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深部大采高综采面厚硬岩层-煤柱结构失稳诱冲机理研究

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岩土工程学报 2024年

作者：张翔朱斯陶姜福兴刘金海朱权洁史先锋韩刚魏晓虎曹京龙曲效成华北科技学院河北省矿井灾害防治重点实验室中煤能源研究院有限责任公司北京科技大学土木与资源工程学院北京安科兴业科技股份有限公司鄂尔多斯市伊化矿业资源有限责任公司山东能源集团有限公司

厚硬岩层-煤柱结构失稳诱发型冲击地压是鄂尔多斯深部矿区典型的冲击地压模式，其发生机理尚不清晰，本文以鄂尔多斯深部矿区某矿30202工作面为工程背景，采用理论分析、数值模拟、现场实测等方法，研究了深部大采高综采面厚硬岩层-煤... 详细信息

厚硬岩层-煤柱结构失稳诱发型冲击地压是鄂尔多斯深部矿区典型的冲击地压模式，其发生机理尚不清晰，本文以鄂尔多斯深部矿区某矿30202工作面为工程背景，采用理论分析、数值模拟、现场实测等方法，研究了深部大采高综采面厚硬岩层-煤柱结构失稳诱冲机理，得出了以下结论：探讨了深部大采高综采面厚硬岩层-煤柱结构的空间运动特征，建立了厚硬岩层-煤柱结构的力学模型并推导了其失稳诱冲的工程判据。揭示了厚硬岩层-煤柱结构失稳诱冲机理：区段煤柱承载基础应力来源于面内厚硬岩层组和临侧采空区铰接加载岩层自重，当面内厚硬岩层达到强度极限时发生“W”型破断并传递附加应力，区段煤柱承载的叠加应力超过其破坏阈值后发生局部甚至整体失稳冲击。数值模拟发现区段煤柱承载应力随厚硬岩层组的破断运动发生阶段性突增现象，厚硬岩层组“W”型两次破断运动传递的载荷是工作面附近区段煤柱失稳冲击的主要应力来源，其中二次破断释放的能量远高于初次破断。设计并实施了深部大采高综采面厚硬岩层-煤柱结构失稳诱冲的控制体系，包括承载煤柱强卸载、扰动区域强支护和推进速度强管控，效果评价验证了防冲体系能够保障工作面安全回采。

关键词：冲击地压厚硬岩层区段煤柱微震监测

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深井高应力大巷煤柱释能改性防冲机理及应用

煤炭学报 2024年第9期49卷 3711-3727页

作者：朱斯陶张翔姜福兴马俊鹏张修峰夏开文王超李士栋刘金海朱权洁曲效成北京科技大学土木与资源工程学院北京100083 山东能源集团有限公司山东济南250101 兖矿能源集团股份有限公司山东济宁273500 中国地质大学工程技术学院北京100083 兖煤菏泽能化有限公司赵楼煤矿山东菏泽274000 华北科技学院应急技术与管理学院河北燕郊065201 北京安科兴业科技股份有限公司北京100083

针对当前我国深井高应力大巷煤柱频繁发生冲击地压的现状,采用现场调查、理论分析、数值模拟和工程试验等方法,研究了我国大巷煤柱冲击地压发生类型与机理,提出了一种高应力大巷煤柱释能改性防治冲击地压的新方法,基于该方法开展了防冲... 详细信息

针对当前我国深井高应力大巷煤柱频繁发生冲击地压的现状,采用现场调查、理论分析、数值模拟和工程试验等方法,研究了我国大巷煤柱冲击地压发生类型与机理,提出了一种高应力大巷煤柱释能改性防治冲击地压的新方法,基于该方法开展了防冲原理研究、技术体系设计、井下工业试验等一系列研究工作,得到:基于大巷煤柱冲击地压的主导力源类型,结合多起冲击地压典型案例,将我国大巷煤柱冲击地压划分为基础应力叠加型、附加应力诱发型和自身蠕变失稳型3类,分别建立并推导了3类大巷煤柱冲击地压发生机理的力学模型与工程判据,揭示了3类大巷煤柱冲击地压的发生机制。提出一种深井高应力大巷煤柱压裂−注浆协同防治冲击地压的方法,其防冲原理体现在“释能”和“改性”2个方面,井下工业试验发现弹核煤体起裂压力约40 MPa,整体最大压裂宽度达19.5 m,现场监测验证该方法能够降低大巷煤柱能量积聚水平,提高大巷煤柱整体冲击阈值。设计了深井高应力大巷煤柱释能改性防冲成套技术体系,包括孤立煤体冲击危险“评估−检验−校核”方法、弹性核水力压裂增缝释能技术和整体注浆加固改性技术。研发了大巷煤柱弹性核压裂“震动−应力−位移”三场监测设备和PS-Z-A/B型无机双组份速凝整体注浆改性材料。

关键词：大巷煤柱冲击地压深部开采释能改性压裂释能注浆改性

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基于当量钻屑法的冲击地压监测预警技术研究及应用

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岩石力学与工程学报 2011年第11期30卷 2346-2351页

作者：曲效成姜福兴于正兴鞠红阳北京科技大学土木与环境工程学院北京100083 北京科技大学信息工程学院北京100083

针对济三煤矿现场监测数据,通过分析和数值计算,建立钻屑量、支承压力以及钻孔应力的关系,在此基础上,研制冲击地压实时监测预警系统。通过应力测量代替钻屑量作为冲击地压危险性主要监测指标和实时监测工作面前方应力场的变化规律,实... 详细信息

针对济三煤矿现场监测数据,通过分析和数值计算,建立钻屑量、支承压力以及钻孔应力的关系,在此基础上,研制冲击地压实时监测预警系统。通过应力测量代替钻屑量作为冲击地压危险性主要监测指标和实时监测工作面前方应力场的变化规律,实现冲击地压危险区及危险程度的实时连续监测预警。自主开发的分析预警软件可以实时显示随工作面推进的支承应力动态云图和测点应力柱状图,设定报警阈值,以判断危险区域及其危险程度,预报发生冲击地压的可能性。通过多个冲击危险矿井的应用,表明该系统能准确地预报冲击危险区及其危险程度,实现高冲击危险工作面的安全开采。

关键词：采矿工程当量钻屑法冲击地压超前应力监测预警

基于掘进面应力和瓦斯浓度动态变化的煤与瓦斯突出预警试验研究

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岩石力学与工程学报 2014年第A02期33卷 3581-3588页

作者：姜福兴尹永明朱权洁王存文曲效成北京科技大学土木与环境工程学院北京100083 北京安科兴业科技有限公司北京100083

通过对煤与瓦斯突出主要影响因素的研究,提出基于应力和瓦斯浓度动态变化特征的掘进面煤与瓦斯突出实时监测预警方法——SMD法,建立以钻孔应力增量和瓦斯浓度时间序列变化特征为判定指标的突出预报模糊综合预测模型,可以确定掘进面煤与... 详细信息

通过对煤与瓦斯突出主要影响因素的研究,提出基于应力和瓦斯浓度动态变化特征的掘进面煤与瓦斯突出实时监测预警方法——SMD法,建立以钻孔应力增量和瓦斯浓度时间序列变化特征为判定指标的突出预报模糊综合预测模型,可以确定掘进面煤与瓦斯突出指标值。在此基础上,研制掘进面煤与瓦斯突出监测预警系统,该系统能够实时监测掘进面围岩应力动态变化以及煤体瓦斯浓度动态变化情况,对煤与瓦斯突出危险区及其危险程度进行实时监测预警。通过在矿山的现场应用,表明该系统能够比较准确地预报突出危险区及其危险程度,保障突出危险工作面的作业安全。

关键词：采矿工程掘进面瓦斯浓度煤与瓦斯突出监测预警

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煤矿井下移动救生舱的发展现状及趋势

西安科技大学学报 2011年第6期31卷 803-808页

作者：张安元曲效成青岛科技大学环境与安全工程学院山东青岛266042 北京科技大学土木与环境工程学院北京100083

救生舱可为矿工在灾变环境下提供稳定可靠、保障齐全的维生空间,把灾害的损失降到较低水平。对比分析国外矿业发达国家和中国在救生舱领域发展状况,提出适合我国煤矿生产特点的救生舱研发思路。对煤矿井下移动救生舱进行了分类,并从实... 详细信息

救生舱可为矿工在灾变环境下提供稳定可靠、保障齐全的维生空间,把灾害的损失降到较低水平。对比分析国外矿业发达国家和中国在救生舱领域发展状况,提出适合我国煤矿生产特点的救生舱研发思路。对煤矿井下移动救生舱进行了分类,并从实用性、人机可靠性、经济性等角度探讨了救生舱的外形和功能指标。结合美国凯特、斯塔特和澳大利亚迈安科美国分公司生产的救生舱产品及国内20余家单位研究的产品分析,对煤矿井下移动救生舱的结构与功能参数进行了研究。

关键词：移动救生舱外观指标功能指标

低透气性煤层工作面煤与瓦斯突出灾害中心体致灾机理

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煤炭科学技术 2022年第10期50卷 76-85页

作者：刘国磊王泽东曲效成崔嵛尹永明山东理工大学资源与环境工程学院山东淄博255000 北京安科兴业科技股份有限公司北京100083 中国安全生产科学研究院矿山安全技术研究所北京100012

为有效揭示低透气性煤层回采工作面煤与瓦斯突出机理,提高监测和防治的针对性与有效性,基于瓦斯赋存状态和开采扰动等因素建立了突出灾害中心体力学模型,通过理论分析、相似模拟试验和现场试验的方法,验证了该理论假设,揭示了中心体致... 详细信息

为有效揭示低透气性煤层回采工作面煤与瓦斯突出机理,提高监测和防治的针对性与有效性,基于瓦斯赋存状态和开采扰动等因素建立了突出灾害中心体力学模型,通过理论分析、相似模拟试验和现场试验的方法,验证了该理论假设,揭示了中心体致灾机理,并验证了微震与突出危险的关联性。相似模拟试验结果显示:在煤壁距中心体60~20 m时中心体逐渐孕育和发展,至20~10 m时中心体突出风险急剧升高,该范围即宏观的中心体突出临界区域,是重点防治时期和位置,该结论在寺家庄矿15112回采工作面基于钻屑瓦斯解吸指标K_(1)值的试验中得到验证,突出灾害中心体致灾机理假设也得到验证。结果表明:吸附瓦斯在节理、裂隙等非均质性的孔洞中由于局部煤体破碎且渗透性升高而大量解吸为游离瓦斯,与煤粉混合成具有高能量的气固两相流体,形成突出灾害中心体;中心体在低透气性煤层中是客观性存在的,且赋存于多个位置,采动效应提供了外在动力,导致煤层应力环境和瓦斯状态发生变化,易诱发中心体突出;从中心体致灾的角度得到微震与突出危险间具有较良好的拟合关系,说明微震是有效的突出危险监测手段,为进一步提高突出监测及防治的针对性和有效性提供了方向。

关键词：低透气性煤层煤与瓦斯突出突出灾害中心体致灾机理

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煤矿高应力巷道冲击地压微地震监测技术应用

科技导报 2015年第7期33卷 34-38页

作者：刘国磊曲效成中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院北京100083 中关村科技园区海淀园企业博士后科研工作站北京安科兴业科技有限公司工作分站北京100083 中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院北京100083

针对山西某矿盘区大巷受应力集中影响处于高应力状态,巷道支护困难,多次出现片帮、底鼓、U型钢支架被推倒等动压现象,受到冲击地压威胁,将微地震监测技术应用于该大巷对其顶板岩层破断情况进行监测,共安装2台分站和18个测点,以实现对该... 详细信息

针对山西某矿盘区大巷受应力集中影响处于高应力状态,巷道支护困难,多次出现片帮、底鼓、U型钢支架被推倒等动压现象,受到冲击地压威胁,将微地震监测技术应用于该大巷对其顶板岩层破断情况进行监测,共安装2台分站和18个测点,以实现对该区域内冲击地压灾害进行监测预警。2014年2月1日至3月16日的监测结果表明,监测区域内每日微震事件发生0～4次,事件能量较小,微震事件集中在2个区域,与现场采掘活动密切相关,因此应加强微震事件密集区的监控,如果出现异常应立即采取停产卸压等应对措施。

关键词：巷道应力集中区冲击地压微地震监测

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近水平厚煤层微震垂向定位优化及实践

煤炭科学技术 2021年第11期49卷 81-86页

作者：曲效成徐旭辛崇伟靳国栋王颜亮魏全德北京安科兴业科技股份有限公司北京100083 北京安科兴业矿山安全技术研究院有限公司北京102299

为提高微震系统在近水平厚煤层中垂向定位精度,设计通过安装深孔检波器提高微震台站间高差的方案,对近水平厚煤层中微震系统台站空间布设进行优化;采用数值仿真模拟结合工程试验的方法,研究了深孔检波器的安装对提高震源垂向定位精度的... 详细信息

为提高微震系统在近水平厚煤层中垂向定位精度,设计通过安装深孔检波器提高微震台站间高差的方案,对近水平厚煤层中微震系统台站空间布设进行优化;采用数值仿真模拟结合工程试验的方法,研究了深孔检波器的安装对提高震源垂向定位精度的理论可行性,并通过现场实践进行了验证。数值仿真模拟结果表明:通过提高台站Z坐标,可以有效减小该台站附近的垂向定位误差。现场实践结果表明:深孔检波器安装后,煤层事件频次和微震能量的接收占比分别提高了10.42个百分点和6.64个百分点,顶板事件频次和微震能量的接收占比分别提高了11.58个百分点和12.73个百分点;对同一事件定位结果进行对比,深孔检波器在参与事件定位时,顶板事件垂向高度提高,平均提高36.61 m,最大升高92.64 m;微震能量也存在增大的情况,平均增大1903.44 J,微震能量最大提高9457.39 J;对同一事件的波形进行对比,深孔检波器与邻近的顶板检波器接收到的振动波存在有效到时差。通过安装深孔检波器,有效提高了微震系统对顶板事件的垂向定位精度,为近水平煤层微震台网布设优化提供了指导。

关键词：微震系统近水平厚煤层垂向定位深孔检波器冲击地压

煤矿复合动力灾害危险性实时预警平台研究与展望

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煤炭学报 2018年第2期43卷 333-339页

作者：姜福兴杨光宇魏全德王存文曲效成朱斯陶北京科技大学土木与资源工程学院北京100083 北京安科兴业科技股份有限公司北京100083 北京安科兴业矿山安全技术研究院有限公司北京102299

为解决复合动力灾害危险性实时预警的难题,通过研究煤矿复合动力灾害发生机理和发生前兆的关联性,将复合动力灾害发生前兆分为共性和个性两类,并与监测参数类型相对应,提出了针对复合动力灾害危险性的临场预警、中期预警以及远期预警的... 详细信息

为解决复合动力灾害危险性实时预警的难题,通过研究煤矿复合动力灾害发生机理和发生前兆的关联性,将复合动力灾害发生前兆分为共性和个性两类,并与监测参数类型相对应,提出了针对复合动力灾害危险性的临场预警、中期预警以及远期预警的关键监测参数。复合动力灾害危险性实时预警平台的构成主要包含监测硬件、分析软件及预警方法 3个部分,硬件主要指动力灾害监测系统及平台监控室硬件;软件主要指平台采集及分析软件;预警方法指标包括复合动力灾害危险性联合预警方法和单参数与多参数联合预警方法。在河南、山东等存在复合动力灾害的矿井进行了预警试验和基础研究,预警了矿井的复合动力灾害。同时,展望了复合动力灾害危险性实时预警平台的发展趋势。

关键词：复合动力灾害危险性预警实时预警平台