“煤岩动力灾害防治理论研究与工程实践—Ⅰ. 冲击地压”虚拟专题

来源：煤田地质与勘探

我国煤炭地质条件复杂，冲击地压动力灾害呈现出突发性、继发性和严重性特点，长期以来一直制约着煤炭的安全高效开采。相关研究学者已从冲击地压（矿压）灾害发生机理、主控因素、发生发展条件及典型矿区的防治工程实践等方面开展了大量的研究工作，也取得了显著成效。为了交流共享相关研究认识和措施经验，有效防治煤岩冲击地压动力灾害，《煤田地质与勘探》编辑部整理出近5年发表的部分优秀论文，以促进相关研究领域的专家和学者交流。

行业视野: 安全
类别; 72个
关键词; 63位
专家; 16篇
论文; 5856IP
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千米深井解放层开采卸压机理及效果分析—以华丰煤矿为例

作者(Author)：高亚楠, 张垚, 张德飞, 张玉栋, 赵卫东, 蔚立元

摘要：解放层开采是煤与瓦斯突出、冲击地压等煤矿动力灾害防治的重要措施，以山东泰安千米深井华丰煤矿2613、2412工作面为背景，采用物理模拟与数值模拟相结合的方法，围绕解放层开采卸压机理、卸压效果评价等工程科学问题开展研究，明晰解放层开采后上覆岩层运动规律及矿压变化特征，厘清被解放层采动过程中采场应力与岩层位移演化规律，进而对解放层开采卸压效果和被解放层开采可行性进行指标化评价。结果表明：(1)解放层开采过程中，上覆岩层逐渐垮落形成漏斗状、非对称的多固支梁状结构，解放层开采结束后，采场左右两端分别形成对被解放层起永久性卸压保护的类悬臂梁结构，左右保护角分别为54°、60°。(2)解放层上覆岩层划分为“永久性卸压保护区”和“采空触矸压实区”，两种应力分布区对应解放层顶板应力最大值约20、36 MPa，对应被解放层内最大应力值约29、24 MPa，被解放层受两种应力区的叠加影响。(3)解放层开采结束后，工作面两端出现应力积聚，其他区域上覆岩层整体处于卸压状态，“采空触矸压实区”的持续发育已影响到被解放层，被解放层50~100 m区域沉降量约等于采高。(4)被解放开采过程中，覆岩板裂指数f为0.5，小于临界值0.7，不具有发生强矿压动力灾害的倾向，上覆岩层扰动范围较开采前变化极小，同时结合覆岩破坏形态，可知，被解放层开采始终处于解放层卸压范围内，解放层卸压充分，被解放层开采具有可行性。

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煤田地质与勘探

2023年第08期

240

88
逆断层影响下无煤柱自成巷矿压规律及围岩控制

作者(Author)：张文杰, 何满潮, 王炯, 马资敏, 程满江, 牛韶坤

摘要：为探究逆断层活化对无煤柱自成巷稳定性的影响，通过理论分析、数值模拟、工程实践、现场监测的方法，对逆断层活化作用机理和影响区域进行系统研究。结果表明，在水平构造应力和自重应力的双重作用下，逆断层对工作面超前支承压力及采后顶板压力有显著的影响。当工作面靠近逆断层时，逆断层开始局部活化；工作面到达逆断层位置时，受工作面采动剧烈影响，导致逆断层全面活化，超前支承压力急剧增加，应力集中系数为4.75。揭露逆断层之后，上覆岩层的压力由逆断层上盘传递到采空区后方，造成采空区后方支承压力升高，经模拟分析判断出逆断层下盘对工作面围岩稳定性有显著影响，影响范围为85 m，该范围是围岩控制重点区段。利用具有高恒阻力、高延伸率和高预紧力超常力学特性的恒阻大变形锚索、精准顶板预裂卸压技术和成巷围岩联合支护技术，得到巷道围岩滞后工作面150~190 m范围内保持稳定，该技术可以实现围岩变形有效控制。

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煤田地质与勘探

2023年第05期

281

84
彬长矿区“井上下”立体防治冲击地压新模式

作者(Author)：吴学明, 马小辉, 吕大钊, 郑凯歌, 王东杰

摘要：随着煤矿开采强度的不断增大，矿井逐渐向深部转移，冲击地压灾害日益严峻。而深部冲击地压矿井往往存在一层或多层坚硬厚岩层，这些坚硬顶板厚度较大，整体性强，突然断裂时会释放大量弹性能，易引发冲击地压事故，严重制约矿井安全生产。以陕西彬长矿区孟村矿为例，针对矿区内煤层埋藏深、普遍存在多种坚硬厚岩层的特殊情况，提出针对性治理措施：对顶板上方0～80 m范围内厚度超过10 m的坚硬厚岩层进行破断、弱化处理，对煤层上方0～30 m范围的低位岩层采取顶板深孔爆破预裂措施，对煤层上方30～60 m范围内的中位坚硬岩层采取顶板定向长钻孔水力压裂措施，对煤层60 m以上高位坚硬岩层采取地面水平井分段压裂措施；使高、中、低位顶板产生的裂缝在垂向上实现贯穿，将顶板“切割”成相对规则的“块状”结构，使上覆岩层应力由“硬传递”转化为“软传递”；并结合煤层大直径孔卸压、煤层爆破等煤层卸压措施，形成了区域与局部相结合、煤层与岩层全覆盖的“井上下”立体防治模式。工程实践证明：采用“井上下”立体防治模式后，工作面103 J以上微震事件降低88%，周期来压强度降低23%，来压持续时间缩短61%，防冲效果良好。该技术模式的成功应用可为类似地质条件下冲击地压矿井灾害治理提供借鉴。

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煤田地质与勘探

2023年第03期

262

108
矿井地质动力环境评价方法与冲击地压矿井类型划分研究

作者(Author)：兰天伟, 张志佳, 袁永年, 韩军, 刘洪泉, 张俊杰, 张宏伟, 罗波远, 刘铭玮

摘要：冲击地压等矿井动力灾害的发生受多因素影响，是自然地质动力环境条件和开采工程扰动条件耦合作用的结果。冲击地压发生的时间、空间、强度等特征与矿井所处区域地质动力环境有关，由于不同煤田、不同矿区、不同矿井所处的区域地质动力环境存在差异性，致使有些煤矿不具备发生冲击地压的地质动力环境条件，而有些煤矿发生冲击地压的类型也不同。提出矿井地质动力环境评价方法，并构建评价指标体系。在地质动力环境研究中，主要考虑自然地质条件下外部地质体的动力作用对冲击地压的影响效应，确定构造凹地反差强度、矿井区域断块构造运动、断裂构造、构造应力、开采深度、上覆岩层结构特征、本区及邻区判据条件等影响因素为评价指标，根据各因素对矿井的影响程度情况，给出每个因素的不同量化评价值。综合量化评价结果，判定矿井是否具有发生冲击地压的地质动力环境：(1) 当综合评价指标值n为0~0.25，表明矿井不具备冲击地压发生的地质动力环境；(2) 当综合评价指标值n为>0.25~0.50，矿井具有弱冲击地压发生的地质动力环境；(3) 当综合评价指标值n为>0.50~0.75，矿井具有中等冲击地压发生的地质动力环境；(4) 当综合评价指标值n为>0.75~1.00，矿井具有强冲击地压发生的地质动力环境。依据矿井地质动力环境评价指标，揭示矿井工程地质体内冲击地压产生的地质动力环境和能量条件，进而确定冲击地压矿井类型，属于非冲击地压矿井、冲击地压矿井和严重冲击地压矿井。最后，以绥滨坳陷盆地边缘双鸭山−集贤煤田为例，分析双鸭山矿区集贤煤矿的地质动力环境，确定集贤煤矿地质动力环境综合评价指标值n为0.67，矿井具有中等地质动力环境，类型属于冲击地压矿井。研究成果验证了地质动力环境是矿井产生冲击地压等动力灾害的重要性因素和能量基础条件。

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煤田地质与勘探

2023年第02期

263

94
深部变面长采场顶板破断演化的力学机制分析

作者(Author)：王新丰, 陆明远

摘要：不规则煤层开采容易引发顶板应力集中、矿压显现异常等问题，为探究变面长采场顶板破断规律与结构演化特征，针对工作面斜长由小变大的突变型采场不同开采阶段的几何特征与力学成因，运用小挠度薄板弯曲理论依次建立并解析4种边界条件的顶板结构模型。根据变面长采场顶板矿压分区显现特征，采用MATLAB与FLAC3D数值模拟方法分析顶板破断规律与宏观力学响应。通过系统分析与总结归纳，构建了变长工作面“三场三区三结构”的覆岩结构传递演化模式，提出了“两场两规律”的顶板分区破断效应。并通过典型工程案例的矿压实测进行应用验证。结果表明：变面长采场分为小面采场、变面采场和大面采场，小面采场顶板为缓压型结构，发生的是传统“O-X”形破断；变面采场顶板为突变型结构，顶板断裂产生的延长形与漂移形“O-X”破断裂隙与大面采场增压型结构顶板的裂纹发育特征较为相似，故将二者整合为全大面采场；全大面采场顶板发生的是“X-O”形破断，裂纹继续发展产生延长形破断，形成“两场两规律”的顶板破断理论。研究结论为探明变面长采场的覆岩运移本质，加强深部复杂煤层赋存条件下的顶板灾害防控提供了重要依据。

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煤田地质与勘探

2022年第10期

220

155
坚硬顶板强矿压动力灾害演化机理与超前区域防治技术

作者(Author)：郑凯歌, 王林涛, 李彬刚, 李延军, 杨欢, 杨森, 戴楠, 王豪杰, 王泽阳, 席杰

摘要：工作面上覆坚硬顶板往往不易垮落，破断后易形成动压灾害。以神东矿区布尔台煤矿为背景，针对典型坚硬顶板造成的强矿压动力灾害问题，采用数值模拟、理论分析的方法分析并揭示坚硬顶板弱化前后的应力演化特征及顶板破断机理，提出超前区域防治技术并应用于现场实践。结果表明：坚硬顶板破断演化特征分为3个阶段，即“长悬臂梁”阶段—“砌体梁滑落失稳”阶段—重新压实阶段，其中“长悬臂梁”阶段支架上方顶板应力显著增大至6.8 MPa，破断前支架上方顶板应力为破断后的2倍，其临界破断产生的应力释放是引起强矿压的根本原因，这也是弱化改造控制的主要阶段。基于坚硬顶板灾害发生机理，提出“广域大空间”超前区域防治技术，阐述了绿色、精准、广域的防治优势，以及钻孔轨迹控制、封孔质量控制、多孔联动效应的关键技术及治理评价体系。结合数值模拟进一步验证防治技术的可靠性，当“长悬臂梁”结构弱化后，其破断前支架上方顶板应力为4.6 MPa，降幅32.4%，顶板破断演化特征3个阶段演变为来压前阶段—“砌体梁滑落失稳”阶段—重新压实阶段，弱化后顶板各阶段支架上方顶板应力降幅达到32.4%～79.4%，表明预成裂隙弱面和降低坚硬层完整性能够有效改变顶板破断结构，显著降低来压强度。实践表明：压裂过程产生多次压降，降幅均达到3 MPa以上，探测裂缝发育长度达到30 m以上，压裂前后工作面周期来压步距降幅44.9%，支架来压载荷降幅18.1%，治理效果良好。研究结果可为类似矿区动力灾害治理提供借鉴。

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煤田地质与勘探

2022年第08期

257

146
瓦斯压力影响下煤岩力学性质与冲击能量指数演化规律及机制

作者(Author)：丁鑫, 肖晓春, 潘一山

摘要：深部煤层冲击地压诱发瓦斯涌出、突出事故频繁发生，对井下安全生产带来了巨大威胁，厘清瓦斯对煤岩力学性质、冲击倾向性演化规律是建立有效防治手段的基础。运用物理试验方法，基于自主研发的可视化煤岩流-固耦合试验系统，研究瓦斯压力影响的煤岩吸附、力学性质及碎块分布规律，分析瓦斯影响的煤岩冲击能指数演化特征与机制。结果表明：具有强冲击倾向性煤岩的瓦斯等温吸附曲线符合Langmuir模型，随瓦斯压力升高，煤岩软化特性越发明显，弹性模量、软化模量均呈阶段性降低，瓦斯对二者在煤岩峰值前后具有不同的影响效果且存在临界压力，试样破坏形式呈“脆性张拉→剪切→张拉+塑性流动”过渡，冲击能指数与试样碎块尺度均呈先减小后增大的“V”形变化特征，破碎后具有更多盈余能；含瓦斯煤岩小尺度碎块是灾害发生的客观条件，瓦斯膨胀能为煤体动态失稳提供了额外的能量，增大了冲击地压发生过程的强动力性和破坏性，这种煤岩基质骨架与瓦斯运移的固-流耦合降低了冲击地压发生的临界指标且具有更高的致灾潜能。研究成果与启示为进一步判定深部高瓦斯煤层灾变倾向并建立行之有效的防治手段提供了试验基础和研究思路。

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煤田地质与勘探

2022年第07期

229

155
坚硬顶板超前区域治理技术在神东布尔台煤矿的应用

作者(Author)：杨俊哲, 王振荣, 吕情绪, 杨森, 李果, 郑凯歌

摘要：坚硬顶板是岩层控制的一大难题，高位坚硬岩层的破断失稳经常会诱发强矿压灾害，严重威胁矿井的安全生产，坚硬顶板的治理是煤矿安全生产的重大难题之一。针对神东矿区布尔台煤矿煤层顶板厚度大、硬度高、垮落难等问题，分析定向长钻孔分段水力压裂的压裂机理和技术优势，基于关键层理论确定了钻孔布置层位，采用拟三维裂缝模型对压裂注入时间和注入流速对裂缝扩展的影响进行分析计算，确定布尔台煤矿42108工作面顶板压裂钻孔布置方式，沿工作面倾向方向平行布孔3个，裂缝半长41 m，压裂控制区域覆盖了整个工作面。实践表明：42108工作面在实施了坚硬顶板分段水力压裂弱化后，工作面正常支架循环末阻力同比下降3.33%；周期来压期间，支架循环末阻力同比下降6.81%。动载系数平均降低了10.88%。强矿压显现减弱，保证工作面安全回采。

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煤田地质与勘探

2022年第02期

449

337