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采区坚硬岩层动力灾害致灾能量演化及充填弱化机理研究

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采矿与安全工程学报 2023年第5期40卷 1078-1091页

作者：周楠李泽君张吉雄李百宜闫浩中国矿业大学矿业工程学院深部煤炭资源开采教育部重点实验室江苏徐州221116 中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室江苏徐州221116

坚硬岩层变形破断是引起工作面动力灾害的主要原因之一,充填弱化坚硬岩层致灾能量是防治坚硬顶板型动力灾害的有效手段。为进一步研究采区坚硬岩层动力灾害致灾能量演化及充填弱化机理,以内蒙古某矿八采区为例,采用理论分析与数值模拟... 详细信息

坚硬岩层变形破断是引起工作面动力灾害的主要原因之一,充填弱化坚硬岩层致灾能量是防治坚硬顶板型动力灾害的有效手段。为进一步研究采区坚硬岩层动力灾害致灾能量演化及充填弱化机理,以内蒙古某矿八采区为例,采用理论分析与数值模拟相结合的方法,分析了采区坚硬岩层破断特征和不同开采方案下的动力致灾能量演化规律,得到了采区多工作面开采坚硬岩层动力灾害危险性及充填弱化因素。研究表明:高位坚硬岩层断裂尺寸由采区走向与倾向开采长度共同决定;采区第2个工作面开采时,坚硬岩层动力灾害危险性明显增加;当充填体与顶板同侧未接触面积小于或等于1个工作面时,充填开采可以有效减小煤体与坚硬岩层的积聚能量,弱化采区坚硬岩层动力灾害,不同充填方案弱化动力灾害效果排序为:全采全充>采3充2(间隔工作面充填)>采3充2(连续工作面充填)>采3充1(中间工作面充填)>采3充1(两侧工作面充填)。

关键词：坚硬岩层破断尺寸动力灾害充填开采数值模拟

坚硬岩层复合爆破聚能效应及定向破岩机理研究

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坚硬岩层复合爆破聚能效应及定向破岩机理研究

作者：姜泽太原理工大学

学位级别：硕士

随着煤层开采强度、开采深度的增加,煤层开采对巷道的扰动更加剧烈,工作面回采后会出现基本顶悬顶时间长、跨度大等特征,导致巷道围岩应力集中明显,巷道变形问题突出。为实现对坚硬岩层的定向精准预裂,以提高对于巷道围岩稳定性的控制水... 详细信息

随着煤层开采强度、开采深度的增加,煤层开采对巷道的扰动更加剧烈,工作面回采后会出现基本顶悬顶时间长、跨度大等特征,导致巷道围岩应力集中明显,巷道变形问题突出。为实现对坚硬岩层的定向精准预裂,以提高对于巷道围岩稳定性的控制水平,本文提出一种坚硬岩层复合爆破定向造缝技术,通过射孔弹和炸药的复合爆破,实现定向造缝,论文采用理论分析、地面试验、LS-DYNA数值模拟以及现场工程实践等综合研究手段,系统的研究了坚硬岩层复合爆破聚能效应及定向造缝破岩机理,取得以下研究成果:(1)详细阐述了复合爆破技术关键设备及结构,厘清聚能射流成型理论及复合爆破定向造缝机理;在地面进行了复合爆破定向造缝破岩试验,使间距为1.5 m的两个钻孔之间形成定向连续的裂缝面,证实了复合爆破定向造缝技术的可行性。(2)通过LS-DYNA数值模拟软件计算得到射孔弹炸高、药型罩锥角、岩石强度三个重要影响因素对聚能射流破岩孔道深度的演化规律。随着射孔弹炸高的增加,射孔深度逐渐增加,在现场应用时,需要结合炮孔直径的大小尽可能的增大炸高以提高射孔深度。药型罩锥角在50°到80°范围内对射孔深度的影响基本呈现负相关,当药型罩锥角为50°时,岩石射孔深度最大达到164 mm,岩石损伤深度达到175 mm,由于不同药型罩锥角形成的射流头部和射流杵体部分占药型罩的质量百分数不同,锥角越小,射流有效质量增大,从而增大侵彻的深度。岩石强度对射孔深度的影响基本呈现负相关,随着岩石强度的增加,岩石的动态断裂强度因子增大,对于聚能射流过程,金属粒子流尖端冲击岩石造成接触点应力集中,当应力集中程度大于岩石的动态断裂强度时,岩石便发生破坏。基于数值模拟结合现场实践工况得到复合爆破第一阶段聚能射流最优参数。(3)射流缝的存在使二次爆炸产生的能量持续集中,使得能量朝既定的方向发展,提高了能量的利用率,聚能射流形成的裂缝对爆生气体作用下的裂缝扩展具有导向作用。利用LS-DYNA研究得到炸药量对裂缝定向扩展影响规律及相邻炮孔的贯通情况,研究表明,在同一炸药量条件下,岩石裂缝的扩展速度总体上呈现先快速增大到峰值,然后逐渐波动下降的规律,裂缝尖端附近区域出现持续的集中应力,应力最大达到460MPa左右,当二次爆破的炸药量为50*40 mm时,裂缝可以贯通钻孔间距为1.5 m的岩石。同时相邻裂缝间由于受到爆生气体持续的高温高压冲击,出现较大范围的损伤,在煤层上覆岩层的压力及岩石自身的碎胀特性的影响下,岩层便会沿着裂缝面出现垮落,实现定向切顶。(4)现场进行了工程试验,设计复合射孔爆破相关参数及方案布置,在2311巷道布置3个钻孔进行试验,钻孔间距分别为1.5 m与2.0 m,通过对爆破孔进行钻孔窥视发现复合爆破技术的爆破成缝率较高,1号爆破孔、2号爆破孔、3号爆破孔的裂缝率分别为91%、89%、61%。表明了复合爆破技术的可行性,也验证了论文的研究成果。

关键词：坚硬岩层复合爆破聚能射流定向造缝岩石损伤

巨厚坚硬岩层下基于防冲的开采设计研究与应用

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煤炭学报 2019年第6期44卷 1707-1715页

作者：翟明华姜福兴朱斯陶张明姚顺利郭信山孙翔山东能源集团有限公司山东济南250014 北京科技大学土木与资源工程学院北京100083 安徽理工大学深部煤矿采动响应与灾害防控安徽省重点实验室安徽淮南232001 应急管理部通信信息中心北京100013

在我国多个分布有巨厚坚硬岩层的矿区,巨厚坚硬岩层运动导致的强矿震和强冲击地压致灾后果严重,治理难度大,已经成为这些矿区矿井安全生产的主要障碍。通过分析巨厚坚硬岩层下冲击地压的发生规律,提出了此类矿井冲击地压存在“关键工作... 详细信息

在我国多个分布有巨厚坚硬岩层的矿区,巨厚坚硬岩层运动导致的强矿震和强冲击地压致灾后果严重,治理难度大,已经成为这些矿区矿井安全生产的主要障碍。通过分析巨厚坚硬岩层下冲击地压的发生规律,提出了此类矿井冲击地压存在“关键工作面效应”、“震动诱冲效应”和“冲击震动效应”3个共同特点。“关键工作面”是指该工作面在开采时会导致巨厚坚硬岩层发生断裂和强烈运动,并开始出现强烈的矿震或冲击地压;“关键工作面效应”是指“关键工作面”开采过程中发生的强动力灾害;“震动诱冲效应”是指巨厚坚硬岩层断裂震动在地层中产生的动应力传播到处于高应力状态的煤体上后,诱发的冲击地压灾害,其显现特点是“震源与冲击显现位置不一致”;“冲击震动效应”是指当开采到关键工作面位置后,巨厚坚硬岩层的传递压力将急剧增加,当部分煤体达到发生冲击的条件时即可发生冲击,同时引起能量巨大的震动,这类冲击的显现特点是“震源与冲击显现位置一致”。采用覆岩空间结构理论、地表沉陷观测、微震和应力监测数据,提出了辨识关键工作面的方法;阐述了山东能源集团3个不同类型巨厚坚硬岩层冲击地压矿井采用保护层开采、负煤柱设计、关键工作面确定与参数设计、避开震动损害边界开采设计、小煤柱设计和顺序开采工作面参数优化设计等综合方法,实现防冲安全的具体做法。

关键词：巨厚岩层坚硬岩层防冲开采设计关键工作面冲击地压

复杂坚硬岩层条件下特厚煤层综放开采矿压分级预测

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煤炭学报 2021年第S1期46卷 38-48页

作者：李云鹏赵善坤李杨王寅秦凯孙德全李一哲赵阳煤炭科学研究总院深部开采与冲击地压研究院北京100013 煤炭科学技术研究院有限公司安全分院北京100013 山东省深部冲击地压灾害评估工程实验室山东济南250100 山东省煤田地质规划勘察研究院山东济南250100 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室北京100013 辽宁工程技术大学矿业学院辽宁阜新123000

顶板事故发生起数和死亡人数长期以来在我国煤矿各类事故中占有很大比例,特别是覆岩存在多层坚硬岩层时,其覆岩结构具有系统性、复杂性,易造成强烈的矿山压力显现,甚至诱发矿井动力灾害。因此,亟需提出适用于复杂坚硬岩层条件下矿压分... 详细信息

顶板事故发生起数和死亡人数长期以来在我国煤矿各类事故中占有很大比例,特别是覆岩存在多层坚硬岩层时,其覆岩结构具有系统性、复杂性,易造成强烈的矿山压力显现,甚至诱发矿井动力灾害。因此,亟需提出适用于复杂坚硬岩层条件下矿压分级预测方法,为坚硬岩层控制提供理论支撑。基于复杂坚硬岩层条件下特厚煤层综放开采矿压显现特征,确定了不同空间位置坚硬岩层具有不同的矿压控制作用,即低位坚硬岩层控制小周期来压、中位坚硬岩层控制大周期来压、高位坚硬岩层控制强矿压显现;基于板壳力学、塑性力学理论,结合不同空间位置坚硬岩层的控制作用,建立了坚硬岩层“多层位板式结构”系统模型,根据结构形式将坚硬岩层划分为近场悬臂结构和远场砌体结构,揭示了复杂坚硬岩层破断运动过程具有渐进、复合等特征;建立了一套坚硬岩层破断尺度判据,形成了复杂坚硬岩层条件下的矿压分级预测方法。以大同矿区石炭系特厚煤层综放开采矿井为工程背景开展了矿压分级理论预测,通过分析现场矿压监测、微震监测数据,证实了复杂坚硬岩层条件下的矿压分级预测方法的适用性。研究成果一定程度上实现了复杂坚硬岩层的可知、可控,但不同坚硬岩层控制的结构破断时能量是如何传递至采场范围并引起动力显现的机理尚未完全阐明,该问题的研究可为坚硬岩层的精准控制提供理论支撑。

关键词：坚硬岩层特厚煤层综放开采结构破断板壳理论塑性力学

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采场上覆坚硬岩层破断的数值模拟研究

采矿与安全工程学报 2013年第2期30卷 205-210页

作者：曹胜根姜海军王福海程正刚武忠进中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室矿业工程学院江苏徐州221116

坚硬顶板在煤层开采后形成大面积悬顶,通常会给采场乃至矿井造成严重的破坏。运用理论计算,数值模拟方法分析研究不同坚硬岩层距煤层距条件及不同支架阻力作用下,采场上覆岩层的运动规律。结果表明,当煤层上覆直接为坚硬岩层时(坚硬岩... 详细信息

坚硬顶板在煤层开采后形成大面积悬顶,通常会给采场乃至矿井造成严重的破坏。运用理论计算,数值模拟方法分析研究不同坚硬岩层距煤层距条件及不同支架阻力作用下,采场上覆岩层的运动规律。结果表明,当煤层上覆直接为坚硬岩层时(坚硬岩层距煤层0 m),支承压力集中系数及系统释放的能量最大,坚硬岩层的破断会对工作面的安全生产构成很大威胁,易造成压架事故或冲击矿压等。采用强制放顶处理此类顶板在现场取得了较好的应用效果。

关键词：坚硬岩层强制放顶岩层控制能量

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坚硬岩层巷道快速掘进技术研究

机械管理开发 2022年第2期37卷 157-158页

作者：雷胖山西汾西正令煤业有限责任公司山西孝义032300

为提高坚硬岩层巷道掘进效率及安全保障能力,以山西某矿南三采区集中回风巷掘进为工程背景,提出采用CMZY4-200/35钻装锚掘机+中深孔爆破组合方式掘进,并依据现场情况对巷道掘进方案进行设计。应用该方案后,南三采区集中回风巷掘进进尺... 详细信息

为提高坚硬岩层巷道掘进效率及安全保障能力,以山西某矿南三采区集中回风巷掘进为工程背景,提出采用CMZY4-200/35钻装锚掘机+中深孔爆破组合方式掘进,并依据现场情况对巷道掘进方案进行设计。应用该方案后,南三采区集中回风巷掘进进尺平均为95.6 m/月,作业人员数量减少18人,取得较好的应用成果。

关键词：坚硬岩层巷道掘进钻装锚掘机中深孔爆破

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顶管施工坚硬岩层非爆破破岩掘进技术

建筑技术开发 2022年第8期49卷 104-107页

作者：赵斌北京市政建设集团有限责任公司北京100000

在部分地下工程中,管道工程会遇到坚硬岩层,采取科学有效的破岩掘进技术,同时保证工程进度和安全性,对于工程顺利开展至关重要。首先对非爆破掘进技术进行概述,阐析常用的技术手段,在此基础上以具体工程为例,分析顶管施工中遇到坚硬岩... 详细信息

在部分地下工程中,管道工程会遇到坚硬岩层,采取科学有效的破岩掘进技术,同时保证工程进度和安全性,对于工程顺利开展至关重要。首先对非爆破掘进技术进行概述,阐析常用的技术手段,在此基础上以具体工程为例,分析顶管施工中遇到坚硬岩层时采用非爆破破岩掘进技术的效果及施工注意事项等。旨在通过此次研究,为类似工程施工提供参考。

关键词：顶管施工坚硬岩层非爆破掘进技术纠偏