宽煤柱巷道底板冲击致灾理论及预防技术研究

发布时间：2017-11-12 17:21

  本文关键词：宽煤柱巷道底板冲击致灾理论及预防技术研究

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【摘要】：论文以余吾煤业N2105工作面为工程为背景,针对2013年11月17日及2014年1月23日进风顺槽发生底板冲击地压的现象,开展了围绕宽煤柱沿空巷的冲击地压应力作用机理及灾变的研究,采用理论分析、数值模拟和现场试验的方法,研究了煤岩体采动力学特性,宽煤柱沿空巷道围岩应力演化规律,褶曲构造区沿空巷围岩的应力差异性,现场监测了宽煤柱中应力的变化和采场的微震分布规律,分析了冲击地压的灾变机制,提出了防治宽煤柱沿空巷底板冲击的思路,并通过工程实验,得出以下主要结论。(1)根据测试煤样数据,判定余吾煤业公司3#煤属于Ⅱ类,为具有弱冲击倾向性的煤层,3#煤的顶、底板岩层均属于Ⅱ类,为具有弱冲击倾向性的岩层。(2)工作面回采后,在采空区顶板的作用下,临空宽煤柱及留巷围岩受力表现出显著的时空特征,主要规律如下:1)煤柱垂直应力经历“内外同高→内高外底→内低外高”的演化规律,弹性区宽度由回采前的29m缩减至14m,顶板压力逐渐向留巷侧迁移并集中。2)工作面推采过后14m以内,煤柱临空侧0-16m区间煤体即发生塑性破坏,应力迅速下降。3)煤柱外侧(距采空区16-30m)垂直应力持续增加,滞后工作面70m时增速加大,滞后200m时增速趋缓,滞后工作面300m趋于稳定。该区间为煤柱弹性能主要积聚区。4)留巷内帮5m范围内垂直应力迅速增加,直至发生塑性破坏,破坏深度由3m扩大至4-5m,导致锚杆支护部分失效。5)留巷外帮应力持续增加,滞后工作面300m趋于稳定。距采空区越近,增幅越大,距巷道7m之外应力增加不明显。外帮塑性区宽度基本不变。(3)采用FLAC3D数值模拟得出,采空区底板破坏深度远大于留巷水平应力集中区的深度,采空区底板破区将成为留巷底板水平集中应力的“卸压通道”,即采空区形成可降低侧向留巷底板水平应力集中程度。(4)采用3DEC数值模拟得出,采空区前方与侧向覆岩结构在形成方式、运动规律、载荷影响等方面的差异性:采空区前方覆岩结构组成不断更新,可持续产生动载荷,而侧向覆岩结构自形成后活动性逐步减弱,动载荷减弱。当预裂位置位于老顶自然断裂线以深时,预裂作用可增加原侧向支承压力峰值位置和预裂位置之间区域的垂直应力。当预裂位置位于砌体梁结构中的悬露岩块中时,预裂作用对岩块断裂位置和最终位态影响很小,对侧向支承压力分布影响亦很小(5)采空区边缘微震监测时空分布规律显示:采空区微震活动主要集中在采空区侧向边缘附近。采空区边缘微震活动停止时间略早于对应区域留巷帮部应力稳定时间。对于采空区边缘覆岩结构,背斜构造影响区的微震活动持续时间比非构造影响区更长。背斜构造区微震活动持续3.5个月,最远滞后工作面约370m。非构造影响区微震活动持续2.5个月,最远滞后工作面约250m。(6)基于冲击地压发生的冲击启动理论,结合前文理论分析及现场实测结论,认为N2105工作面进风顺槽冲击地压载荷源由采空区后方不断增长的宽煤柱弹性区集中静载荷和褶曲构造区采空区边缘覆岩滞后活动引发的集中动载荷叠加而成。采用安全“流变-突变”理论分析了沿空巷道底板失稳致灾机制,覆岩破断结构的运动造成动载效应,加速了灾害的发生。(7)宽煤柱留巷冲击地压的防治从阻止冲击地压的启动和缓和冲击地压能量的释放两方面入手,即降低能量总量和减小剩余能量释放速度。采用爆破预裂基本顶的方法,以控制采空区顶板断裂及压力传递;采用大直径钻孔对宽煤柱潜在启动区进行卸压;采用强化支护的方法,提高沿空巷的抗冲击能力。N2105工作面杜绝了冲击地压的再次发生。自进风顺槽2014年1月23日冲击事件以来,截至2014年12月,工作面累计安全推进约1200m。
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD324.2

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