断层型冲击矿压的动静载叠加诱发原理及其监测预警研究

发布时间：2017-09-13 14:49

  本文关键词：断层型冲击矿压的动静载叠加诱发原理及其监测预警研究

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【摘要】：冲击矿压是煤矿煤岩动力灾害之一,主要发生在煤柱高应力区、坚硬顶板工作面、断层带附近和褶曲构造区,其中断层带附近的冲击矿压较为复杂和严重。论文综合采用理论分析、数值仿真、物理力学试验、相似模拟试验、数值试验与工程实践等手段,对断层冲击矿压的动静载叠加诱发原理、多尺度前兆信息识别、微震多参量时空监测预警、及其监测与防治工程实践的理论与技术进行了系统研究。试验、理论及数值仿真结果表明:静载作用下的断层活化存在上行和下行解锁两种形式,并与断层摩擦系数、倾角、围岩强度等特征参数以及侧压系数密切相关,纯静载作用下的断层一般处于闭锁状态,且以断层围岩产生等效劈裂破坏为主;动载作用下的断层容易在某一时刻产生超低摩擦效应,并且最小主应力方向的动载应力波扰动作用比最大主应力方向更为显著,不仅更容易改变断层的受力状态及其活动进程进而引起断层活化,而且还可触发比预期应力降更大的错动;断层区域顶板的承载能力大大减弱,且工作面在上盘开采时的承载能力要强于下盘开采,同时顶板破断过程中产生的“反弹”和“压缩”效应以及动载应力波对断层应力状态的改变产生影响;顶板砌体梁结构存在时断层煤柱上极限应力可达7.93倍的顶板单轴抗压强度,足够使煤柱瞬间发生失稳破坏。研究提出了“一扰动,两载荷,三对象,四类型”的断层冲击矿压动静载叠加作用机理,指出断层带附近的冲击矿压是煤矿采掘活动扰动引起,是由断层和顶板相互作用产生的动载与煤柱静载两种载荷叠加诱发,是断层、顶板和煤柱相互作用的结果,具体存在断层活化型、顶板破断失稳型、煤柱破坏型和耦合失稳型四种。建立了非均质应变损伤软化本构模型,开展了非均质煤岩材料的声发射数值试验,揭示出材料的非均质性是煤岩体破坏之前产生前兆的根源;分别从小尺度实验室标准煤岩样和中尺度相似材料模型的声发射实验以及大尺度矿山开采的微震监测角度,辨识出断层冲击矿压的前兆信息,进一步结合冲击矿压存在前兆信息的力学基础,揭示出微震监测预警断层冲击矿压的可行性。构建了“一中心,四变化,五指标”的微震多参量时空监测预警体系指导思想,指出断层冲击矿压的微震多参量监测应以冲击矿压存在前兆的根源—煤岩材料的非均质性为中心,监测内因—煤岩变形的局部化、外因—煤岩体内地球物理场变化、损伤与能量释放的周期变化和震源机制变化四种前兆信息,包括微震活动性多维信息、周围环境介质特性信息、变形能孕育过程信息、非线性混沌分形信息和震源机制—波形信息五类指标。基于断层冲击矿压的动静载叠加诱发原理,总结了断层冲击矿压的监测与防治思路,具体针对河南义马跃进煤矿和甘肃宝积山煤矿特殊的地质与开采技术条件,开展了断层冲击矿压的监测与防治工程实践,应用效果显著。
【关键词】：断层 冲击矿压 动静载叠加 微震 多参量 监测预警 多尺度
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TD324
【目录】：

• 致谢4-6
• 摘要6-7
• Abstract7-9
• Extended Abstract9-27
• 变量注释表27-29
• 1 绪论29-43
• 1.1 研究背景及意义29-33
• 1.2 国内外研究现状33-40
• 1.3 主要研究内容及方法40-43
• 2 断层冲击矿压的动静载叠加作用机理43-68
• 2.1 断层冲击矿压动静载作用机理概念模型43-47
• 2.2 断层活化的动静载作用机理47-55
• 2.3 断层区域顶板变形破断过程的动静载作用机理55-59
• 2.4 基于砌体梁结构动静载作用的断层煤柱应力分析59-66
• 2.5 小结66-68
• 3 静载作用下的断层物理力学试验68-91
• 3.1 试验目的及内容68-71
• 3.2 不同断层特征参数下的应力及破裂显现特征71-79
• 3.3 不同断层特征参数下的声发射特征79-86
• 3.4 断层物理力学试验中的位移变形特征86-89
• 3.5 小结89-91
• 4 动载作用下的断层相似模拟试验91-109
• 4.1 相似模拟试验设计91-94
• 4.2 动载作用下断层面的破裂滑移特征94-97
• 4.3 动载作用下断层面的力学响应特征97-99
• 4.4 动载作用下断层围岩的声发射响应特征99-108
• 4.5 小结108-109
• 5 断层冲击矿压的多尺度前兆信息识别109-127
• 5.1 冲击矿压前兆信息的力学数值试验109-118
• 5.2 小尺度岩样破裂及断面滑移前兆信息识别118-120
• 5.3 中尺度相似模型断层失稳前兆信息识别120-122
• 5.4 大尺度矿山开采围岩破裂前兆信息识别122-126
• 5.5 小结126-127
• 6 断层冲击矿压的微震多参量时空监测预警127-161
• 6.1 冲击矿压的微震多参量时空监测预警体系127-129
• 6.2 断层冲击矿压的微震活动性多维信息时空监测129-141
• 6.3 断层冲击矿压的冲击变形能时空监测141-146
• 6.4 断层冲击矿压的震动波速度层析成像监测146-154
• 6.5 断层冲击矿压的震源机制监测154-156
• 6.6 断层冲击矿压的非线性分形监测156-159
• 6.7 小结159-161
• 7 断层冲击矿压的监测与防治工程实践161-179
• 7.1 断层冲击矿压监测与防治思路161-162
• 7.2 河南义马跃进煤矿162-173
• 7.3 甘肃宝积山煤矿173-178
• 7.4 小结178-179
• 8 结论与展望179-183
• 8.1 研究结论179-181
• 8.2 创新点181
• 8.3 研究展望181-183
• 参考文献183-199
• 作者简历199-203
• 学位论文数据集203

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本文编号：844351