本文關(guān)鍵詞：動力擾動下深部高應(yīng)力煤體沖擊失穩(wěn)機(jī)理及防治技術(shù)研究

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【摘要】：沖擊地壓是煤礦開采中因采動或動載誘發(fā)煤巖體變形能劇烈釋放,并伴隨地下采掘空間煤巖體突然、急劇和猛烈破壞的現(xiàn)象。隨著煤礦開采深度和開采強(qiáng)度的持續(xù)增加,地下開采面臨的構(gòu)造地質(zhì)條件日趨復(fù)雜,我國越來越多的煤礦開始出現(xiàn)沖擊地壓現(xiàn)象,破壞性沖擊地壓頻繁發(fā)生且日益嚴(yán)重。對煤礦深部開采來說,尤其要關(guān)注高地應(yīng)力和強(qiáng)烈擾動這兩方面因素的影響。因此研究煤體在高應(yīng)力環(huán)境下處于何種狀態(tài),不同狀態(tài)下煤體受擾動產(chǎn)生的響應(yīng)有何特征,對于開懫擾動動力災(zāi)害分析具有重要意義。本文采用現(xiàn)場調(diào)研、室內(nèi)試驗、理論分析和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,深入研究動力擾動下深部高應(yīng)力煤體沖擊失穩(wěn)機(jī)理及防治技術(shù)。首先,針對動力擾動誘發(fā)煤體沖擊失穩(wěn)問題,閱讀了大量文獻(xiàn),總結(jié)了國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀;并對甘肅華亭煤礦250103工作面、開灤趙各莊煤礦3237工作面、新汶華豐煤礦3406(1)、3407(1)工作面等典型沖擊地壓事故進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)查研究分析,總結(jié)分析沖擊地壓顯現(xiàn)特征及誘發(fā)因素。調(diào)查發(fā)現(xiàn)幾乎所有沖擊地壓發(fā)生的巷道或者采場周圍煤巖體沖擊傾向性都較強(qiáng),且處于高應(yīng)力集中狀態(tài),積蓄了大量的彈性應(yīng)變能,在此基礎(chǔ)之上,堅硬頂板斷裂、斷層活化、采掘活動、放炮、地震等會給儲能煤體一個應(yīng)力擾動,最終誘發(fā)沖擊地壓的產(chǎn)生。其次,對典型沖擊地壓礦井煤樣進(jìn)行物理性質(zhì)測定,基于試驗室?guī)r石力學(xué)試驗數(shù)據(jù),運(yùn)用RFPA數(shù)值模擬分析煤體力學(xué)參數(shù)及所處的應(yīng)力狀態(tài)對其力學(xué)性能及能量演化特征的影響;動靜組合加載條件下,模擬分析不同靜態(tài)應(yīng)力水平、動態(tài)擾動波形下煤體的裂隙發(fā)育情況、聲發(fā)射和應(yīng)力波衰減狀況等動態(tài)力學(xué)響應(yīng),探討動力擾動對高應(yīng)力儲能煤體損傷機(jī)制的影響;基于損傷理論和突變理論,對靜載、動靜組合加載下煤的兩體系統(tǒng)進(jìn)行總結(jié)分析,建立了動靜組合加載下煤兩體系統(tǒng)沖擊失穩(wěn)的折疊突變模型,對煤在動力擾動下沖擊失穩(wěn)破壞機(jī)理進(jìn)行理論分析。最后,以唐山礦T2193下孤島工作面為工程依托,采用等多參量技術(shù)監(jiān)測手段對孤島工作面沖擊危險性區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測評估�；贔LAC3d模擬軟件,進(jìn)一步模擬分析孤島工作面沖擊危險性,并模擬分析不同程度的回采擾動荷載、頂板斷裂沖擊荷載對孤島工作面、回采巷道沖擊危險性的影響。通過對沖擊地壓綜合防治原則總結(jié),分析沖擊地壓防治現(xiàn)有體系,基于FLAC3d模擬軟件具體分析孤島工作面順槽巷道鉆孔的超前卸壓效果。本文取得的創(chuàng)新性研究成果具體如下:1、基于典型沖擊地壓礦井煤樣物理力學(xué)性質(zhì)試驗數(shù)據(jù),利用RFPA2D-Basic模擬分析軸壓、圍壓、初始彈性模量、泊松比、均質(zhì)度、尺寸等參數(shù)對煤力學(xué)性能的影響,試圖探討煤體高應(yīng)力環(huán)境下處于何種狀態(tài)。(1)隨著圍壓的增大,煤巖的變形表現(xiàn)為低圍壓下的脆性破壞向高圍壓下的塑性破壞轉(zhuǎn)化的特征,抗壓強(qiáng)度、峰值應(yīng)變、殘余強(qiáng)度隨之增大,峰值強(qiáng)度與圍壓呈線性正相關(guān)性。隨著圍壓的增大,煤樣破壞所需損傷度閥值是不斷增大的。(2)初始彈模對煤樣抗壓強(qiáng)度沒有明顯影響,初始彈模越大,峰值應(yīng)變越小。初始彈模對破裂損傷度閥值沒有明顯影響,且初始彈模越大的煤樣達(dá)到閥值時的應(yīng)變越小。在相同應(yīng)變條件下,初始彈模大的煤樣試件損耗能越大,彈性能儲能極限越低。(3)隨著泊松比的增大,煤樣的彈性能儲能極限逐漸增大,煤樣破壞時的損耗能比例逐漸減小。(4)隨著均質(zhì)度的增大,抗壓強(qiáng)度隨之增大。相同應(yīng)變條件下,均質(zhì)度大的煤樣應(yīng)變越小,且越容易達(dá)到損傷閥值,破壞時釋放的能量越多。隨著均質(zhì)度的增大,煤樣的彈性能儲能極限逐漸增大,煤樣試件破壞時的損耗能比例逐漸增大。(5)尺寸的改變對煤樣試件的抗壓強(qiáng)度沒有明顯影響,尺寸越小的煤樣試件峰值應(yīng)變越小。隨著尺寸的增大,煤樣殘余強(qiáng)度增大。煤樣等效彈模與試件體積呈負(fù)相關(guān)特性,隨著煤樣尺寸的增大,煤樣彈性儲能極限逐漸增大,尺寸大小對煤樣損耗能密度影響不明顯。2、利用RFPA2D-Dynamic Static模擬分析不同靜態(tài)應(yīng)力水平、動態(tài)擾動波形下煤體的裂隙發(fā)育情況、聲發(fā)射和應(yīng)力波衰減狀況等動態(tài)力學(xué)響應(yīng),探討動力擾動對高應(yīng)力儲能煤體損傷機(jī)制的影響。(1)煤體在較高軸向應(yīng)力作用下積聚的彈性能越多,損傷程度越高。應(yīng)力波穿過煤體時,能夠激發(fā)更多的單元發(fā)生損傷破壞,裂隙越加發(fā)育,應(yīng)力波穿過高水平軸力的試件時所損耗的能量較大,應(yīng)力降低程度也越高。(2)擾動應(yīng)力波作用下,煤樣所受靜載側(cè)壓系數(shù)越大(圍壓越大),試件更不容易破壞,即更加遠(yuǎn)離了臨界平衡狀態(tài),損傷程度越低,裂隙發(fā)育越不明顯,應(yīng)力波衰減幅度越小,應(yīng)力波穿過高圍壓試件時所損耗的能量較小。(3)入射波波峰越高,波長越大,對煤體的動態(tài)損傷越嚴(yán)重,多為拉伸破壞損傷,裂隙發(fā)育越明顯,應(yīng)力波衰減幅度越大,應(yīng)力波穿過試件時所損耗的能量較大。(4)損傷程度大的煤樣抗壓強(qiáng)度較小,彈性模量與損傷度呈線性負(fù)相關(guān)特性,損傷度對煤樣峰值應(yīng)變影響不明顯。損傷度越高的煤樣彈性儲能極限越低,煤樣破壞時的損耗能越小。3、基于動靜組合加載下煤體系統(tǒng)動態(tài)損傷本構(gòu)方程,建立了動靜組合加載下煤體系統(tǒng)沖擊失穩(wěn)的折疊突變模型,揭示動力擾動對深部高應(yīng)力煤體沖擊失穩(wěn)機(jī)理。4、以唐山礦T2193下孤島工作面為工程背景,采用多參量技術(shù)手段對孤島工作面沖擊危險性區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測評估。基于FLAC3d模擬軟件,分析不同程度的回采擾動荷載和頂板斷裂沖擊荷載對孤島工作面、巷道圍巖應(yīng)力、位移、能量分布規(guī)律的影響,對動力擾動下孤島工作面沖擊危險性程度進(jìn)行評估。(1)對T2193下孤島工作面巷道進(jìn)行電磁輻射和鉆屑量監(jiān)測,得到工作面超前10~50范圍為沖擊危險區(qū)。(2)基于FLAC3d,T2193下孤島工作面超前支承壓力峰值距工作面約5m,應(yīng)力峰值大小約70MPa,集中系數(shù)為4.67。上下順槽與工作面交叉處垂直應(yīng)力疊加,集中應(yīng)力距工作面煤壁約4.5m,應(yīng)力峰值約85MPa,彈性應(yīng)變能約374.9KJ/m3,順槽煤柱集中應(yīng)力約80~120MPa,彈性能約528.6KJ/m3。(3)隨著回采擾動荷載、頂板斷裂沖擊荷載的增大,工作面前方煤體及煤柱應(yīng)力集中程度越嚴(yán)重,應(yīng)力集中區(qū)沿工作面橫向擴(kuò)散,范圍不斷增大,容易引發(fā)沖擊地壓的產(chǎn)生。煤柱拉伸破壞范圍及垂直位移隨擾動荷載增大而逐漸增大。(4)定義了沖擊危險性系數(shù):min/WWke(28),在孤島工作面下順槽與T2193下工作面交叉處及工作面超前20m范圍內(nèi)的煤柱內(nèi)部應(yīng)力集中程度較高(k1),沖擊危險性較高。5、通過對沖擊地壓綜合防治原則總結(jié),并對沖擊地壓防治現(xiàn)有體系進(jìn)行分析,以開灤唐山煤礦為工程背景,對孤島工作面卸壓孔解危技術(shù)進(jìn)行分析,得到了如下結(jié)論:(1)煤柱布置卸壓孔后,支承壓力向煤柱內(nèi)部轉(zhuǎn)移,隨著卸壓孔間距的增加,孤島工作面前方支承壓力隨之降低,煤柱集中應(yīng)力區(qū)距順槽煤壁距離也漸行漸遠(yuǎn)。卸壓孔布置越密集,卸壓孔之間的煤體破碎越嚴(yán)重,當(dāng)孔間距較大時,由于煤柱的卸壓區(qū)沒有連通,卸壓孔之間還存在應(yīng)力集中區(qū),卸壓效果不明顯。(2)隨著卸壓孔孔深的增加,煤柱卸壓范圍逐漸增大,高應(yīng)力區(qū)域也隨之距順槽煤壁越來越遠(yuǎn),另外孔深的增加導(dǎo)致煤柱完整承擔(dān)實體煤面積的減小,垂直應(yīng)力會相應(yīng)增大,在頂板壓力作用下,煤柱垂直位移也逐漸增大。彈性能積聚范圍逐漸減小,可見卸壓孔深度越大,對煤柱的卸壓效果越好,沖擊地壓危險性越弱。(3)動力擾動下孤島工作面煤柱垂直應(yīng)力為100MPa~120MPa,煤柱積聚了大量的彈性能(約528.6KJ/m3),且彈性能積聚區(qū)域距順槽煤壁較近(約1.02m)。在工作面前方煤柱側(cè)布置卸壓孔,煤柱垂直應(yīng)力降為80MPa~110MPa,卸壓孔導(dǎo)致了煤柱破碎范圍的增大,煤柱內(nèi)部完整承載煤體面積減小,應(yīng)力集中區(qū)域范圍有所增大,應(yīng)力峰值約110MPa,積聚在煤柱內(nèi)部的彈性能耗散釋放,彈性能減小為400KJ/m3,且彈性能積聚區(qū)域向煤柱內(nèi)側(cè)移動,靠近采空區(qū)側(cè),距順槽煤壁距離較大,減弱了沖擊地壓發(fā)生的危險性。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TD324.2

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1225193