动力扰动下深部高应力煤体冲击失稳机理及防治技术研究

发布时间：2017-11-25 07:40

本文关键词：动力扰动下深部高应力煤体冲击失稳机理及防治技术研究

【摘要】：冲击地压是煤矿开采中因采动或动载诱发煤岩体变形能剧烈释放,并伴随地下采掘空间煤岩体突然、急剧和猛烈破坏的现象。随着煤矿开采深度和开采强度的持续增加,地下开采面临的构造地质条件日趋复杂,我国越来越多的煤矿开始出现冲击地压现象,破坏性冲击地压频繁发生且日益严重。对煤矿深部开采来说,尤其要关注高地应力和强烈扰动这两方面因素的影响。因此研究煤体在高应力环境下处于何种状态,不同状态下煤体受扰动产生的响应有何特征,对于开懫扰动动力灾害分析具有重要意义。本文采用现场调研、室内试验、理论分析和数值模拟相结合的方法,深入研究动力扰动下深部高应力煤体冲击失稳机理及防治技术。首先,针对动力扰动诱发煤体冲击失稳问题,阅读了大量文献,总结了国内外的研究现状;并对甘肃华亭煤矿250103工作面、开滦赵各庄煤矿3237工作面、新汶华丰煤矿3406(1)、3407(1)工作面等典型冲击地压事故进行现场调查研究分析,总结分析冲击地压显现特征及诱发因素。调查发现几乎所有冲击地压发生的巷道或者采场周围煤岩体冲击倾向性都较强,且处于高应力集中状态,积蓄了大量的弹性应变能,在此基础之上,坚硬顶板断裂、断层活化、采掘活动、放炮、地震等会给储能煤体一个应力扰动,最终诱发冲击地压的产生。其次,对典型冲击地压矿井煤样进行物理性质测定,基于试验室岩石力学试验数据,运用RFPA数值模拟分析煤体力学参数及所处的应力状态对其力学性能及能量演化特征的影响;动静组合加载条件下,模拟分析不同静态应力水平、动态扰动波形下煤体的裂隙发育情况、声发射和应力波衰减状况等动态力学响应,探讨动力扰动对高应力储能煤体损伤机制的影响;基于损伤理论和突变理论,对静载、动静组合加载下煤的两体系统进行总结分析,建立了动静组合加载下煤两体系统冲击失稳的折叠突变模型,对煤在动力扰动下冲击失稳破坏机理进行理论分析。最后,以唐山矿T2193下孤岛工作面为工程依托,采用等多参量技术监测手段对孤岛工作面冲击危险性区域进行现场监测评估。基于FLAC3d模拟软件,进一步模拟分析孤岛工作面冲击危险性,并模拟分析不同程度的回采扰动荷载、顶板断裂冲击荷载对孤岛工作面、回采巷道冲击危险性的影响。通过对冲击地压综合防治原则总结,分析冲击地压防治现有体系,基于FLAC3d模拟软件具体分析孤岛工作面顺槽巷道钻孔的超前卸压效果。本文取得的创新性研究成果具体如下:1、基于典型冲击地压矿井煤样物理力学性质试验数据,利用RFPA2D-Basic模拟分析轴压、围压、初始弹性模量、泊松比、均质度、尺寸等参数对煤力学性能的影响,试图探讨煤体高应力环境下处于何种状态。(1)随着围压的增大,煤岩的变形表现为低围压下的脆性破坏向高围压下的塑性破坏转化的特征,抗压强度、峰值应变、残余强度随之增大,峰值强度与围压呈线性正相关性。随着围压的增大,煤样破坏所需损伤度阀值是不断增大的。(2)初始弹模对煤样抗压强度没有明显影响,初始弹模越大,峰值应变越小。初始弹模对破裂损伤度阀值没有明显影响,且初始弹模越大的煤样达到阀值时的应变越小。在相同应变条件下,初始弹模大的煤样试件损耗能越大,弹性能储能极限越低。(3)随着泊松比的增大,煤样的弹性能储能极限逐渐增大,煤样破坏时的损耗能比例逐渐减小。(4)随着均质度的增大,抗压强度随之增大。相同应变条件下,均质度大的煤样应变越小,且越容易达到损伤阀值,破坏时释放的能量越多。随着均质度的增大,煤样的弹性能储能极限逐渐增大,煤样试件破坏时的损耗能比例逐渐增大。(5)尺寸的改变对煤样试件的抗压强度没有明显影响,尺寸越小的煤样试件峰值应变越小。随着尺寸的增大,煤样残余强度增大。煤样等效弹模与试件体积呈负相关特性,随着煤样尺寸的增大,煤样弹性储能极限逐渐增大,尺寸大小对煤样损耗能密度影响不明显。2、利用RFPA2D-Dynamic Static模拟分析不同静态应力水平、动态扰动波形下煤体的裂隙发育情况、声发射和应力波衰减状况等动态力学响应,探讨动力扰动对高应力储能煤体损伤机制的影响。(1)煤体在较高轴向应力作用下积聚的弹性能越多,损伤程度越高。应力波穿过煤体时,能够激发更多的单元发生损伤破坏,裂隙越加发育,应力波穿过高水平轴力的试件时所损耗的能量较大,应力降低程度也越高。(2)扰动应力波作用下,煤样所受静载侧压系数越大(围压越大),试件更不容易破坏,即更加远离了临界平衡状态,损伤程度越低,裂隙发育越不明显,应力波衰减幅度越小,应力波穿过高围压试件时所损耗的能量较小。(3)入射波波峰越高,波长越大,对煤体的动态损伤越严重,多为拉伸破坏损伤,裂隙发育越明显,应力波衰减幅度越大,应力波穿过试件时所损耗的能量较大。(4)损伤程度大的煤样抗压强度较小,弹性模量与损伤度呈线性负相关特性,损伤度对煤样峰值应变影响不明显。损伤度越高的煤样弹性储能极限越低,煤样破坏时的损耗能越小。3、基于动静组合加载下煤体系统动态损伤本构方程,建立了动静组合加载下煤体系统冲击失稳的折叠突变模型,揭示动力扰动对深部高应力煤体冲击失稳机理。4、以唐山矿T2193下孤岛工作面为工程背景,采用多参量技术手段对孤岛工作面冲击危险性区域进行现场监测评估。基于FLAC3d模拟软件,分析不同程度的回采扰动荷载和顶板断裂冲击荷载对孤岛工作面、巷道围岩应力、位移、能量分布规律的影响,对动力扰动下孤岛工作面冲击危险性程度进行评估。(1)对T2193下孤岛工作面巷道进行电磁辐射和钻屑量监测,得到工作面超前10~50范围为冲击危险区。(2)基于FLAC3d,T2193下孤岛工作面超前支承压力峰值距工作面约5m,应力峰值大小约70MPa,集中系数为4.67。上下顺槽与工作面交叉处垂直应力叠加,集中应力距工作面煤壁约4.5m,应力峰值约85MPa,弹性应变能约374.9KJ/m3,顺槽煤柱集中应力约80~120MPa,弹性能约528.6KJ/m3。(3)随着回采扰动荷载、顶板断裂冲击荷载的增大,工作面前方煤体及煤柱应力集中程度越严重,应力集中区沿工作面横向扩散,范围不断增大,容易引发冲击地压的产生。煤柱拉伸破坏范围及垂直位移随扰动荷载增大而逐渐增大。(4)定义了冲击危险性系数:min/WWke(28),在孤岛工作面下顺槽与T2193下工作面交叉处及工作面超前20m范围内的煤柱内部应力集中程度较高(k1),冲击危险性较高。5、通过对冲击地压综合防治原则总结,并对冲击地压防治现有体系进行分析,以开滦唐山煤矿为工程背景,对孤岛工作面卸压孔解危技术进行分析,得到了如下结论:(1)煤柱布置卸压孔后,支承压力向煤柱内部转移,随着卸压孔间距的增加,孤岛工作面前方支承压力随之降低,煤柱集中应力区距顺槽煤壁距离也渐行渐远。卸压孔布置越密集,卸压孔之间的煤体破碎越严重,当孔间距较大时,由于煤柱的卸压区没有连通,卸压孔之间还存在应力集中区,卸压效果不明显。(2)随着卸压孔孔深的增加,煤柱卸压范围逐渐增大,高应力区域也随之距顺槽煤壁越来越远,另外孔深的增加导致煤柱完整承担实体煤面积的减小,垂直应力会相应增大,在顶板压力作用下,煤柱垂直位移也逐渐增大。弹性能积聚范围逐渐减小,可见卸压孔深度越大,对煤柱的卸压效果越好,冲击地压危险性越弱。(3)动力扰动下孤岛工作面煤柱垂直应力为100MPa~120MPa,煤柱积聚了大量的弹性能(约528.6KJ/m3),且弹性能积聚区域距顺槽煤壁较近(约1.02m)。在工作面前方煤柱侧布置卸压孔,煤柱垂直应力降为80MPa~110MPa,卸压孔导致了煤柱破碎范围的增大,煤柱内部完整承载煤体面积减小,应力集中区域范围有所增大,应力峰值约110MPa,积聚在煤柱内部的弹性能耗散释放,弹性能减小为400KJ/m3,且弹性能积聚区域向煤柱内侧移动,靠近采空区侧,距顺槽煤壁距离较大,减弱了冲击地压发生的危险性。
【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

【参考文献】

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