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“冲击地压与岩石动力学”专题

来源：煤炭学报

专题来自于《煤炭学报》2023年05期，共29篇研究成果。

行业视野: 地质
类别; 135个
关键词; 175位
专家; 29篇
论文; 9661IP
点击量; 4558次
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冲击地压矿井安全性研究

作者(Author)：潘一山, 肖永惠, 罗浩, 王岗, 施天威

摘要：针对当前冲击地压矿井缺少对防冲设计的可靠性和对自身防冲能力综合评判的环节,导致一些冲击地压矿井虽然采取了防冲措施,但依然发生冲击地压这一现状。参考了岩土工程中采用安全系数来评价安全程度这种办法,提出了冲击地压矿井安全性的基本理念。通过调研发现:冲击地压造成的破坏范围占所在工作面总的作业范围比例是有限的;矿井巷道围岩应力集中大小是有限的,应力集中系数基本介于 1~6;冲击地压事故释放的能量都不大于 109 J 级,即冲击地压释放的能量是有限的;冲击地压矿井的安全性评价可以转化为巷道安全性评价,即保证了巷道安全就保证了整个矿井安全;冲击地压发生后控制巷道断面收缩率在 20% 以内基本可以避免人员伤亡。因此,指出冲击地压是可防可控的。进而提出冲击地压不发生的条件和发生不造成人员伤亡的条件,即分别为:巷道围岩变形系统的实际受载应力低于巷道失稳发生冲击地压的临界应力;围岩变形系统失稳释放能量低于围岩−支护系统可吸收能量。并提出矿井在进行冲击危险性评价、划分危险等级以及防冲设计后,还需要进行安全性评价,包括临界条件、安全系数的计算和划分安全等级。基于冲击地压扰动响应失稳理论,给出安全性评价需要考虑的 2 个方面:应力安全性和能量安全性。其中,应力安全性由围岩变形系统的实际受载应力与失稳临界应力的比值 (即应力安全系数) 来判断;能量安全性由围岩变形系统失稳释放能量与围岩−支护系统可吸收能量的比值 (即能量安全系数) 来判断。进而将矿井安全性划分为 A、B、C 三级,分别对应:安全、基本安全和不安全。其中,应力安全系数大于 1.5 且能量安全系数大于 1.0,为 A 级安全矿井,矿井具备防冲能力,可以正常进行开采;应力安全系数大于 1.0 且能量安全系数大于 1.5,为 B 级基本安全矿井,矿井具备防冲能力,可以正常进行开采;安全系数非 A 级和非 B 级,则为 C 级不安全矿井,矿井不具备防冲能力或应暂停开采活动。以某矿为例,给出了矿井安全性计算的完整流程和评价结果。最后给出了全国部分冲击地压矿井的应力安全系数和能量安全系数,并结合这些矿井的实际冲击地压发生情况,验证了安全系数计算结果的可参考性,从而说明安全性评价方法具备一定的可靠性和实用性。

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煤炭学报

2023年第05期

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煤矿冲击地压源头防治理论与技术架构

作者(Author)：齐庆新, 马世志, 孙希奎, 赵善坤, 李云鹏, 李海涛, 于斌, 潘鹏志, 王守光, 李宏, 李一哲, 王旭东, 张修峰, 王学滨, 李宏艳, 陆菜平, 王书文, 韩军, 乔文俊, 张宁博

摘要：我国煤矿安全状况虽持续好转,但煤矿冲击地压灾害的影响却愈发严重,仅近 5 a 就发生了 8 起冲击地压事故,累计死亡 48 人。我国煤矿冲击地压防治多为“头痛医头、脚疼医脚”,冲击地压发生源头、孕灾机理不清。同时,以山东巨野、兖州等煤田为代表的东部充分采动矿井,具有开采深度大、采动影响因素复杂等特征;以内蒙古鄂尔多斯和陕西彬长矿区为代表的西部非充分采动矿井,则具有高强度开采、厚硬岩层等特征,均给冲击地压防治带来了新的挑战。因此,煤矿冲击地压源头防治已成为当前亟待解决的重大工程科学问题。针对这一难题,从冲击地压基础理论与模拟技术、监测及危险区判识技术、区域与局部防控技术装备等 3 方面系统的分析了当前冲击地压研究取得的成果与不足,结合前期研究基础与现场实践,提出了煤矿冲击地压源头防治思想。进而将其梳理为煤矿冲击地压源头属性与特性、煤矿冲击地压全过程孕灾与源头防治原理等 2 个科学问题,冲击地压全过程精细模拟技术、矿井全生命周期煤岩体应力与全尺度覆岩结构监测技术、冲击危险精准甄别与智能识别技术、煤矿冲击地压井上下协同防控技术等 4 个技术问题。根据生产矿井和新建矿井的特点,分别制定了相应的防治思路与技术框架。研究成果为我国煤矿冲击地压防治提供了一种新的思路,为煤矿“零冲击”目标提供理论依据与技术支撑。

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煤炭学报

2023年第05期

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大空间采场远近场坚硬顶板井上下控制理论及技术体系

作者(Author)：于斌, 邰阳, 匡铁军, 高瑞, 杨敬轩, 夏彬伟, 朱卫兵, 李勇

摘要：坚硬顶板特厚煤层开采采场空间大,矿压作用复杂,致使采场强矿压作用机理不清,并缺乏针对不同层位坚硬顶板的多点控制技术体系,必须在更大采场空间范围内研究坚硬顶板控制的新理论和新技术体系。笔者团队经过近 15 a 的产学研攻关,形成了大空间采场远近场坚硬顶板井上下控制理论及技术体系:针对岩层控制研究涉及空间不足,提出了大空间采场概念;基于顶板破断特征及矿压作用规律,定义了远场和近场坚硬顶板;兼顾采空区矸石压缩及覆岩块体的协调运动,建立了大空间采场远场坚硬顶板破断结构力学模型,揭示了远场坚硬顶板破断失稳的强矿压控制机理;基于弹性薄板理论,构建不同切顶工艺、9 种组合边界条件下的近场坚硬顶板初次和周期破断力学模型,揭示了近场坚硬顶板定向造缝采场卸压机理;综合工作面参数、近场矿压作用等基础指标,以及临空开采、双系影响等强化条件,建立了强矿压分级预测评价体系,给出了4 个不同级别矿压显现程度的量化指标及对应的控制技术;研发了坚硬顶板地面水平井体积压裂技术、地面垂直井分级压裂技术,发明了远场坚硬顶板裂缝扩展监测技术,有效解决了远场坚硬顶板强矿压难题;首创了坚硬顶板复合爆破定向精准造缝技术,开发了坚硬顶板液体炸药深孔爆破技术,发明了坚硬顶板链臂锯连续精准切割技术,实现了对近场坚硬顶板垮落形态及破断特征的精准控制;提出了坚硬顶板地面压裂+X 的协同控制技术,实现了对远近场坚硬顶板的多点协同调控。基于以上研究成果,在塔山煤矿 8204 特厚煤层综放面开展了地面水平体积压裂+液体炸药深孔爆破协同控制现场试验,结果表明,在进入压裂爆破协同控制区域后,临空回采巷道顶底板及两帮移近量均小于 388 mm;工作面中部支架最大阻力达到 13 295 kN,小于支架额定工作阻力15 000 kN,工作面及回采巷道强矿压得到了有效控制。

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煤炭学报

2023年第05期

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我国煤矿矿震发生机理及治理现状与难题

作者(Author)：曹安业, 窦林名, 白贤栖, 刘耀琪, 杨科, 李家卓, 王常彬

摘要：随着我国煤矿开采深度和开采强度不断增加,煤矿矿震以前所未有的频度和强度展现出来,引起政府部门和社会民众的广泛关注。在政府倡导及科研人员积极探索下,我国在矿震致灾机理研究与工程治理实践方面取得了一系列重要进展,在正确认识矿震现象与矿震灾害防控方面取得了长足进步。总结了矿震发生现状,基于我国煤矿矿震研究成果,系统阐述了矿震发生机理、破坏效应、防治技术等方面研究进展与主要难题。结论如下:矿震发生条件复杂,诸多学者从不同角度给出了矿震的定义与分类,总结前人研究后笔者从狭义和广义方面提出了矿震定义,根据矿震发生后的现象及发生机理对矿震进行了分类;矿震致灾现象普遍存在于矿山开采活动中,世界主要采矿国家均有记录,矿震灾害的专业预防与治理已刻不容缓;我国矿震的专业治理起步较晚,但近年来国家部委、省市以及地方管理机关陆续颁布关于矿震防范的规章制度,有力提升了我国矿震灾害治理和应急处置能力;总结了我国煤矿矿震宏观触发机制包括煤柱失稳诱发矿震、顶板破断运动诱发矿震以及断层错动滑移诱发矿震,矿震微观破裂机制包括震源张拉破裂、震源内爆破裂以及震源剪切破裂;从矿震震源参量、震动波传播衰减规律以及震动波扰动情况等方面探讨了矿震的致灾效应,归纳了矿震对井上下的扰动致灾评估方法;以源头防控为宗旨,以精准预防为方针,概括了我国煤矿矿震治理现状与难题。当前,我国煤矿矿震依然存在“震源找不准、灾害控不住”等难题,亟待深入研究矿震孕育发生机理、破坏效应及防控技术方法,以保障煤炭绿色安全高效开采,支撑国家深部资源开发和能源安全战略。

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煤炭学报

2023年第05期

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深厚表土覆岩结构运移演化及高应力突变致灾机理

作者(Author)：孟祥军, 张广超, 李友, 陈连军, 王超, 赵仁宝, 陶广哲, 王冬, 周广磊, 陈淼, 栾恒杰

摘要：覆岩运动演化是井下动力灾害孕育发生的根本原因,掌握具体地层条件下覆岩运动规律及其演化致灾机理对实现动力灾害防控具有重要意义。以 3301 工作面为工程背景,综合运用相似模拟、理论分析与现场实测相结合的方法,研究了表土层−基岩不同厚度组合变化下基岩、表土层及地表下沉盆地的整体破坏形态与联合运移演化规律,揭示了 2 类典型表土层−基岩组合条件下的覆岩结构运移演化规律及采动应力传递形成机制,推导获得了巨厚表土薄基岩条件下的支承压力定量表达式,并提出了高应力突变致灾宏观判别准则,现场工程实践验证了模型合理性。得到主要结论如下:① 煤层开采后软弱基岩呈现非对称“类梯形”破坏形态,巨厚松散表土层呈现“倾斜漏斗形 ” 破坏形态 , 表土层运移演化具有响应速度快、运移范围广、下沉系数大的特点 ;② 表土层−基岩双层介质在不同厚度组合条件下的运移演化规律具有较大差异,厚表土层薄基岩(I 型) 条件下,基岩自下而上发生塑性破裂,破断岩体块度小,难以形成稳定结构;厚表土层厚基岩 (Ⅱ型) 条件下,基岩由塑性破裂逐渐转化为块式破断,破断步距逐步增大,关键层效应逐渐突显,破断后形成结构的承载能力提高,能阻止上覆表土层的运移和沉降,地表下沉量出现一定程度的减小;③ 深厚表土薄基岩条件下,工作面前方大范围表土层向采空区发生运移,载荷集中作用在工作面上方基岩和超前煤体内,同时由于基岩软弱、破断岩块尺寸较小、无法形成规模悬顶的特点,限制了载荷向煤壁前方更远处传递,致使呈现应力峰值大、影响范围小、波动性大特点;④ 建立了考虑深厚表土大范围运移、基岩塑性破裂特征的支承压力估算模型,获得了支承压力计算方法,并以 3301 工作面具体参数为例,估算出其支承压力影响范围为 72 m,峰值为 44.2 MPa,应力峰值距煤壁 23 m,具有一定冲击风险;现场地表沉降特征与采动应力监测结果验证了理论分析与相似模拟结果的科学性。

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煤炭学报

2023年第05期

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