复杂条件下特厚煤层动力灾害防治研究

发布时间：2018-10-13 16:41

【摘要】：复杂条件下特厚煤层动力灾害(冲击地压、矿震、矿井突水、煤与瓦斯突出以及复合动力灾害)是近年来矿井安全生产的巨大威胁。本文以鹤岗矿区峻德煤矿、富力煤矿和巨野矿区郭屯煤矿发生的三起典型的分别由上层煤煤柱、断层构造和坚硬顶板运动与突水互为诱因的复杂条件下特厚煤层动力灾害为工程背景,通过现场实测、案例分析、理论研究、实验室测试和事故后复产实践等方法和手段,研究了复杂条件下(上层煤煤柱、断层构造、坚硬顶板与强含水地层复合)特厚煤层动力灾害发生机理和防治技术,取得以下主要结论：(1)提出了多煤层采动围岩空间应力传递范围内,存在以应力为判据的“冲击危险区域”,并建立了该危险区内应力估算的模型和冲击危险性判据。该模型包含上层煤煤柱应力传递的走向和倾向计算模型,以及根据应力与煤体单轴抗压强度的比值Ic和冲击倾向性作为冲击危险性判据的“冲击危险区域”边界确定方法。(2)建立了特厚煤层分层工作面冲击地压发生过程的“B-S-B”动态模型,揭示了特厚煤层底煤屈曲破坏后发生滑移冲击的机理。在水平应力作用下底煤发生屈曲破坏(Buckling failure),当屈曲破坏规模较大时,可能发生第一次底煤冲击(屈曲冲击),随后深部底煤在水平应力和垂直应力共同作用下发生塑性滑移,当滑移范围达到底煤结构失稳的规模时,即发生底煤第二次冲击(滑移冲击,Sliding Burst)。特厚煤层冲击地压发生过程的“B-S-B”动态模型为特厚煤层分层与综放开采工艺冲击危险性对比与工艺选择、煤巷冲击地压防治、工作面超前支护设计等工程决策提供了理论依据。(3)揭示了“构造型孤岛工作面”冲击地压发生机理。提出了工作面煤壁与断层面之间相距数百米时即发生动力现象的根本原因在于：断层层面倾向煤壁方向且与煤壁上方覆岩破断线相交,在覆岩中形成“空间孤岛”,造成工作面与断层构造之间煤体应力高度集中,从而引起构造型孤岛工作面冲击地压。并建立了工作面与断层面之间煤体平均应力的估算公式和冲击危险性判据。(4)提出了“冲击与突水”复合动力灾害的发生机理。研究得到了坚硬顶板规律性断裂前后引起煤壁附近顶板和底板内应力突然增加导致破裂范围增加,从而引发“顶板运动诱发突水”的复合动力灾害；大水工作面疏放水(相当于小型开采)引起应力向局部转移和集中,从而引发“疏放水诱发冲击”的复合动力灾害。这类复合动力灾害因特厚煤层“高弹性强释能、低强度易破坏、大采高深破裂”的原因,在特厚煤层矿井显现更加明显。(5)提出了特厚煤层分层工作面冲击事故后安全复产的技术体系。为了防止事故后复产时再次发生冲击事故,研究提出了特厚煤层分层工作面冲击地压事故后复产必须满足的安全技术标准和相应的复产技术体系。该技术体系在峻德煤矿3·15事故工作面得到了成功应用和检验,为类似冲击事故工作面复产提供了经验。本论文的研究成果已应用于鹤岗矿区峻德煤矿、富力煤矿和巨野矿区郭屯煤矿,取得了良好的经济效益和社会效益。
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【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TD324

【参考文献】