、连续在线化、智能网络化的发展趋势,基于GIS技术、云技术、采矿地球物理等技术,搭建了集成微震、应力、钻屑等多种监测手段的冲击矿压风险智能判识与多参量监测预警云平台。该平台由硬件、平台支持软件及云技术三个部分组成,采集并以标准化格式存储上传至云服务器,利用内嵌于平台的风险判识模式及危险等级预警准则,判定所评价区域危险状态,通过选取冲击变形能、时序集中度、时空扩散性等13个监测预警指标并利用F-score法对不同冲击危险程度的指标赋予动态权重,根据各指标与震动、应力、能量间的关系,建立了多场多参量综合预警体系,克服了单一监测指标预警效能较低弊端,实现了由点、局部、单参量监测至区域多场多参量综合预警的转变;同时通过监测数据的信息化与防治措施信息化的融合,将现场监测、防治信息通过“一张图”的形式实时预警,在预警冲击危险性的同时指导现场对高危区域加强卸压解危,同时根据解危效果反馈预警信息准确性,做到了监防互馈,该平台在山东古城煤矿等13个矿井成功运用。
  • 作者(Author): 刘崇岩, 赵光明, 许文松, 孟祥瑞

    摘要:为了研究岩爆灾害的发生过程及其时空演化规律,通过含圆孔花岗岩试件进行不同侧向载荷下的岩爆模拟试验,利用微型摄像机、声发射(AE)系统和红外热像仪等监测系统,分析岩爆过程中的声发射时序、时频、时空特征及热成像温度运移规律。研究结果表明:孔洞的岩爆可分为平静期、颗粒弹射期、稳定破坏期、全面崩塌期四个阶段,岩爆试验演化过程及结果与工程现场相符,围岩曲屈破坏时;随着侧向载荷的升高,孔洞在平静期积累的弹性应变能增加,颗粒弹射期能量释放率增大,岩爆进程加快,稳定破坏期持续时间先增加后减小,侧向载荷的增大对孔洞的承载能力起到先增强后弱化的效果;声发射振铃计数率的平静期可作为孔洞全面崩塌的前兆信号,围岩屈曲破坏前定位点开始局部集中,孔洞坍塌后定位点集中条带与试件主破裂面基本吻合,形成以圆孔为中心的“X”型共轭剪切破裂,稳定破坏期较颗粒弹射期低频比例增加,高频比例降低,低侧向载荷时破坏以中高频为主,高侧向载荷时破坏以中频为主;应力集中促使围岩红外温度场整体温度逐渐升高,呈现高温区嵌套低温条带的特点,岩爆时高温区由表面浅部向深部运移,在孔洞整体失稳坍塌前,岩爆坑温度急剧上升;研究结果可对实际工程中岩爆的预测与控制提供借鉴和参考。
  • 作者(Author): 陈国祥, 郭兵兵, 镐振

    摘要:针对高静载巷道蠕变型冲击地压现象,研究弹性区煤岩加速蠕变对巷道冲击的影响。基于等时应力应变曲线与全应力应变曲线的关系,得到了煤岩加速蠕变破坏的时效力学参数。通过分析巷道弹性区煤岩加速蠕变过程及其条件,并考虑围岩塑性区强度的应变软化,推导出圆形巷道围岩蠕变塑性区应力场。在此基础上,借鉴冲击地压扰动响应判别准则理论的思想,探讨了巷道围岩加速蠕变影响下的冲击启动机制,给出了冲击启动临界条件的解析解,分析了支护力和等时应力-应变曲线的割线模量比Mt对冲击临界条件的影响。结果表明:高地应力、初次支护的低支护力和煤的低单轴长期强度为巷道弹性区煤岩产生加速蠕变提供了有利条件,加速蠕变导致冲击启动通过弹性区煤岩强度的时效劣化实现;巷道所处地应力越高,弹性区煤岩只需历经较小的强度劣化,就可冲击启动;加速蠕变影响下,增大支护力对抑制冲击发生有促进作用,表现在支护力越高,弹性区煤岩需历经较大的强度劣化才可冲击启动,且启动时围岩内峰值应力较低、塑性区阻抗较大;煤岩单轴压缩峰后与峰前模量比λ/E0是巷道弹性区煤岩产生加速蠕变的非影响因素,但其是巷道冲击启动的重要影响因素,即巷道弹性区煤岩产生加速蠕变的临界地应力判据与λ/E0无关,λ/E0越小弹性区煤岩需历经更大程度的强度劣化才可冲击启动;抑制巷道蠕变冲击的核心在于控制弹性区煤岩不满足产生加速蠕变的条件。
  • 作者(Author): 姚明远, 马伟, 曹丽娜, 张国锋, 姜峰

    摘要:为了研究地音监测技术在预测煤矿冲击地压的地音信号特点,借助于冲击启动理论,提出了根据不同的冲击启动及冲击显现的位置,将地音预警信号划分为三种类型,并结合力源载荷情况,对三种类型进行细化,重点研究了第一种类型下的集中动载荷型地音信号特点,利用KJ623煤矿用冲击地压地音监测系统的监测数据,分析了新疆某煤矿450B3+6工作面、甘肃某煤矿47208工作面的地音信号特点。研究结果表明:在第一种预警类型集中动载荷下,当地音能量和频次稳定在正常数值周围时,工作面处于安全状态;当数值突然升高至一异常数值(能量:约20 000 /min,频次:约40 /min),且持续较长时间(一般大于8 h)时,工作面处于危险状态。研究为符合条件的顶板型、断层型等冲击地压类型的地音监测预警提供了参考。
  • 作者(Author): 买巧利, 吴学松, 丁超, 陆祖军

    摘要:为了提高回采工作面高应力区防冲卸压效率和效果,针对煤层注水、煤体钻孔卸压、爆破卸压等传统卸压方法存在的应用缺陷,提出了运用高压水力顺层钻割技术对综放工作面冲击地压显现危险区域进行提前卸压处理方法,从理论上分析了该技术的卸压原理和可行性,在现场进行了实践应用,并用数值模拟和电磁辐射方法对卸压效果进行验证,结果表明:(1)高压水力顺层钻割技术钻孔沿工作面倾向顺煤层层理布置,以压力高于30MPa高度聚能的水射流束切割破碎煤体,形成卸压空间,同时浸润弱化煤体,钻孔由内而外形成破裂区、塑性区、弹性区,并随着塑性区及破裂区煤体变形量的不断的增加,塑性区及破裂区煤体变形、垮落,积聚的弹性能得到释放,煤岩体中的静载荷σs降低,消除冲击地压发生条件,防止冲击地压发生。(2)高压水力顺层钻割技术钻割时采用定点与反复动态相结合钻割方式,钻杆轴向与径向运动相结合,既保证钻进稳定性,又可形成多段圆盘状卸压空间和连续卸压孔洞,在煤层内可形成半径为300mm-400mm的卸压空间,出煤量可达2t-3.5t。(3)数值模拟结果显示,采用高压水力顺层钻割技术卸压后煤体内部应力值平均降幅达68.6%,电磁辐射现场监测钻孔施工前、后平均幅达60.92%,实施后巷帮应力降低区明显扩大,煤体内部应力值显著降低,卸压效果良好。 
  • 作者(Author): 罗浩, 于靖康, 潘一山, 王俊陆, 张寅

    摘要:为探究含瓦斯冲击倾向性煤体加载破坏过程电荷感应规律及机理,应用自主研制的煤岩电荷监测系统,开展了含瓦斯冲击倾向性煤体加载破坏全过程电荷监测试验。试验结果表明:无瓦斯作用下随着煤的冲击倾向性降低,煤体电荷信号峰值降低,累积电荷事件数减少,单位时间电荷事件数降低,电荷信号向煤体峰值强度后转移;瓦斯作用下,随着瓦斯压力升高,煤的冲击倾向性降低,煤体电荷信号峰值降低,累积电荷事件数和单位时间电荷事件数与瓦斯压力无明显线性关系。研究发现瓦斯作用下冲击倾向性煤体电荷信号呈现“矩形波”特征,信号主频介于200Hz以下,随着瓦斯压力升高,主频信号分量幅值逐渐降低。从煤体内部微裂纹滑移分离和瓦斯运移携带颗粒运动产生自由电荷角度,提出了含瓦斯冲击倾向煤体破坏自由电荷产生机理,一方面,煤体裂纹面附近界面势能超过煤岩界面标准接触界面势垒,导致不同属性带电粒子向不同方向移动,解释了应力突变造成裂纹加速扩展导致电荷信号呈现脉冲簇现象;另一方面,煤岩内部孔隙贯通,瓦斯气体因压力差而流动,Stern-Gouy双电层结构产生流动电荷,流动电荷对煤岩破坏电荷信号贡献附加量,解释了含瓦斯冲击倾向性煤体电荷信号似“矩形波”特征。研究成果对冲击地压瓦斯突出复合灾害电荷感应法监测预警提供了基础。
  • 作者(Author): 窦林名, 阚吉亮, 李许伟, 齐燕军, 白金正, 刘明洪

    摘要:断顶爆破在坚硬顶板条件下的冲击矿压灾害防治中应用广泛。基于动静载叠加原理,理论分析了断顶爆破防治冲击矿压的作用机制,在对冲击危险预评估和冲击危险动态演化特点分析的基础上,揭示了冲击危险具有分时、分区和分级的“三分”特征,建立了分时、分区、分级断顶爆破防治冲击矿压技术体系,应用于坚硬顶板型冲击矿压防治工程实践,并通过采取理论计算、钻屑监测和微震监测手段进行断顶爆破效果评价。结果表明:爆破后形成的裂隙区贯通为连续的弱面是控制冲击矿压最重要的区域,断顶爆破能够减弱由于顶板瞬间破断或垮落释放的动载强度,降低上覆悬顶施加在煤体内的静载强度并促使煤体峰值应力向工作面前方转移,达到降低冲击矿压危险的目的;依据揭示的冲击危险分时、分区、分级的“三分”特征,建立了“开切眼倾向断顶爆破、临空煤柱侧走向断顶爆破、工作面内超前预裂爆破和及时解危断顶爆破”的分时分区分级断顶爆破防治冲击矿压技术体系,相应进行了断顶效果评价,其中开切眼倾向断顶爆破后工作面初次来压和周期来压阶段顶板聚集的能量分别降低72%和76%;临空煤柱侧断顶爆破后煤柱内钻屑值下降0.55 kg/m;工作面内预裂爆破区域在回采期间出现微震总能量、单日最大能量均明显降低,微震频次显著增加的整体规律,验证了分时分区分级断顶爆破技术体系对防治冲击矿压的有效性。

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