深地超应力作用效应及孤岛工作面整体冲击失稳机理研究

发布时间：2017-12-19 20:52

  本文关键词：深地超应力作用效应及孤岛工作面整体冲击失稳机理研究　出处：《中国矿业大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：煤矿开采深度进入千米以后,采掘工作面围岩应力普遍超过煤体单轴抗压强度,呈现围岩应力超过煤体强度的超应力现象。煤体在超应力作用下,冲击矿压动力灾害频发,因此研究深地开采超应力状态下煤层开采冲击矿压灾害防治问题,具有重要的理论价值和现实意义。论文综合采用现场调研、理论分析、物理力学试验、数值模拟与工程实践等手段,对深地超应力作用效应及诱冲机理、不同加卸载路径下煤样冲击破坏特征和前兆信息识别、深地孤岛工作面整体冲击失稳机理、覆岩结构演化特征、冲击力源及其监测与防治工程实践的理论与技术进行了系统研究。分析研究了全国深地开采力学环境下的冲击显现特征。结果显示,掘进冲击显现频发,冲击显现区域普遍存在应力异常和应力恢复现象。掘进冲击位置在回采进程中也是高冲击显现区域;冲击破坏形式由局部转变为整体冲击,冲击破坏程度严重、影响范围广。由此提出了深地开采的超应力作用效应,并将巷道破坏划分为掘进失稳型、局部加载型和整体失稳型三种。开展了煤样真三轴超应力作用下加卸载冲击破坏试验研究,揭示了深地围岩对煤层的超应力加载作用及方式。试验结果表明,不同的应力加卸载路径下煤样冲击破坏具有显著的时间延迟效应;与三轴压缩试验相比,三轴卸压下煤样的变形、破坏更加剧烈;围压一定的情况下,轴压达到3倍以上单轴抗压强度煤样开始发生冲击显现;试样宏观破裂面和波速异常丰富区、微观裂隙演化和低波速贯通区形成了较好的对应。提出了孤岛工作面整体冲击失稳理论,指出相邻多个工作面采空区上覆岩层大范围的协同破断、运动是孤岛煤柱冲击矿压的主要诱因,自重应力和采空区覆岩结构传递至孤岛工作面的应力增量是其主要静载力源,覆岩亚关键层及其所控制岩层的进一步破断或主关键层的破断运动是其主要动载力源,上述载荷叠加作用下易于诱发冲击显现。开展了工作面开采全过程的数值试验,采用应变软化模型研究了顶板的下沉变形过程和双屈服模型模拟了采空区垮落带岩体的压实过程,从覆岩破坏临界塑性应变的角度划分垮落带、裂隙带和弯曲下沉带,揭示出覆岩结构的演化特征是孤岛工作面静载和动载产生的根源,分别从工作面应力分布和地表下沉量、顶板破断和断层滑移释放能量角度,揭示出微震监测覆岩结构演化的可能性,进一步可辨识出孤岛工作面冲击矿压的前兆信息。基于孤岛工作面整体冲击失稳机理,提出了孤岛工作面采前冲击危险预评估机制,并总结了深地孤岛工作面冲击矿压的监测与防治思路。针对山东朝阳煤矿3112和3108工作面开展了工程实践,从动静载源头治理,通过加强高应力区和应力异常区的监测和防治来减弱静载应力集中的影响,通过实施人工断顶和断层附近爆破措施来弱化动载扰动,现场应用效果显著。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TD324

【参考文献】

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本文编号：1309390