构造与巨厚砾岩耦合诱发回采巷道冲击地压致灾机理研究

构造与巨厚砾岩耦合诱发回采巷道冲击地压致灾机理研究项目公示内容【项目名称】构造与巨厚砾岩耦合诱发回采巷道冲击地压致灾机理研究【提名单位】河北省煤炭学会【完成单位】华北科技学院、中国矿业大学（北京）、开滦（集团）有限责任公司唐山矿业分公司、河北省煤田地质局新能源地质队【主研人员】张科学、李东、赵毅鑫、姜耀东、王宏伟、王晓玲、马宏军、牛小军、杨岁寒、马敏【项目简介】所属科学技术领域：该成果属矿业工程领域，应用研究类项目，研究起止时间2019年01月至2021年12月。本项目采用了现场探测、实验室实验、相似模拟试验、数值计算、力学分析及现场应用相结合的研究方法，定量描述了向斜、断层和巨厚砾岩与回采巷道围岩冲击失稳的相关性及作用机制，通过地质探测建立构造与巨厚砾岩耦合条件下工作面岩层物理相似模型和三维可视化数值模型，研究了向斜、断层和巨厚砾岩耦合条件下回采巷道围岩裂隙发育特点及空间展布形态，得到了向斜、断层和巨厚砾岩对回采巷道围岩应力场、能量场和位移场的互馈影响机制及时空演化规律；分析了巷道围岩能量的稳定态积聚和非稳定态释放的非线性力学过程；建立了构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道围岩冲击失稳力学模型，探索了构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道围岩工程动力响应特征，揭示了回采巷道冲击地压致灾机理，发现了回采巷道一级支护(锚杆支护体系)、二级支护(U型钢联合支护体系)、三级支护(强力柔性防冲支护体系)三种支护方式对回采围岩冲击特性的影响规律，提出了构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道防冲支护体系，指导了现场工程的实际应用。本研究对完善冲击地压致灾机理及煤炭安全开采具有科学意义和工程指导价值。主要研究内容：（1）发现向斜、断层和巨厚砾岩与回采巷道冲击地压的相关性及相互作用机制；（2）揭示向斜、断层和巨厚砾岩耦合诱发回采巷道冲击地压时围岩应力场转移、能量场积聚、塑性区扩展和位移场演化（三场一区）规律；（3）得出工作面高地应力和强开采条件下构造与巨厚砾岩耦合诱发回采巷道冲击地压的致灾机理；（4）提出构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道冲击地压综合防治体系和具体防治措施。创新点：（1）创新提出了构建构造与巨厚砾岩耦合条件下围岩冲击危险性多层次综合评价和基于BP神经网络模型的复杂条件下围岩冲击危险性综合评价方法，确定了构造与巨厚砾岩耦合条件下围岩冲击危险性影响因素，建立了构造与巨厚砾岩耦合条件下围岩冲击危险性综合评价模型；（2）创新建立构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道围岩冲击失稳力学模型和各类煤岩组合形态各层位“σ-ε”、“σ-ε-E”之间的力学关系模型，揭示了“推采速度-动应力加载强度”之间力学关系，搭建了构造与巨厚砾岩耦合条件下围岩冲击地压微震监测预警体系，得到了“T”型应力传递结构应力场估算方法；得到了不同组合煤岩体不同层位应力和应变的关系、应力、应变和不同层位的蓄能关系；（3）创新构建构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道的物理模拟模型、三维可视化数值模型和不同组合煤岩体数值模型，得到采动作用下构造与巨厚砾岩耦合诱发回采巷道围岩全阶段应力场、能量场、位移场变化规律，发现各层位煤岩体剪切破坏、塑形破坏的规律以及弹性能变化和弹性能积聚规律，得出不同组合煤岩体的主要蓄能层位和破坏位置；（4）首次提出采用应力场、能量场、塑性区、位移场（三场一区）研究构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道围岩冲击特性，发现基于“动-静”应力条件下巷道围岩裂隙发育特点及空间展布形态，提出构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道围岩应力演化规律，揭示构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道围岩应力场、能量场和位移场的互馈影响机制，得到构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道冲击地压发生机理；（5）首次提出了构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道冲击地压综合防治体系、具体防治措施和不同空间上多层位立体联合卸压防治技术，制定了多层位立体精准联合防冲措施，创新性采用CDEM数值分析软件建立构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道防冲支护离散元数值模型，得出了强力柔性支护体系在防冲巷道支护中对巷道围岩应力场、能量场和位移场的关键控制作用。技术经济指标：研究成果在3个矿井应用推广，近3年为相关矿井安全采出370多万吨煤炭资源提供技术保障，产生重要的安全和经济效益。研究成果发表论文20余篇，申请专利20余项；获软件著作权3项；培养博士研究生10余名、硕士研究生20余名。推广应用及效益情况：本项目在唐山矿、耿村矿、首山一矿等煤矿应用推广，安全回采煤炭370多万吨，实现产值约9.5亿元，利税约1.6亿元。通过本项目的研究，大大提高了唐山矿、耿村矿、首山一矿冲击地压危险区的监测预警分析水平和对冲击地压控制水平，而且研究成果对其它冲击地压严重的矿井也有积极的推广价值。推动科技进步的作用：构造与巨厚砾岩耦合诱发回采巷道冲击地压致灾机理研究的成功研制，对受构造与巨厚砾岩耦合诱发回采巷道冲击地压的唐山矿、耿村矿、首山一矿等煤矿有着重大的意义。从技术手段上为唐山矿、耿村矿、首山一矿等煤矿开采提供安全保障，同时大量解放受承复杂地质条件下煤矿冲击地压威胁的煤炭资源，提高了矿井冲击危险区域的监测预警分析水平和对冲击地压控制水平，为河北省同等地质条件下冲击地压矿井开采提供技术与理论支撑。【代表性论文、专著目录】主要知识产权和标准规范等目录（不超过10件）序号知识产权（标准）类别知识产权（标准）具体名称国家（地区）授权号（标准编号）授权（标准发布）日期证书编号

（标准批准发布部门）权利人（标准起草单位）发明人（标准起草人）发明专利（标准）有效状态是否包含河北省完成单位/完成人1软著智能化煤矿冲击地压压力智能化监测综合管控系统中国软著登字第8024516号2021年09月软著登字第8024516号华北科技学院张科学，等有效是2专利一种用于巷道断面测量的精准激光测量设备CN217877660U2022年11月证书号第17869330号华北科技学院李东，王存文，等有效是3专利一种复杂地质赋存环境下的冲击地压预警方法及系统CN106285782B2018年11月证书号第3145280号中国矿业大学（北京）王宏伟，姜耀东，等有效否4专利一种多资源协调开采模拟实验台及应用方法CN106153857B2017年12月证书号第2744483号中国矿业大学（北京）赵毅鑫，等有效否5专利一种断层构造应力的监测装置和方法CN105547526B2017年12月证书号第2752122号中国矿业大学（北京）王宏伟，姜耀东，等有效否6专利一种临近高危煤柱短距离无辅巷单通道安全回撤方法CN114352282B2022年06月证书号第5243939号华北科技学院李东，赵丞有效是7专利一种用于煤矿安全监测的显示终端CN219004059U2023年5月华北科技学院李东，等有效是8专利一种采动应力的动态监测系统及方法CN110907079B2020年10月证书号第4020926号中国矿业大学（北京）王宏伟，姜耀东，等有效是9论文ResearchonintelligentcomprehensiveevaluationofcoalseamimpactriskbasedonBPneuralnetworkmodel2022年4月Zhang,K.X.*,Zhu,J.A.*,He,M.C.,Jiang,Y.D.,et.al有效是10论文AStudyontheCalculationMethodofSupportPressureintheStructureofTypicalUpperCladdingRockFormations2022年11月Li,D.,et.al有效是【主要完成人情况】张科学1教授华北科技学院华北科技学院项目负责人，对创新点1、2、3、4、5做出贡献。1、负责总体方案的制定及决策；负责项目的技术方案审查。2、负责项目工业性实验和推广应用的总协调。3、建立了构造与巨厚砾岩耦合诱发回采巷道围岩冲击危险性多层次综合评价模型，得到了复杂条件下矿井冲击危险性的主控影响因素为煤层顶底板性质。建立了基于BP神经网络模型的构造与巨厚砾岩耦合诱发回采巷道围岩冲击危险性综合评价模型，得到复杂条件下围岩冲击危险性的影响因素为开采深度，冲击倾向性，煤层顶底板性质，地质构造和开采技术。4、研究了复杂条件下耦合诱发围岩冲击危险性力学关系模型，研究了复杂条件下诱发巷道冲击地压动应力来源，提出了复杂条件下巷道冲击地压的三种类型，得到了断层活化诱发巷道围岩时空演化规律，发现了复杂条件下耦合诱发巷道围岩时空演化规律，揭示了复杂条件下耦合诱发巷道围岩冲击地压机理。1、2019年贵州省科技进步奖三等奖，排名第3；2、2022年中国职业安全健康协会科学技术奖一等奖，排名第1；3、2021年绿色矿山科学技术奖一等奖，排名第1；4、2022年中国煤炭工业科学技术奖二等奖，排名第1；5、2021年中国职业安全健康协会科学技术奖二等奖，排名第1；6、2020年中国职业安全健康协会科学技术奖三等奖，排名第1；7、2022年绿色矿山科学技术奖一等奖，排名第2；8、2022年中国煤炭工业科学技术奖二等奖，排名第8。李东2副教授华北科技学院华北科技学院项目整体技术负责，对创新点1、3、5做出贡献。1、主持研究开发工作、组织解决关键技术问题。2、提出了复杂条件下巷道围岩深孔卸压后煤岩体自身的阻抗能力大幅降低，得出了复杂条件下巷道围岩深孔卸压后围岩塑形圈扩大、支护有效性降低，随着采动影响加剧，得到了复杂条件下巷道围岩冲击破坏时限。1、2022年贵州省科学技术奖一等奖，排名第3；2、2021年绿色矿山科学技术奖一等奖，排名第3；3、2020年中国职业安全健康协会科学技术奖三等奖，排名第2。赵毅鑫3教授中国矿业大学（北京）中国矿业大学（北京）对创新点1、3、5做出贡献1、主持研究开发工作、组织解决关键技术问题。2、建立了高应力直接诱发巷道冲击地压力学关系模型，分析了“T”型应力传递结构静应力和“T”型应力传递结构动应力，通过微震监测对“T”型应力传递结构进行验证分析，得到了“T”型应力传递结构应力场估算方法。3、负责项目的推广应用，为项目顺利开展提供良好的应用平台。1、2016年教育部高等学校科学研究优秀成果奖二等奖，排名第1；2、2010年中国煤炭工业科学技术奖二等奖，排名第1；3、2021年河北省科学技术奖三等奖，排名第2。4、2011年中国煤炭工业科学技术二等奖，排名第3；5、第六届安全生产科技成果奖二等奖，排名第4。姜耀东4教授中国矿业大学（北京）中国矿业大学（北京）对创新点2、3、4做出贡献。1、负责项目的矿井总体技术方案的制定与审查。2、构建了厚岩离层断裂诱发巷道冲击地压力学关系模型，发现了工作面初次来压时采场超前支承压力分布规律，提出了厚岩离层断裂巷道围岩应力计算方法。3、负责项目的推广应用，为项目顺利开展提供良好的应用平台。1、第六届安全生产科技成果奖二等奖，排名第2；2、2019年贵州省科技进步奖三等奖，排名第2；3、2021年绿色矿山科学技术奖一等奖，排名第2。王宏伟5教授中国矿业大学（北京）中国矿业大学（北京）对创新点2，5做出贡献。1、负责项目的矿井总体技术方案的制定与审查。2、得到了复杂条件下巷道冲击地压微震监测预警指标为工作面单日微震总能量、单日微震总数量和单个微震能量。3、负责项目的推广应用，为项目顺利开展提供良好的应用平台。1、第六届安全生产科技成果奖二等奖，排名第6；2、2021年绿色矿山科学技术奖一等奖，排名第6。王晓玲6助教华北科技学院华北科技学院对创新点1、3、5做出贡献。1、建立了构造与巨厚砾岩耦合诱发回采巷道围岩冲击危险性多层次综合评价模型，得到了复杂条件下矿井冲击危险性的主控影响因素为煤层顶底板性质。建立了基于BP神经网络模型的构造与巨厚砾岩耦合诱发回采巷道围岩冲击危险性综合评价模型，得到复杂条件下围岩冲击危险性的影响因素为开采深度，冲击倾向性，煤层顶底板性质，地质构造和开采技术。1、2021年绿色矿山科学技术奖一等奖，排名第15；2、2022年中国职业安全健康协会科学技术奖一等奖，排名第6。马宏军7工程师开滦（集团）有限责任公司唐山矿业分公司开滦（集团）有限责任公司唐山矿业分公司对创新点3，5做出贡献。1、参与项目调研，技术方案讨论与编制。2、发现了复杂条件下多因素耦合巷道围岩应力总体上呈现“几”字型分布，先急剧增大，后波动稳定，再突变降低，最后持续稳定在高应力状态或低应力状态，巷道围岩垂直应力最后稳定值高于水平应力。3、现场应用、问题处理。无牛小军8高级工程师河北省煤田地质局新能源地质队河北省煤田地质局新能源地质队对创新点3，5做出贡献。1、发现了断层滑移活化巷道围岩应力总体上呈现先逐渐降低后持续稳定在一定应力水平的状态，断层附近围岩应力存在转移、渐释放、降低和稳定的过程，断层下盘附近围岩应力比断层上盘应力易转移，断层下盘底板围岩稳定后的应力小于断层上盘，采动影响断层作用下巷道围岩能量总体上呈现先迅速降低后持续稳定在一定应力水平的状态。2、负责项目的推广应用，为项目顺利开展提供良好的应用平台。1、2019年河北省科学技术奖一等奖；2、2020年河北省煤炭学会科学技术奖一等奖。杨岁寒9高级工程师开滦（集团）有限责任公司唐山矿业分公司开滦（集团）有限责任公司唐山矿业分公司对创新点2，4做出贡献。1、参与项目调研，技术方案讨论与编制。2、发现了断层滑移活化巷道围岩塑性区总体上呈现逐渐孕育、扩展到稳定的状态，断层下盘附近围岩塑性区已扩展到断层，断层上盘附近围岩塑性区最终未扩展到断层，断层下盘巷道围岩塑性区以底板扩展为主，逐渐向左帮扩展，断层上盘巷道围岩塑性区也以底板扩展为主，但逐渐向右帮扩展。3、现场应用、问题处理。1、2021年绿色矿山科学技术奖一等奖，排名第5。马敏10高级工程师开滦（集团）有限责任公司唐山矿业分公司开滦（集团）有限责任公司唐山矿业分公司对创新点5做出贡献。1、负责项目的矿井现场技术方案的制定与审查。2、提出了复杂条件下巷道冲击地压微震监测预警方法，即当工作面巷道1个监测预警指标超标时，只需加强监测预警即可；当工作面巷道2个监测指标同时超标或1个监测指标连续2天超标时，应采取限产措施并加强监测预警；当工作面巷道3个监测指标同时超标或1~2个监测预警指标出现连续3天超标时，应采取停产措施并加强微震监测预警，待动力现象稳定后再恢复生产。3、负责项目的现场实践应用，为项目顺利开展提供良好的应用平台。1、2021年绿色矿山科学技术一等奖，排名第4。

完成人合作关系说明1.第一完成人与其他完成人的主要合作关系张科学作为第一完成人，与完成人李东、王晓玲同属华北科技学院河北省矿山智能化开采技术重点实验室，共同合作发表了《矿井煤层冲击危险性多层次综合评价研究》、《ResearchonIntelligentComprehensiveEvaluationofCoalSeamImpactRiskBasedonBPNeuralNetworkModel》等多篇论文，与中国矿业大学（北京）姜耀东合作发表了论文《断层滑移活化诱发巷道冲击地压机理研究》，与中国矿业大学（北京）赵毅鑫、姜耀东、王宏伟合作发表了论文《基于扰动状态理论的回采巷道稳定性分析》，与李东、王晓玲、马宏军、牛小军、杨岁寒、马敏合作申请了计算机软件著作权《智能化煤矿冲击地压压力智能化监测综合管控系统V1.0》。张科学作为第一完成人，姜耀东、李东、马敏、杨岁寒、王宏伟作为主要完成人的项目成果“复杂条件下耦合诱发围岩冲击危险性及机理研究”于2021年获得了绿色矿山科学技术奖一等奖，该成果由华北科技学院、中国矿业大学（北京）等单位共同完成。2.其他完成人之间的主要合作关系王宏伟在学习、工作期间，与姜耀东、赵毅鑫等合作发表了《长壁孤岛工作面冲击失稳能量释放激增机