冲击倾向性煤体的细观特征与裂纹失稳的试验研究

对大同忻州窑矿、开滦赵各庄矿具有冲击倾向性煤体试样的扫描电镜（SEM）及三点弯曲试验。分析了冲击煤的显微组分、细观结构特征；并且通过对SEM数字图像和栽荷位移关系的分析。初步解释突出煤体裂纹损伤演化的细观机理．试验表明，（1）煤是非均质材料，突出危险煤的微结构以粒状、网状、片状结构为主，也可以见到鳞片状和压扭性结构；（2）发生冲击地压灾害的破坏煤体中，裂纹主要为新生裂纹，且裂纹的扩展通常具有一定厚度带状区域，裂纹由萌发、维护到结构失稳的破坏过程具有自组织、能量耗散的特征；（3）经过冲击地压破坏后的试样破坏强度低于渐进破坏煤体试样的强度，约为1／3—1／2，这也说明因冲击地压能量突然释放引起的失稳破坏具有显著不同的特征．图10．表1。参10．     

煤岩组合体性质与比例影响力学特性规律

为研究煤岩性质与比例对组合体力学特性和能量积聚规律的影响.选取细砂岩-煤、粗砂岩-煤、细砂岩-煤-粗砂岩3种组合体和3:1、2:1、1:1、1:2、1:3五种岩煤高度比,对不同组合体开展了单轴压缩实验研究.研究结果表明:岩煤高度比相同的组合体,细砂岩-煤组合体强度较大,冲击倾向性更强;随着岩煤高度比增大,组合体强度均有不同程度的减小,组合体冲击倾向性有所增强;岩煤高度比相同条件下,粗砂岩-煤组合体能量积聚较多,煤是组合体能量积聚的主要载体;随着岩煤高度比的增大,组合体峰前积聚能量均逐渐增多;探讨了组合体破坏过程的能量传递机制,煤组分破坏释放的能量传递给岩石组分,促使岩石发生破坏.研究结果揭示了坚硬顶板条件下厚煤易于发生冲击地压的机理,对于坚硬顶板型和煤体储能型的冲击地压研究具有一定参考价值.     

浅谈冲击地压工作面危险性的评价方法

在煤炭资源开采深度以及开采强度增加的当下,煤矿矿井冲击地压等动力灾害日益加剧,对煤矿的安全开采产生严重威胁。煤矿冲击地压现象在矿山开采过程中,是比较常见且容易发生的一种动力现象,通常也是矿山压力所显现出来的一种特殊的呈现形式。冲击地压是在人为开采扰动下,岩石的原始受力状态发生变化,原始应力受到破坏,大量弹性应变能积聚在煤岩体内部,受到破坏后应变能突然释放,导致煤体或者煤岩结构内部失稳,进而引起冲击破坏。在一些特殊的工程地质背景条件下,冲击地压可能还会引发一些其他如煤与瓦斯突出、粉尘爆炸、水灾、火灾等的矿井灾害。     

不同加载速率下煤岩组合体碎块分形特征与能量传递机制

为了研究不同加载速率下煤岩组合体破坏碎块的分布、分形特征以及失稳破坏机制,对细砂岩煤（FC）、粗砂岩煤（GC）、细砂岩煤粗砂岩（FCG）3种煤岩组合体开展0.001,0.005,0.01,0.05,0.1 mm/s加载速率下的单轴压缩试验,结果表明：1）0.001 mm/s速率下破坏煤块粒径较小,为完全充分破坏,破坏类型属于塑性破坏。0.1 mm/s加载速率下,试件破坏碎块粒径最大,形状不规则,为不完全不充分破坏,破坏类型属于脆性破坏。加载速率对试件破坏的影响主要表现在：裂隙发育程度、破坏块体粒径、破坏块体数目、能量释放速度、破坏形式、失稳机制。2）试件碎块具有明显的分类特征。随着加载速率增大,4.75~<10 mm、10~<20 mm两种粒径等级的碎块数量逐渐减少,试件的破碎程度减小;3种试件的长/厚值随着碎块粒径的减小呈现先增加后减小的趋势;对于相同粒径等级内的碎块,其长/厚值随加载速率增大而增大,增大加载速率会促进薄形态碎块生成。3）5种加载速率下,FC、GC、FCG组合体的粒度数量分形维数分别在1.53~0.55、1.27~0.26、1.45~0.46之间,粒度数量分形维数随着加载速率增大而减小,加载速率越大,分形维数越小;FC、GC、FCG组合体粒度质量分形维数分别在2.35~1.48、2.36~1.34、2.34~1.58之间,粒度质量分形维数均随加载速率增大而减小。4）针对煤岩组合体破坏形态,分析了组合体破坏过程的能量传递机制。组合体不断受载,煤组分最先发生破坏,释放的能量直接传递给岩石组分,若达到岩石组分的储能极限,则导致岩石组分发生破坏。煤岩组合体破坏过程的能量传递机制较好地揭示了岩石组分破坏的滞后现象。     

冲击地压震源机理研究

为了进一步理解冲击地压发生的机理,解释冲击地压发生的过程,本文在论述了冲击地压发生的刚度理论、能量理论和失稳理论的统一性的基础上,提出了冲击地压的震源机理,认为冲击地压是一个动力学过程,它包括冲击地压震源的形成,冲击地压应力波的形成及传播和在应力波作用下自由面处岩体的破坏及冲出三个子过程,冲击地压发生所需能量由震源提供,而冲击地压的破坏作用是应力波造成的。利用震源机理分析了冲击地压的发生过程,揭示了震源形成的规律,推导出了应力波最大应力峰值的计算公式,给出了应力波传播衰减规律,解释了应力波在自由面处对煤体的破坏作用。     

矿井煤岩体变形失稳问题的研究

本文对矿井中几种变形失稳现象:煤体冲击地压、矿震、顶底板冲击地压及煤与瓦斯突出,分别建立了煤岩体压缩、剪切、拉伸、固液耦合失稳模型及失稳判别准则,初步构画了矿井煤岩体失稳问题的框架.     

煤层冲击地压形成机制及防治措施

冲击地压是矿山开采中发生的煤岩动力现象,是威胁煤矿安全生产的严重灾害之一。这种动力灾害通常是在煤岩力学系统达到极限强度时,聚积在煤岩体中的弹性能量以突然、急剧、猛烈的形式释放,在井巷发生爆炸性事故,造成煤岩体振动和破坏,动力将煤岩抛向井巷,同时发生强烈声响,造成设备、井巷的破坏,人员的伤亡等。冲击地压可能还会引发其它矿井灾害,尤其是瓦斯煤尘爆炸、火灾以及水灾,破坏通风系统,严重时造成地面震动和建筑物损坏等。本文结合实例对冲击地压现象分析、煤层及煤层与顶底板组合的冲击倾向性试验及顶板煤层型冲击地压的防治进行具体分析。     

瓦斯煤层冲击地压发生机理

为有效预测与防治瓦斯煤层冲击地压,揭示瓦斯煤层冲击地压发生机理,建立了发生判据,并对瓦斯煤层冲击地压与煤和瓦斯突出的区别进行了阐述。瓦斯煤层冲击地压是在地应力和瓦斯孔隙压力综合作用下发生的,是固流耦合作用下发生的煤层冲击地压。瓦斯煤层变形破坏受有效应力的支配,孔隙压力抵消了部分地应力作用。由于瓦斯对煤物理力学性质影响,既有减缓冲击地压强度的趋势,又有增加冲击地压频度的趋势。瓦斯煤层冲击地压与煤和瓦斯突出的孕育过程是相似的,但发生过程和能量来源有很大区别。     

冲击地压的能量机理及其应用

根据煤岩体在变形过程中宏细观能量耗散,得出煤岩体裂纹尖端拉应力过大而失稳扩展是冲击地压发生的根本原因;定义弹性能衰减度和塑性能变化率.研究结果表明:弹性能衰减度与弹性模量E成正比,当受载煤岩体应变达到(3-√3)/2 ε0时,弹性能衰减度取得最大值(1-√3)E exp(-3+√3),若弹性能衰减度大于临界值,则冲击地压就会发生;塑性能变化率和岩体破坏过程中电磁辐射脉冲数呈0.168的正比关系;降低煤体裂纹尖端拉应力和弹性模量是防治冲击地压的有效途径,在此基础上提出煤层注水防治7339工作面冲击地压的方案,工程实档践证明,该方案是切实有效的.     

煤体受载损伤过程能量演化规律与破坏特征试验

为研究煤体动力灾害孕育发展过程的破坏特征及其前兆信息,通过单轴压缩试验,分析了煤体受载破坏过程中的能量演化规律,对煤体失稳破坏的前兆特征进行了判识。结果表明：煤体受载破坏过程呈显著的非线性演化特征,能够判识煤体失稳破坏的临界点、失稳点与破坏点信息;煤体受载损伤不同阶段能量演化特征差异显著,进入弹性阶段后,输入能快速增加,弹性能占比呈升高趋势,耗散能变化较大,煤体失稳破坏时耗弹比呈“阶跃”式突变特征,其值从30迅速增至90;定义并计算了能量耗散率与能量释放率,该指标在煤体破坏的临界点、失稳点与破坏点同样出现了异常响应特征,破坏点处最为显著,G_d/G_e的值由20突增至100以上。受载煤体失稳破坏本质上是外界能量输入与驱动的结果,煤体能量指标能够更好地揭示试样损伤破坏过程的非线性演化特征,精细地捕捉煤体失稳破坏的前兆信息。     

断层对煤层水力压裂裂缝扩展的影响

针对煤层中的次生断层或小型滑移断层会影响水力裂缝扩展方向的问题,通过建立压裂裂缝遇断层的二维模型,采用理论分析和数值模拟方法分析逼近角度、水平主应力差、煤岩体弹性模量差异等因素对水力裂缝扩展方向的影响规律,建立裂缝穿过断层形成有效压裂的判断准则,在给定煤岩体参数条件下,拟合出水力裂缝穿过断层形成上下盘煤层贯通裂缝的逼近角度-水平主应力差的临界曲线。结果表明:逼近角度、水平主应力差、煤岩体弹性模量是影响压裂裂缝走向的主要因素,在低主应力差、较小逼近角度、较高顶板弹性模量的情况下,断层面易产生张开型破坏;当逼近角度-应力差坐标点位于曲线上方时裂缝将穿过断层面进入顶板,当角度-应力差坐标点位于曲线下侧时断层面张开裂缝将扩展至下部煤层形成上下盘煤层贯通裂缝。     

煤巷掘进发生冲击地压的机理

大部分冲击地压发生在煤巷掘进期间,当煤层具有潜在冲击危险时,在高应力区掘进煤巷会引起应力平衡的突然破坏和变形系统的失稳,导致煤体及围岩中的弹性变形能突然释放,从而发生冲击地压。     

薄煤层冲击矿压发生机理及防治研究

分析了崔庙矿薄煤层诱发冲击矿压的原因,验证了薄煤层深部开采时具有冲击矿压现象,实验研究了薄煤层的冲击矿压危险性与煤岩体的结构特征的关系,即组合煤岩试样的冲击能指数随着顶板与煤样高度比值的增加而增加,随着煤岩高度比减小,组合煤岩单轴抗压强度增大,煤层厚度的变化对煤体中的应力分布有着很大的影响,探讨了薄煤层应力分布及转移规律和冲击矿压机理,即煤层越薄,煤体承载能力越强,越不容易产生应力转移,由于开采煤体,引起峰值应力区垂直应力升高,水平应力对煤体约束减小,导致冲击矿压。文中以崔庙矿为工程研究背景,通过设置切顶巷和顶板深孔爆破降低了冲击危险性,取得了显著效果,验证了薄煤层开采切顶巷防冲技术和顶板预裂爆破技术的可行性。     

高位巨厚岩浆岩断裂失稳机理研究

济宁二号井煤层埋藏较深,煤层上方赋存有巨厚无层理的岩浆岩,其失稳运移对安全生产具有潜在威胁。文章以相似模拟实验为手段研究了深部煤层开采过程中高位赋存的岩浆岩的运移机理,得出岩浆岩初次破断为固支梁的下位拉断非全厚破断,且破断后立即失稳;周期破断为全厚回转拉破断,破断后岩浆岩岩块铰结成"梁",不易失稳。     

基于AE的深部复变环境下急斜特厚煤层开采动力失稳分析

华亭煤矿5#煤是赋存在深部的急斜特厚煤层,其开采扰动极其频繁,最大主应力与最小主应力相差较大,开采过程中频繁出现动力失稳并诱致衍生灾害.基于声发射的煤岩动力失稳行为实验与现场相关测试的比较,综合分析了复杂变化环境下煤岩在不同的动态拉伸比能、压缩变形阻力和剪切应力作用下的失稳声发射能率和总事件等定量规律.     

多层煤-岩介质中扇形深孔爆破应力场特性

在大量现场实验基础上选择有代表意义的实际工程为背景,利用三维数值模拟方法,建立了较合理的煤--岩介质穿层爆破计算模型,获得不同位置抽放孔有效应力随时间的变化规律,分别探讨了各特定位置有效应力随距离增加而衰减的差异.计算结果表明:在计算模型条件下,复合介质孔口煤层和孔底煤层中爆破击穿范围分别为1.4和1.8 m;孔底由于受应力波的叠加和反射双重作用影响,在相同距离时孔底有效应力平均值较孔口大73%;煤--岩复合介质中煤层爆破效果优于单煤层爆破效果,在同等情况下,复合介质煤层中孔口处有效应力极值较单煤层增加17%～42%,孔底增加6%～24%.     

急斜煤层放顶煤开采中基本顶的溃屈破断分析

针对急斜煤层水平分段放顶煤开采过程中基本顶破坏活动对工作面的影响,应用板裂介质力学计算模型,进一步研究结构分叉后平衡路径的演化途径;应用后屈曲能量准则建立平衡稳定模态幅值方程和溃屈极限长度方程。研究表明:分叉点附近的邻域与煤层赋存条件、岩体材料及结构几何特征有关;基本顶从初始屈曲到后屈曲的变形过程中,只有当正则因子改变正负号时,系统才会从一个状态跳到另一个状态,基本顶岩体结构的后屈曲是一个由分叉点后屈曲性态到极值点后屈曲性态的耦合过程;而由倾角确定的剖分因子始终控制着系统状态变量与载荷的对应关系,影响基本顶的稳定性。     

Structure instability forecasting and analysis of giant rock pillars in steeply dipping thick coal seams

Structure stability analysis of rock masses is essential for forecasting catastrophic structure failure in coal seam mining. Steeply dipping thick coal seams (SDTCS) are common in the Urumqi coalfield, and some dynamical hazards such as roof collapse and min-ing-induced seismicity occur frequently in the coal mines. The cause of these events is mainly structure instability in giant rock pillars sand-wiched between SDTCS. Developing methods to predict these events is important for safe mining in such a complex environment. This study focuses on understanding the structural mechanics model of a giant rock pillar and presents a viewpoint of the stability of a trend sphenoid fractured beam (TSFB). Some stability index parameters such as failure surface dips were measured, and most dips were observed to be between 46° and 51°. We used a digital panoramic borehole monitoring system to measure the TSFB’s height (ΔH), which varied from 56.37 to 60.50 m. Next, FLAC3D was used to model the distribution and evolution of vertical displacement in the giant rock pillars;the re-sults confirmed the existence of a TSFB structure. Finally, we investigated the acoustic emission (AE) energy accumulation rate and ob-served that the rate commonly ranged from 20 to 40 kJ/min. The AE energy accumulation rate could be used to anticipate impeding seismic events related to structure failure. The results presented provide a useful approach for forecasting catastrophic events related to structure in-stability and for developing hazard prevention technology for mining in SDTCS.