“煤岩典型动力灾害风险判识及监控预警技术研究”专题

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“煤岩典型动力灾害风险判识及监控预警技术研究”专题

来源：《煤炭学报》2020年第5期

来源于2016年立项的国家重点研发计划“煤岩典型动力灾害风险判识及监控预警技术研究”。专题发表于《煤炭学报》2020年第5期。

行业视野: 安全
类别; 83个
关键词; 89位
专家; 19篇
论文; 27329IP
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煤与瓦斯突出危险精准辨识理论方法与技术探索

作者(Author)：舒龙勇, 朱南南, 陈结, 安赛, 张慧杰

摘要：针对我国煤与瓦斯突出频发、突出事故呈现新特征、突出预测方法和指标体系有待完善等现实问题，为了更好地指导突出预测与防治工作，以煤与瓦斯突出关键结构体致灾机理为指导，基于突出发生位置必须具备特殊的地质结构环境这一基本认识，提出了煤与瓦斯突出危险“层层递进-精准辨识”的理论方法，具体包括3个层次:采用物探和钻探相结合的手段，超前探测采掘工作面周围存在的异常地质结构;采用微震和瓦斯涌出实时监测相结合的方法，动态分析采掘扰动条件下采掘工作面前方煤体结构、地应力和瓦斯大小变化特征;采用随钻测定相关特征参数和预测指标的方法，进一步验证超前探测和实时监测的辨识结果。探索性工程试验表明:“超前探测地质结构异常-实时监测煤体突出危险性-随钻测定煤层瓦斯大小”相结合的突出危险辨识技术能够综合反映采掘工作面周围地质结构、煤体结构、地应力和瓦斯大小变化特征，促进了突出预测工作由点预测向面预测、由间断式向连续式、由接触式向接触-非接触式相结合的转变。通过进一步发展物探和钻探相结合的精细探测技术，引入大数据分析和机器学习算法等训练综合判识模型，开发以“超前探测异常地质结构，实时监测采掘工作面微震信号和瓦斯涌出时序变化特征，随钻测定各种特征参数和预测指标”为核心的综合预警系统，实现突出灾害多元信息综合监测与智能预警，更好地服务于煤与瓦斯突出防治工作。

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煤炭学报

2020年第05期

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基于临界应力指数法巷道冲击地压危险性评价

作者(Author)：王爱文, 潘一山, 王岗, 代连朋, 陈建强, 施天威, 吕祥锋, 蔡荣宦

摘要：冲击危险性评价的目的是确定待采掘区域的冲击地压危险等级及范围，是冲击地压防治工作的基础。建立了“应力-围岩-支护”巷道冲击地压力学模型，发现了巷道冲击地压发生的临界应力、临界阻力区深度与煤体单轴抗压强度、巷道支护强度、巷道几何参数以及冲击能指数4者之间的内在关系。冲击能指数直接影响巷道围岩系统结构失稳的临界应力与临界阻力区的大小，阻力区深度增加导致冲击地压发生的临界载荷增加，实际阻力区深度与应力环境是影响冲击地压发生的重要因素。给出了考虑了煤体的实际应力环境、煤体冲击倾向性、巷道结构属性及实际围岩状态4个因素的临界应力指数计算方法。提出采用临界应力指数评价巷道冲击地压危险性的方法，将相似条件下已经发生过冲击地压区域的临界应力指数，作为待评价区域的冲击地压发生指标Kfcr，把临界应力指数在[0,Kfcr]区间以0.25Kfcr为间隔，划分为4个数值区间，由低到高分别对应无冲击危险、弱冲击危险、中等冲击危险和强冲击危险4个危险等级，依据临界应力指数在4个区间的分布情况判定待评价区域的危险等级。以某矿303工作面实际工程为案例，介绍了包含10个步骤的冲击危险性评价流程，评价结果表明:该工作面存在中等冲击危险区域5个，强冲击危险区域7个。钻屑法监测数据表明评价结果与现场实际相符。与综合指数法评价结果相比，临界应力指数法的评价结果更趋于量化。

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煤炭学报

2020年第05期

1072

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近距离煤层群井上下联合防突模式及其效果动态评价

作者(Author)：程志恒, 陈亮, 苏士龙, 邹银辉, 张永将, 邹全乐, 姜黎明, 闫大鹤, 杜志峰, 王向东

摘要：针对近距离煤层群缺乏系统有效井上下联合防突模式及动态评价方法的问题，以华晋焦煤沙曲一矿为工程背景，通过类似矿区突出信息统计分析得出其地应力-瓦斯潜能大、突出源分散、煤体强度及渗透性低的特点，采用理论分析，从多次采动应力叠加及高能卸压瓦斯运移两方面，揭示了煤层群叠加开采突出力能转移及启动机制，进而启发多煤层协同疏解突出潜能、“多煤层-区域-局部”逐级强化抽采的防突思路。采用系统分析及归纳演绎法优选集成了多煤层全时段的井上、下联合防突技术体系，即规划区采用常规井、防突压裂井与多分支水平井联合抽采降突;准备区采用地面井+被保护层定向长钻孔群或多分支水平井井孔对接抽采立体区域化抽采防突;生产区采用本煤层定向长钻孔群条带预抽+递进式大孔径钻孔抽采消突，松软低透煤层需增加可控冲击波、低压脉动水力致裂等疲劳损伤增透方法以强化消突效果，并通过现场试验确立其关键技术参数。同时，建立了该模式应用过程阶段递进式动态评价函数，给出三阶段中2级指标四参数随时间变化表达式，并确定各指标临界值。现场工程实践表明:① 沙曲一矿井上下联合消突模式在规划时间内基本实现上部2号,3+4号煤层协同消突;② 资源开采3阶段的煤炭转化率依次为95%,85%,90%，整体动态转化率为70.5%，说明抽掘采衔接相对紧张，主要是准备区抽采防突效率低;③ 矿井优质煤炭产能释放量增加约80万t和煤层气产能提升420万m3。

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煤炭学报

2020年第05期

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复合厚煤层巷道掘进冲击地压机制及监测预警技术

作者(Author)：朱斯陶, 姜福兴, 王高昂, 王绪友, 姜亦武, 刘金海, 曲效成, 徐怀阁, 宁廷洲

摘要：针对我国西部矿区复合厚煤层工作面掘进期间煤粒弹射现象频繁、震动持续时间长、冲击破坏范围集中在掘进工作面附近的特点，以新疆硫磺沟煤矿复合厚煤层巷道掘进为工程背景，采用现场调研、理论分析和现场监测等方法，对复合厚煤层掘进工作面煤粒弹射和冲击地压发生机制及监测预警技术进行了研究。复合厚煤层掘进工作面频繁发生煤粒弹射和冲击地压的主要原因是巷道开挖后围岩中软煤部分会快速卸荷破坏产生煤粒弹射现象，软煤破坏后导致硬煤局部产生剪应力集中，当应力集中程度超过硬煤极限强度时，硬煤发生剪切失稳破坏，进而诱发掘进掘进工作面冲击地压。现场监测结果表明，复合厚煤层掘进工作面冲击前后煤体应力及锚杆索压力监测无明显征兆，地音监测能够捕捉到冲击地压信息，但复合厚煤层工作面掘进期间频繁煤粒弹射产生的众多小能量震动事件严重影响了地音监测预警结果的准确性。据此提出了基于“地音大事件”概念的监测预警方法，即只监测对掘进工作面冲击地压有明显影响的大能量地音事件，这些地音事件具有的明显特征为发生的总频次相对较低，但总能量较高，根据统计分析，将(4-5)04胶带巷掘进工作面能量大于1 000 mV的地音称之为地音大事件。通过与原预警方法进行对比，基于“地音大事件”概念的预警方法预警准确率更高，也更符合现场实际情况。

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煤炭学报

2020年第05期

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逆冲断层卸载失稳机理研究

作者(Author)：张宁博, 赵善坤, 赵阳, 王寅, 秦凯, 李云鹏, 姜黎明

摘要：逆冲断层失稳诱发的冲击地压严重威胁着煤矿的安全，但目前采动条件下逆冲断层的失稳机理仍不清楚，使得断层冲击地压防治工作缺乏科学指导。为探索逆冲断层卸载失稳机理，基于典型逆冲断层控制型矿区的工程地质概况，分析了逆冲断层冲击地压的显现特征;采用相似模拟和数值模拟手段，研究了开采扰动引起的逆冲断层卸荷效应，阐明了义马矿区逆冲断层卸载失稳的模式及过程;通过实验室实验方法，揭示了单侧卸载过程中逆冲断层失稳瞬态的位移场时空演化规律，建立了断层卸载失稳的力学模型，阐释了断层失稳瞬间的黏滑过程。研究结果表明:随着开采范围与F16断层距离的减小，断层冲击地压危险性显著增大，冲击地压所释放能量急剧增高;采动引起逆冲断层产生卸荷效应，即开采扰动使得断层带新裂纹萌生并局部离层，断层带上交错出现应力集中区和应力减弱区，断层上段出现逆时针滑移，而下段顺时针滑移;卸荷效应导致断层失稳的过程可分为线性稳态(I)、非线性稳态(II)、亚失稳(III)和失稳(IV)4个阶段;断层卸载失稳瞬间正应变和剪应变总体上呈突降-突增-降低至稳定的变化趋势，且相对于中部和下部，断层上部滑移位移受卸载扰动影响较大;断层卸载失稳瞬间的能量传递过程为:震源单元-围岩杆单元-相邻围岩杆单元-相邻断层带单元等，其黏滑失稳是一系列单元连锁失稳构成的综合结果。通过本文研究，对逆冲断层卸载失稳的机理形成了新的认识，包括卸载失稳模式、失稳过程、失稳瞬态的能量传递等。

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煤炭学报

2020年第05期

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井间高位岩层联动诱冲机制及防冲方法初探

作者(Author)：李一哲, 齐庆新, 赵善坤, 王寅, 李海涛, 魏向志, 潘鹏志

摘要：相邻矿井开采过程中相互扰动明显，冲击地压灾害频发。为研究巨厚砾岩和逆冲断层控制作用下，相邻矿井之间的相邻工作面开采互扰诱发冲击机理以及两工作面冲击地压协同防控方法，以义马矿区耿村煤矿13230工作面和千秋煤矿21121工作面为实际工程背景，对13230工作面回采期间地表沉降变化、冲击显现特征和支架压力特征、21121东部缆车下山钻孔应力特征以及井间区域微震事件高度变化特征和地应力特征展开现场实测分析。研究表明，井间相邻工作面非同时期开采形成非对称“T”形覆岩空间结构，井间宽煤柱留设和高位巨厚砾岩条件下，该空间结构发生类似杠杆运动的“撬动”现象，即井间率先采空侧高位岩层下沉运动诱发滞后回采工作面高位岩层整体抬升运动;联动效应对滞后回采工作面垂直应力环境产生扰动且扰动范围有限，13230工作面回采初期垂直应力相对较低，断层活化的高水平应力导致煤体发生典型水平滑移式冲击事故，随13230工作面推进距离增大，水平方向冲击的强度与频度明显降低而垂直方向的冲击占比增加;基于工程实测和室内试验结果，提出井间以阻断高位砂砾互层为核心的弱链增耗防冲方法和采空区高强度充填为核心的吸能稳构防冲方法，实现井间工作面冲击地压的协同防控。随着我国煤矿逐渐转入高强度集约型开采和深部开采，由高位覆岩联动造成的多工作面之间的应力互扰现象将长期存在，旨在弱化覆岩结构体联动效应的防冲方法与技术是未来单一矿井乃至大型矿区大范围多工作面联合防冲的发展趋势。

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煤炭学报

2020年第05期

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煤岩组合体界面效应与渐进失稳特征试验

作者(Author)：杨科, 刘文杰, 窦礼同, 池小楼, 魏祯, 付强

摘要：煤岩体组合特征决定着煤和岩石组合形成整体结构的变形失稳，为分析煤岩高比对煤岩组合体受载时力学特性、能量转化规律与失稳破坏特征的影响，制作了3种高比的“岩-煤-岩”(RCR)组合试件，开展了煤岩组合试件的单轴压缩试验和PFC2D数值模拟试验，并基于RCR组合体声发射信号和宏观破坏特征分析，获得了组合体界面效应影响下的渐近失稳特征和声发射能量演化规律。研究结果表明:煤岩组合体的损伤破坏表现出渐近非连续特征，损伤破坏首先在煤岩组合体的煤体中发生、发展，煤体裂纹发育至煤岩交界面时被阻隔，受煤岩组合体界面效应的影响和裂纹尖端强应力链的持续集聚，裂纹最终从煤体扩展至岩石中煤岩组合体发生整体性瞬时破坏;随煤岩高比增大，组合体单轴抗压强度、弹性模量、宏观起裂破坏时间和瞬时失稳破坏时间均呈降低趋势且瞬时破坏时动力显现也逐渐被弱化。由于RCR组合体结构和弹性储能的差异性，导致裂纹在煤岩组合体中的扩展能力、速度和角度不同，进而组合体呈现出不同的破坏形态，但组合体破坏形式具有相似性，其中煤体以剪切破坏为主，顶底板砂岩以劈裂破坏为主。在煤岩组合体渐进破坏过程中煤体的破坏诱导了顶底板砂岩的破坏，而砂岩的破坏加剧了煤体的损伤破坏程度和瞬时破坏时动力显现强度，形成了煤体砂岩破坏互馈机制。RCR组合体受载时声发射信号有明显的时段性特征，当RCR组合体发生整体失稳时，声发射信号频率较低，声发射能量值达到历史最大，根据煤岩组合体声发射前兆信息的时频、时空规律性特征可对煤岩动力灾害孕育与发生进行实时监测，实现煤岩动力灾害的精准感知与超前预警。

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煤炭学报

2020年第05期

1333

713
急倾斜特厚煤层水平分段综放开采冲击矿压机理

作者(Author)：何江, 窦林名, 曹晋荣, 吴江湖, 曹立

摘要：我国急倾斜特厚煤层开采冲击矿压越发凸显，且灾害显现特殊。为了揭示急倾斜特厚煤层水平分段开采冲击矿压机理，建立覆岩力学模型，分析了覆岩运动、能量释放、煤层应力分布等规律;采用工作面液压支架工作阻力监测数据，分析了工作面支架工作阻力与动载系数分布规律;利用微震监测得到的矿震空间分布，分析了岩层运动和能量释放规律。研究结果表明:急倾斜特厚煤层水平分段开采，顶板倾向破断步距与煤层倾角呈非线性正相关关系，当煤层倾角大于60°时，破断步距出现陡增;覆岩下位坚硬岩层破断后在倾向上可暂时形成平衡结构，随着下位分段开采和放煤，平衡结构可发生破断旋转、断块跌落、结构挤压俯冲等3种类型的失稳冲击过程，对工作面形成动态冲击;在顶底板夹持作用下，工作面煤体靠近顶底板侧将形成非对称倾向支承压力分布，靠近顶板侧为封闭夹持状态，应力集中程度高，靠近底板侧为开放夹持状态，煤体易破坏卸压而处于塑性状态，在非对称支承压力作用下，工作面中部至顶板侧底煤受强烈剪切应力作用，且处于底板弹塑性交界区，易于失稳冲击;急倾斜特厚煤层水平分段综放开采，覆岩破断步距大，顶板破断和失稳冲击的瞬间释放能量强，扰动底煤高应力区诱发冲击矿压显现，揭示了急倾斜特厚煤层水平分段综放开采夹持冲击型冲击矿压机理。工作面液压支架工作阻力监测表明工作面中部至顶板侧动载系数最大达到3.25，表明覆岩形成了悬空式结构失稳;矿震监测结果表明工作面中部至靠近顶板侧底煤容易积聚弹性变形能，底板侧容易释放能量，顶板活动易形成动载扰动。研究结果得到了监测验证。

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煤炭学报

2020年第05期

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