随着采矿、交通、水电等地下工程向深部推进,深部工程建设过程中遭遇的岩爆灾害发生频次和烈度等级显著提高,准确预判岩爆烈度等级对岩爆灾害防治显得愈发重要。本文综述了国内外23种岩爆烈度分级方法,系统比较了分级方法中用到的8个定性分级指标和7个定量分级指标的特点。定性指标多集中于宏观表象特征的识别,如声响特征、运动特征、时效特征、工程影响等,受主观经验影响较大;定量指标如强度应力比和岩爆坑深度,主要通过实测数据寻求其与岩爆烈度等级的映射关系,其科学性还需进一步研究。重点介绍了强度&应力耦合判据和岩爆坑深度计算方法的最新研究进展,为岩爆烈度分级方法提供了更加科学合理的定量指标。在此基础上,展望了未来岩爆烈度分级方法的发展趋势,其中包括:研发AI驱动的岩爆定量指标智能化无人化测取技术、岩爆定性指标量化处理及自动化分析技术,以此减少人工测取数据导致的误差及安全问题;基于测取数据构建科学全面的岩爆数据库,并建立基于多源指标的岩爆烈度智能分级模型;开发岩爆烈度智能分级平台,实现岩爆灾害评估的全流程自动化;在深部工程拱底岩爆和掘进工作面岩爆频发的背景下,探索构建拱底岩爆和掘进工作面岩爆的烈度分级方法及岩爆坑深度计算方法。
随着煤矿开采深度与强度不断增加,岩层控制难题日益凸显,工作面强矿压、巷道围岩大变形、冲击地压及矿震等灾害日趋严重。水力压裂技术通过在岩层中产生人工裂缝,主动调控岩层结构与围岩应力场,达到弱化岩层和围岩卸压的目的,在解决岩层控制难题方面展现出巨大潜力和广阔前景。本文回顾了煤矿水力压裂岩层控制技术的发展历史,从理论分析、实验室试验及数值模拟角度介绍了水力压裂裂缝在岩层中扩展的研究成果,阐述了水力压裂裂缝扩展形态、特征、规律及主要影响因素;将煤矿岩层水力压裂技术分为3种,分别为井下压裂、地面压裂及井上下协同压裂,并对比分析了各种方法的特点、优势及适用条件;介绍了煤矿井下局部水力压裂、区域压裂、地面压裂工艺及成套装备,包括压裂泵组、工具串、切槽(缝)和射孔装置、监测系统等特性及主要技术参数。论述了水力压裂在巷道围岩卸压、工作面岩层控制及冲击地压防治的机理,揭示了水力压裂“岩层结构改造-岩层能量释放-围岩应力调控”的核心力学机制,并介绍了典型工程应用实例,展示千米深井软岩巷道卸压、10 m超大采高综采工作面强矿压控制、冲击地压与矿震灾害防治等工程的应用情况和显著效果。最后,分析了水力压裂目前存在的问题,展望了水力压裂岩层控制技术的发展方向:压裂理念向超前主动、区域化、一体化发展;压裂设计向定量化、可视化、动态化发展;压裂工艺与装备向精准化、自动化、智能化发展;压裂监测向多源化、精确化、实时化发展。最终,形成“精细探测—定量设计—智能施工—实时监测—全面评价—动态反馈”的水力压裂岩层控制技术体系,为煤矿安全高效开采提供技术支撑。
大水矿山或富水开采条件下,不同浸水深度环境中煤岩体力学性质严重劣化,影响着煤岩系统的安全稳定。为探讨在不同浸水深度下煤岩力学性质及损伤特征,以典型的煤、砂岩和页岩为研究对象,开展0、20、40、60、80、100 mm等6种不同浸水深度下的轴向压缩和声发射试验,分析其力学损伤及失稳机制。研究结果表明:(1)随浸水深度的增加,煤岩弹性模量、损伤应力和抗压强度逐渐降低,煤岩弹性模量、抗压强度劣化度显著增加,在浸水0～20 mm阶段劣化效应最大。(2)随浸水深度的增加,声发射累计振铃计数和峰值振铃计数逐渐减少;累计能量受浸水深度影响逐渐降低。(3)基于声发射RA-AF,不同浸水深度砂岩试样张拉裂纹与剪切裂纹共存,随浸水深度的增加,张拉裂纹占比逐渐增大,剪切裂纹占比逐渐减小。(4)基于声发射构建煤岩损伤演化模型,从应力–应变曲线、损伤效应、抗压强度三方面进行损伤模型合理性验证。煤岩损伤演化过程可划分为损伤初始阶段、损伤发展阶段和损伤加速阶段,随浸水深度的增加,煤岩损伤变量增加。(5)从“微观–细观–宏观”阐明浸水煤岩多尺度失稳破坏机制:浸水作用下煤岩内部矿物颗粒被溶蚀,矿物颗粒体积减小,载荷作用下矿物颗粒发生微断裂、大断裂、全断裂,煤岩内部萌生新的裂纹并扩展、贯通,宏观上出现裂纹,煤岩失稳破坏。该研究可为浸水深度影响下工程煤岩体的安全稳定、防治及评价提供有益参考。
与岩层运动有关的重大灾害在煤矿事故灾害中占主导地位,建立并完善矿山压力控制理论是控制相关灾害的基础。在回顾矿山压力理论发展历程的基础上,总结凝练了以上覆岩层运动为中心的“实用矿山压力控制理论”的内涵,从理论、技术、装备方面总结了实用矿山压力控制理论的突破。在理论方面:构建了显示覆岩运动和支承压力分布发展变化规律的采场动态结构力学模型,确定不同采动条件下模型的动态发展规律;建立了两个应力场理论,揭示了内应力场实现的条件;构建了以位态方程为核心的工作面顶板控制力学模型,建立了工作面顶板控制(支架受力)与岩梁位态之间的关系。在装备方面:研发了三维相似材料模拟试验台、矿压机械模拟试验台等装备,实现了矿山岩层运动规律和支承压力分布规律反演模拟;研制了大量程(200～300 mm)、高精度(0.01 mm)顶板动态仪等监测仪器,形成了岩层动态成套监测装备和平台;搭建了覆岩运动仿真模拟系统,将力学模型以计算机的形式进行展示,实现了矿山压力的仿真与决策。在技术方面:提出了井下岩层动态观测技术,实现了基本顶来压预测预报;提出小煤柱沿空掘巷技术,将回采巷道布置在稳定的内应力场中,成功控制了传统大煤柱护巷诱发的冲击地压、瓦斯突出等动力灾害。最后,凝练了该理论的思维内核,兼具哲学战略性、功能导向性、效果实用性及风险回避性,并指出理论应重点突破的五大前沿方向为采动条件极端化、岩层运动调控化、采动应力调控化、矿山压力利用化与无为化。
深部复杂条件煤层开采地应力高,围岩变形破坏严重,走向和倾向倾角起伏变化大。工作面不同位置的围岩压力、空间形态差异显著,支护技术条件复杂。现有工作面支护装备多为单一、固定功能参数设计,对围岩动态变化的适应能力不足,难以满足复杂条件煤层智能化开采需求。以淮南矿区某示范煤矿千米深井厚煤层超长工作面为例,提出了工作面围岩-支架力耦合(大小、方向和作用点)分析和空间态势、位移耦合分析方法,揭示深部超长工作面覆岩分区破断、压力动态迁移时空演化特征及规律,构建了基于深度学习神经网络的“压力-位姿”融合预测模型,提前预测和判断工作面围岩和装备的力位状态;基于非参数聚类算法提出了液压支架工作阻力和位姿分区准则,建立了不同分区的支护和位姿控制方法;研发了复杂条件工作面“三测两控一平台”智能分析决策系统,实现围岩状态、装备压力和空间信息的综合感知及决策控制,大幅提升装备适应煤层条件渐变或突变扰动的能力。示范工作面应用结果表明:系统有效提升复杂条件工作面支护装备的适应性和灵活性。在采用超长工作面布置,采高范围5.0～6.2 m、倾向平均倾角14°、走向最大倾角17°条件下,平均每天割煤5刀,开采速度提升38.29%。示范应用3个月,推进210.2 m,采煤总量近60万t,实现了淮南地区深部“三软”煤层大采高安全高效开采。本研究提出了适应深部复杂煤层特征的智能化开采方法,为深部煤炭资源的安全高效开采提供了技术支撑。
晋东南矿区复合坚硬顶板呈现低位大跨度悬顶和高位大范围离层的覆岩垮落特征,容易诱发巷道蠕变变形或冲击动力灾害,以改善采场边界形态促进顶板回转下沉为切入点,提出了深–浅孔协同爆破促使高–低位顶板互馈垮断的护巷消冲技术。研究结果表明:采空区边界由固支端转变为简支端,解放了顶板的边界束缚;借助深–浅孔协同导向机制、聚能管控制聚能流的作用和高–低位顶板互馈机制,爆破裂隙在巷道轴向方向发育长度被大幅度延长,为固支端转变为简支端创造基本条件。通过理论计算和现场工程案例确定了开切眼和回采巷道顶板预裂爆破施工参数。工程实践结果表明:开切眼爆破孔促使工作面开采初期顶板由四端固支向三固一简转变,开切眼顶板预裂爆破工作面初次来压步距降低28%; 13132巷道内深–浅孔协同爆破在煤层上方18～40 m形成了裂隙密集区,改善运输巷顶板边界条件,弱化了顶板蓄能属性, 13132巷区域内88%微震事件能量降低至12 500～27 500 J, 1312工作面周期来压步距和动载系数降至9.5 m和1.27,来压步距和来压强度均有所降低。表明深–浅孔协同爆破预裂可有效改善复合坚硬顶板在采场边界的形态,在开采工作面起到了护巷消冲的作用。
掘锚一体化施工是煤层巷道智能高效掘进的发展方向,滚筒截割参数是感知煤体性质变化的第一手数据,掌握其与煤体力学性质的关联规律是实现掘进智能感知的理论基础。抗拉各向异性是煤体的典型力学特征,对破岩与支护工艺设计有显著影响。采用颗粒离散元法,通过“等效夹层”结构实现煤体模型的抗拉各向异性;耦合滚筒与煤体模型,实现滚筒截割方向上煤体抗拉各向异性的可控调节。通过5组不同截割角度的动态截割试验,分析滚筒扭矩与截割阻力信号的变化特征,得出煤体抗拉各向异性对掘锚机截割参数的影响规律。具体结论如下:(1)滚筒截割下拉方向与最小抗拉强度加载方向之间夹角减小过程中,滚筒扭矩呈现增大趋势,扭矩波动性逐渐被抑制,波动幅度从6 209 N·m降低至5 491 N·m;(2)截割阻力信号反映出煤体“压密”与滚筒降速现象呈现此消彼长态势,煤体呈现“整体扰动—扰动消散—局部破坏”3个阶段;(3)滚筒截割下拉方向与煤体最小抗拉强度加载方向重合度越高,煤体对截割的响应振动越大,局部破坏效应越强烈。
研究煤矿工作面采场应力的时空分布规律及演化特征,是建立灾害预警指标和实施有效防控的关键。笔者结合研究团队近年在煤矿数字化建模和智能化开采等方向的研究进展,开展了工作面采场应力数据库构筑及其演化特征可视化输出研究。以工作面应力多源数据为基础,通过数据采集、保真、传输与归一化处理,提出了采场应力数字化重构方法,构建了多源数据融合与高效存储数据库,开发了数据库智能检索、信息化输出和云平台查询等功能。针对采场应力数据库数据离散性等问题,提出了一种基于微元分段傅立叶变换的数据插值方法,开发了“点连成线、线连成面、面连成体”三维插值算法,实现了多源离散数据的连续性表达,构建了基于关键点和关键区域确定的线性、多项式和指数3种采场应力反演模型,开发了采动应力演化三维可视化输出反演算法。开展了煤矿采场应力演化特征的物理试验研究,在实验室尺度实施了采场应力多源数据库构筑及其演化特征的可视化输出。以北京昊华能源集团大安山煤矿典型构造和内蒙古鄂尔多斯马泰壕煤矿3105工作面为工程地质背景,开展了原位应力场精细化插值和基于微震定位和液压支架载荷的采动应力可视化反演,在现场尺度实现了采场应力的动态可视化输出。研究结果表明,通过多源数据缺失填补、重复消除、数据降噪和格式转换,实现了采场数据的采集保真、有效融合和分类入库,并依据检索条件对采场数据进行精确快速查询和定位;基于傅立叶变换的采场应力插值算法分别在一维、二维和三维应力连续性表达中,达到了88%、82%和74%的精度提升;通过对工作面支架压力和微震数据的获取与分析,在现场尺度再现了工作面采动应力的动态演化过程,多源监测数据与反演结果的分布吻合较好,验证了反演结果的准确性。
<正>《采矿与岩层控制工程学报》由煤炭科学研究总院有限公司主办。重点报道采矿工程、矿山岩体力学与岩层控制工程及交叉学科应用基础研究、技术开发及工程实践成果,介绍该领域中的新理论、新方法、新技术,为推动采矿工程、矿山岩体力学与岩层控制工程学科的发展、加强国内外的学术交流、人才培养服务。读者对象为国内外采矿工程领域科技工作者。目前为双月刊,双月25日出刊,为中文核心期刊、中国科技核心期刊,被EiCompendex收录。
合理的沿空掘巷滞后时间是缓解采掘接续压力、提高安全开采效率的关键。基于薄板理论引入麦克斯韦模型,将时间参数与关键层运移建立联系,结合数值模拟和工程实践对顶板破断动态下沉力学模型进行了论证。研究结果表明,关键层上表面的应力集中是岩层破断的关键因素,开采步距、时间与顶板在压实期的挠度成线性相关。数值模拟结果显示,采空区压实期(30 d内)受残余采动影响,关键层位移发育迅速,采空区关键层中部应力由中心向边缘传递,并最终集中在巷道的顶板。终采后采空区短时间内应力集中显著,仍有发生动力灾害的倾向性,短时间(60 d内)不具备掘巷条件。现场的矿压监测与微震数据从时间与空间角度侧面证明了开采动压的残余影响,微震事件由深部向浅部逐步发展,证实了采空区压实期内存在由应力集中到平衡的时空演化过程。以时间参数为连接点,将关键层运动和巷道掘进时间有机的结合起来,对沿空掘巷时机的选择有重要的理论指导意义。