【摘 要】
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新疆是国家亿吨级大型煤炭基地之一,大量煤矿处在天山山脉附近,天山雪水融化冲刷及构造作用形成了落差达数百米的地表沟谷区域,这些沟谷区域相当于梯度载荷作用于煤层。采煤工作面经过梯度载荷区域时易发生冲击地压,严重制约矿井安全高效生产。为此,本文以国能新疆宽沟煤矿为研究对象,采用现场调研、案例分析、相似模拟、数值模拟、理论分析和工程实践等方法,开展了梯度载荷条件下冲击地压发生机理及防治技术研究。取得了如下
【基金项目】
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国家重点研发计划项目《煤矿典型动力灾害监测预警技术集成及示范》（2016YFC0801408）； 国家自然科学基金重点项目《冲击地压电-震耦合监测预警原理与方法》（51634001）； 国家能源集团新疆能源公司科技创新项目《宽沟煤矿B1煤层冲击地压防治成套技术》（新疆能源（科技）〔2022〕 6号）和《宽沟煤矿基于多源数据融合的冲
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新疆是国家亿吨级大型煤炭基地之一,大量煤矿处在天山山脉附近,天山雪水融化冲刷及构造作用形成了落差达数百米的地表沟谷区域,这些沟谷区域相当于梯度载荷作用于煤层。采煤工作面经过梯度载荷区域时易发生冲击地压,严重制约矿井安全高效生产。为此,本文以国能新疆宽沟煤矿为研究对象,采用现场调研、案例分析、相似模拟、数值模拟、理论分析和工程实践等方法,开展了梯度载荷条件下冲击地压发生机理及防治技术研究。取得了如下的成果:（1）分析了宽沟煤矿地表形貌特点,研究得出了梯度载荷下煤层开采冲击显现特征。结果表明,宽沟煤矿地表沟谷发育,山峰和沟底的最大落差可达300 m;地表落差较大的山体区域,即梯度载荷区域,大能量矿震事件和支架压力极值更多,微震能量密度和支架压力分布更集中,地表山体对应的裂缝更聚集,冲击显现事件多发生在该类区域;与之不同的是,地表平缓区域微震能量密度和支架压力的分布较为均匀,大能量矿震事件和支架压力极值较少。（2）开展了物理模拟实验,得到了梯度载荷下覆岩破断运动特征。梯度载荷作用下覆岩产生非均匀性破断运动,随工作面在山体下推进和覆岩偏转固支点位置的移动,山体发生不同方向的偏转运动并产生“开合效应”。开采梯度载荷区域煤层时,覆岩的活跃程度依次为:进坡阶段＞出坡阶段＞平坡阶段。存在煤层关键区域对上覆岩层的运动起到关键性作用,当其被开采时,上覆岩层会发生短时、大范围、破坏程度较大的岩层运动。（3）建立了包含地表沟谷的三维精细化数值模型,模拟研究了梯度载荷下原岩应力分布特征及采动应力演化规律。结果表明,原岩应力分布与梯度载荷形态一致,煤层采动应力受梯度载荷影响。地表山体落差越大,其下方煤层受到的梯度“压”应力越明显,原岩应力和工作面超前支承压力受到的影响越大,但随着煤层埋深的增加,这种受影响的程度逐渐减小。落差为H的山体,最大影响深度约为3.6H,其中,0～1.6H为强影响区,1.6～2.4 H为中等影响区,2.4～3.6H为弱影响区,大于3.6H为无影响区。梯度载荷下煤岩层应力分布的主要影响因素是山体高度和冲沟落差,冲沟宽度和坡度为次要影响因素。（4）建立了静载压应力和动载转应力的理论公式,揭示了工作面过梯度载荷区域时压转耦合诱冲机理。大落差山体将煤体“压”至高静载临界状态,山体随固支点移动发生的偏转运动和“开合效应”产生动载转应力,静载压应力和动载转应力耦合诱发冲击。其中,进、出山体阶段,工作面超前支承压力峰值接近煤体冲击危险的临界值,转应力达到最大,二者耦合共同作用诱发冲击;位于山体正下方时,工作面超前支承压力峰值接近煤体的临界冲击条件,山顶将下覆的煤层“压”到近临界冲击危险状态,此时,较小的转应力会诱发以压应力为主,转应力为辅型冲击。（5）构建了梯度载荷下煤层开采冲击危险区判识方法,以山体高度、冲沟落差、冲沟宽度和冲沟坡度为子因素,采用隶属度函数将上述因素进行耦合,判识工作面冲击危险区域。经判识,I010203和I010206工作面分别增加了 4个和5个强冲击危险区域,补充了传统冲击危险性评价方法的评价结果。最终,根据判识结果提出了区域-局部的防治措施方法,并验证了判识结果的正确性及防治措施的有效性。研究结果对梯度载荷下冲击地压防治具有理论指导意义和工程应用价值。
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