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主办单位:煤炭科学研究总院有限公司、中国煤炭学会学术期刊工作委员会

"煤矿深部开采煤岩动力灾害防控技术研究”专题

来源:《煤炭学报》2020年第5期

专题来源于2017年国家重点研发计划“煤矿深部开采煤岩动力灾害防控技术研究”。专题发表于《煤炭学报》2020年第5期。

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安全

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  • 作者(Author): 夏彬伟, 刘仕威, 欧昌楠, 高玉刚

    摘要:综放开采会形成有别于常规三轴压缩的应力路径,为研究综放采动状态下顶板岩体的力学特性,针对特定长度和角度的单裂隙砂岩,进行恒定卸围压同时变速率加轴压的加卸载三轴试验,以模拟综放开采过程中的应力路径,分析单裂隙砂岩的破坏形式,并用超声波实时测试,探究超声波特性和应力应变的关系以及裂纹演化规律。试验结果表明:①常规三轴应力路径下,不同长度单裂隙砂岩试件的破坏形式基本为拉-剪复合型破坏,不同角度单裂隙砂岩试件破坏形式包含纯剪切破坏、拉伸破坏、拉-剪复合破坏和X型共轭剪切破坏。加卸载三轴应力路径下,随着裂隙长度增加,破坏形式表现为拉-剪复合型破坏—“X”型非共面剪切破坏—“X”型共面剪切破坏,拉伸裂纹会被次生共面裂纹所替代;裂隙角度是裂隙起裂的诱因,不同角度裂隙砂岩试件破坏形式包含拉-剪复合型破坏、单剪切破坏、“X”型非共面剪切破坏;②P波波速能有效反映试件应力水平和细观结构。相较于常规三轴应力路径下整体上P波速度随轴向应变的增大先增大后减少,在加卸载三轴应力路径下,整体上P波速度随轴向应变的增大而增大,但增速随着应力水平的增加而减小;在试件达到屈服点时,试件密度达到最大值,表现为P波波速达到最大值;在试件达到峰值强度附近时,试件内部裂纹交叉和相互联合的现象加剧,表现为P波波速出现明显波动;裂隙长度增大,波速稳定段逐渐减小,裂隙角度增大,波速稳定段先增大后减小;③根据波速反映的裂纹宽度变化,常规三轴应力路径下裂纹演化阶段可分为裂纹压密阶段、裂纹发展阶段、裂纹稳定阶段和破坏后失稳阶段4个阶段,加卸载三轴应力路径下则分为裂纹压密阶段、裂纹稳定阶段和裂纹扩展阶段3个阶段,裂纹稳定阶段随裂隙长度增加整体上呈现减小趋势,裂隙角度对裂纹稳定阶段基本没有影响。
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    煤炭科学技术
    2022年第02期
    308
    912
  • 作者(Author): 袁亮, 齐庆新

    摘要:我国近年来煤矿安全状况持续好转,煤矿百万吨死亡率已从 2005 年的2. 711 下降到 2019 年的 0. 083,但煤矿冲击地压、煤与瓦斯突出及其复合灾害仍时有发生。 冲击地压、煤与瓦斯突出发生机理复杂,通常没有明显宏观前兆,难以准确预警。 同时,深部开采地应力明显增高,煤岩体物性、应力、瓦斯等因素发生显著变化,煤岩变形破坏呈现出典型的脆延转化、大变形和冲击性,开采覆岩扰动范围及动静载荷显著增大,矿井群联动致灾效应与大型地质体控制效应显现,冲击地压、煤与瓦斯突出灾害并存甚至相互转化。  为解决我国煤矿深部开采中的煤岩动力灾害问题,弄清冲击地压、煤与瓦斯突出及其复合灾害的发生机理和深部煤岩动力灾害孕灾条件与灾害转化机制,提升煤矿煤岩动力灾害风险监测、判识及预警能力,开发有效的深部煤岩动力灾害卸压防突解危技术与装备,实现煤矿煤岩动力灾害在线监测、智能判识和实时预警,控制煤矿深部开采煤岩动力灾害的发生,国家在“十三五”期间,分别于2016 年和 2017 年将“煤岩典型动力灾害风险判识及监控预警技术研究”和“煤矿深部开采煤岩动力灾害防控技术研究”列入国家重点研发计划项目。 其中,项目“煤矿典型动力灾害风险判识及监控预警技术研究”由中国矿业大学(北京)牵头,中煤科工集团重庆研究院有限公司、平安煤炭开采工程技术研究院有限责任公司、中国矿业大学等共 28 家单位参加,主要针对煤矿典型动力灾害多相多场耦合灾变孕育规律及演化机理、煤矿典型动力灾害多参量前兆智能判识预警理论、煤矿典型动力灾害前兆信息新型感知与多网融合传输方法、基于大数据与云技术煤矿典型动力灾害模态化预警理论及方法等 4 项重大科学问题和煤矿典型动力灾害多参量前兆信息智能判识预警模型与技术体系、煤矿典型动力灾害前兆信息采集传感与多网融合传输技术装备及方法、基于大数据与云技术的煤矿典型动力灾害预警方法与技术等 3 项关键技术问题,开展煤矿典型动力灾害灾变机理、判识预警方法、关键信息采集传感传输等研究,建立了可实现煤矿典型动力灾害多源海量动态信息远程在线传输、存储和多源信息挖掘的系统平台,实现了煤岩动力灾害的远程在线智能预警,并在 5 个典型煤岩动力灾害矿井进行了综合示范应用,取得良好的效果,项目已通过结题验收;项目“煤矿深部开采煤岩动力灾害防控技术研究”由煤炭科学技术研究院有限公司牵头,辽宁工程技术大学、重庆大学、天地科技股份有限公司等共 24 家单位参加,主要针对深部煤岩动力灾害孕灾条件和时空防控机制、深部开采复合煤岩动力灾害转化机制等 2项重大科学问题和深部煤岩动力灾害危险性区域精准探测技术、深部煤岩体原位改性与应力调控防冲技术、深部煤体卸压增透与时空抽采防突技术、深部复合煤岩动力灾害一体化防控技术等 4 项关键技术问题,正在开展深部煤岩动力灾害孕灾条件与防控机理、危险性区域快速探测与评价、防控技术与装备及工程示范等研究,以期构建深部煤岩动力灾害多尺度分源防控理论与技术体系,实现深部煤矿煤岩动力灾害防控基础理论—关键技术—应用示范的有机融合,防止煤矿深部开采煤岩动力灾害的发生,进行有效防控。 这两个项目,分别研究灾害的灾变机理与监测预警和灾害的防控,构成了对煤矿煤岩动力灾害研究的几乎全部内容。  本期前 19 篇论文集中报道了两个研究团队的部分、主要阶段性研究成果,主要包括含瓦斯煤岩体渗透变形破坏特性、煤岩冲击倾向性与冲击地压机理、煤岩动力灾害风险判识、煤岩动力灾害监测预警、井上下联合防突、冲击地压巷道支护、冲击地压分源防治等 7 个方面。 这些成果基本涵盖了煤岩动力灾害从发生机理、孕灾条件,监测预警方法与技术,到灾害防控技术与装备及工程实践,是系统性研究成果。 同时,因期刊版面限制,“煤矿深部开采煤岩动力灾害防控技术研究”项目的部分研究成果将在《煤炭学报》的增刊中发表。 希望本专题的刊出,能为从事煤矿煤岩动力灾害的科研人员、煤矿生产人员和煤矿安全监管人员提供参考,为煤矿煤岩动力灾害的有效预警与防控提供借鉴。  本专辑的出版,一方面得到了两个项目研究团队全体人员的积极努力和辛勤付出,另一方面也得到了业界相关审稿专家学者百忙中对论文的多次认真评审,感谢大家!
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    煤炭学报
    2020年第05期
    1499
    504
  • 作者(Author): 贾恒义, 王凯, 王益博, 孙绪坤

    摘要:煤与瓦斯突出综合假说明确了地应力、瓦斯及煤的物理力学性质对突出发生所起的主体作用。对比研究采动影响下型煤煤样和原煤煤样的渗透率响应特征,对于揭示两种煤样微细观结构损伤演化规律的异同、明确型煤煤样能否代替原煤煤样开展相关试验研究具有重要意义。以原煤煤样和型煤煤样为研究对象,采用自主研发的三轴煤岩渗透率试验系统,进行围压等幅循环加卸载渗流试验,研究渗透率对应力的响应特征。结果表明,两种煤样渗透率对应力的响应特征总体相似,但存在细节差异。① 对于2种煤样,渗透率随围压的增大而减小,随围压的减小而增大,且任一次加载过程的渗透率均大于该次卸载过程的渗透率。② 原煤煤样的渗透率在低围压阶段变化程度大,在高围压阶段变化程度小,而型煤煤样的渗透率在整个加卸载过程中几乎呈均等变化。③ 原煤煤样和型煤煤样的渗透率损害率Dk均随加卸载循环次数的增加和瓦斯压力的增加逐渐减小。④ 原煤煤样和型煤煤样的裂隙压缩系数cf整体上随加卸载次数的增加而减小,随瓦斯压力的增加而增大。⑤ 原煤煤样的渗透率随瓦斯压力的增加而增大,型煤煤样的渗透率随瓦斯压力的增加而减小。用型煤煤样来代替原煤煤样研究含瓦斯煤的渗流特征是可行的,而且在某些特定场合还具有一定的优越性,但同时也应该注意两种煤样渗透率对应力响应特征的细节差异,以及这些细节差异给试验结果的可靠性所带来的影响。
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    煤炭学报
    2020年第05期
    1176
    558
  • 作者(Author): 王洁, 潘一山, 齐庆新, 王爱文, 王洪英

    摘要:针对现有设备无法实现对冲击地压矿井防冲支架进行静-动复合动力冲击加载实验的问题,提出一种基于液压蓄能及快放原理实现大吨位快速静-动复合加载的动力冲击试验机设计方法。提出了加载试验机的结构组成及工作原理,设计了液压加载系统,并给出液压加载系统的工作原理。该试验机能够实现被压试件的准静态加载、动态加载和静-动复合加载。运用AMESim软件建立了液压加载系统的仿真模型,对其加载特性进行了仿真分析;提出了一种实现高压超大流量开关阀的新型结构,运用FULUNET软件对超大流量开关阀进行了结构优化与流场研究,确定了额定压力31.5 MPa,流量达到120 000 L/min的超大流量阀的结构参数;推导了防冲液压立柱的冲击波动方程及其定解条件;建立了液压动力加载系统的AMESim仿真模型,并进行了动力冲击仿真分析。根据理论分析结果完成了6 500 kN高速液压冲击实验机样机的研制,并对样机进行了实验测试。实验结果表明,该试验机最大冲击力为6 500 kN,最大冲击速度8.2 m/s,从静止到最大速度加速时间小于25 ms,超大流量开关阀的额定流量达到了121 179.8 L/min,开启时间小于15 ms。通过对实验样机的实验,验证了设计方案的正确性。
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    煤炭学报
    2020年第05期
    1585
    831
  • 作者(Author): 赵毅鑫, 周金龙, 刘文岗

    摘要:随着我国煤炭资源开采战略西移,西部部分矿井已进入深部开采阶段,邻空巷道冲击失稳频繁发生,严重威胁煤矿安全生产。以新街矿区红庆河煤矿为工程背景,综合运用现场调研、理论分析和数值模拟等方法对新街矿区深部开采邻空巷道受载特征及冲击失稳机制进行研究。建立了初次来压、充分采动阶段工作面前方邻空巷道动静载叠加力学模型;通过精细描述不同阶段静载及扰动动载,提出了基于采空区侧向静载、超前静载及扰动动载的邻空巷道“三载荷”动静叠加原理,并给出了发生冲击失稳的应力判据;揭示了邻空巷道围岩受“三载荷”叠加诱冲机制,即高应力、能量经巷道“顶—帮—底”传递,巷道围岩形成应力集中,能量积聚,达到煤岩体冲击失稳临界值时,诱发邻空巷道冲击失稳。针对工作面上覆厚硬岩层的邻空巷道冲击地压灾害,提出了“切断动载源、降低集中静载应力和恒阻大变形吸能锚杆锚固”的防治措施。研究结果表明:邻空工作面初次来压阶段相邻双工作面采空区顶板形成非对称“T”型结构,亚关键层Ⅰ破断,亚关键层Ⅱ未破断,工作面来压较缓和,邻空巷道围岩所受静载较大,扰动动载较小;周期来压(充分采动)阶段相邻双工作面采空区顶板形成对称“T”型结构,两组亚关键层均破断,邻空巷道围岩所受静载及扰动动载均较大,此时易诱发邻空巷道冲击失稳。
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    煤炭学报
    2020年第05期
    1278
    1301
  • 作者(Author): 齐庆新, 潘一山, 李海涛, 姜德义, 舒龙勇, 赵善坤, 张永将, 潘俊锋, 李宏艳, 潘鹏志

    摘要:煤岩层赋存条件决定了煤矿深部开采条件下煤岩动力灾害的发生机理更趋复杂、防控难度显著增大,如何解决煤矿深部开采煤岩动力灾害防控问题,直接影响我国煤矿的安全生产和能源的有效供给。针对“煤矿深部开采煤岩动力灾害防控技术研究”这一科学命题,基于冲击地压“三因素”机理和煤与瓦斯突出的综合作用假说,从煤岩动力灾害防控理论基础、关键技术和防控实践等3个方面,梳理澄清了煤矿煤岩动力灾害防控中的一些模糊概念,建立了用于统一描述冲击地压和煤与瓦斯突出发生机理的广义“三因素”(“物性因素”、“应力因素”及“结构因素”)理论,确定了我国煤矿典型冲击地压的4种类型(煤层材料失稳型、煤层结构失稳型、顶板断裂型、断层滑移错动型),分析了影响冲击地压和煤与瓦斯突出的主要因素,从思想认知、原则方法及技术核心等方面凝练了煤岩动力灾害多尺度分源防控技术,提出了深部开采冲击地压巷道“3级”吸能支护思想与成套技术,开发了煤与瓦斯突出井上下联合抽采防控技术和超高压水射流“横切纵断”防治复合煤岩动力灾害技术,并在现场开展了应用试验。煤矿深部开采煤岩动力灾害防控理论与关键技术的建立与完善,为我国今后煤矿煤岩动力灾害的防治提供了科学依据。
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    煤炭学报
    2020年第05期
    1819
    1083
  • 作者(Author): 袁亮

    摘要:围绕拟解决的重大科学问题“煤矿典型动力灾害风险判识及监控预警技术研究”,以煤与瓦斯突出、冲击地压等典型煤矿动力灾害为研究对象,鉴于煤矿典型动力灾害诱发机理不清、风险判识不明、监控预警技术不足等现状。通过研究:① 冲击地压孕育机理与风险判识及监测预警;② 煤与瓦斯突出灾变机理及监测预警;③ 煤矿典型动力灾害信号采集传输和智能化分析;④ 煤矿典型动力灾害监控预警系统平台等4项内容,开发了大尺度、真三维、全封闭自动开挖煤与瓦斯突出物理模拟实验装置,研制了包括光纤光栅微震传感、三轴应力传感、分布式多点激光甲烷检测等在内的动力灾害前兆信息新型感知与多网融合传输传感装置,建立了井下传感器数据的多元海量动态信息的聚合理论与方法,构建了基于漂移特征的潜在煤矿典型动力灾害预测方法与多粒度知识挖掘方法,形成了基于大数据分析和数据挖掘的煤矿动力灾害风险判识和监控预警模型。通过现场实践,表明能实现全面采集人机环参数,且采集传感器具有故障自诊断、响应时间短、标校周期长等优点。监控预警系统稳定运行无故障率达到了99%,抗干扰等级不低于3级,系统监控预警准确率大于90%,实现了煤矿典型动力灾害隐患在线监测、智能判识、实时预警。
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    煤炭学报
    2020年第05期
    1651
    1242
  • 作者(Author): 潘一山, 齐庆新, 王爱文, 肖永惠, 陈建强, 吕祥锋, 徐连满, 代连朋

    摘要:建立了冲击地压巷道“应力-围岩-支护”力学模型,得到了考虑巷道支护作用下冲击地压启动应力条件为远场应力大于临界应力,停止的能量条件为近场围岩吸收能量和支护吸收能量大于远场释放能量。基于巷道围岩与支护体动力响应分析发现,冲击地压发生过程中围岩阻尼特性、锚固岩体的抗冲击吸能特性及巷内支护体的阻尼及刚度对冲击载荷作用下巷道围岩的稳定性具有重要影响。提出巷道冲击地压防冲支护应从静-动力学两个角度,同时考虑“启动—破坏—停止”全过程。① 在冲击启动前,依据冲击启动的应力条件降低煤体应力,减少弹性能积聚,提高支护阻力,增加启动难度;② 依据冲击停止的能量条件,在冲击过程中,通过改变煤岩体结构与介质属性,吸收或消耗冲击能;③ 在冲击应力波传播的末端,通过提高巷内支护结构阻尼吸收剩余冲击能,减弱冲击应力波对巷道支护结构的破坏。提出冲击地压巷道支护结构应具有让压可缩与吸能特性,防冲支护应根据冲击地压能量特性进行分级设计。研发了吸能锚杆索、吸能O型棚、吸能液压支架等吸能支护装备,利用吸能构件的结合及功能互补特性建立了三级吸能支护体系,三级吸能支护系统具有径向让位、环向可缩以及轴向稳定特性,实现了冲击地压巷道三维立体吸能支护。
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    煤炭学报
    2020年第05期
    1542
    967

主办单位:煤炭科学研究总院有限公司 中国煤炭学会学术期刊工作委员会

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