深部断层构造区沿空巷道灾变机理与安全控制试验研究

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巷道冲击灾变是煤矿动力灾害之一,主要发生在煤柱高应力、断层等地质构造区域。随着煤炭需求量的增加,浅部煤炭资源不断枯竭,煤矿开采逐渐进入深部开采状态。深部围岩受“三高一扰动”影响,巷道冒顶、冲击地压等事故不断增多,给煤矿安全生产带来严重威胁,尤其在深部断层构造区域开采过程中,断层与煤柱导致沿空巷道附近围岩结构复杂,巷道易发生灾变。因此,深部断层构造区沿空巷道灾变机理与安全控制方法亟需进行深入研究。在此背景下,本文主要开展了以下的研究工作,并取得了相关结论。(1)深部断层构造区沿空巷道灾变机理数值试验以山东某煤矿2305S工作面冲击地压案例为研究对象,深入分析了断层斜穿工作面条件下沿空巷道冲击地压显现特征,建立了深部断层构造区沿空巷道数值计算模型,研究了不同断层参数、煤层参数等条件下巷道围岩的应力演化、能量运移变化规律,揭示了深部断层构造区沿空巷道灾变机理。①断层倾角越大,断层附近围岩越不易形成平衡结构,矿山压力显现明显,断层附近围岩压力向巷道传递,导致沿空巷道围岩应力不断增大,但断层倾角超过一定角度后,断层上、下盘之间相互作用减少,沿空巷道与断层附近围岩应力开始减小。②断层走向越大,断层与沿空巷道形成工作面前方的三角煤柱越小,工作面前方三角煤柱内积聚能量越多,高能量主要集中于沿空巷道与断层附近围岩中,受开采扰动影响,围岩积聚能量超过极限值后,易瞬间破坏引发巷道灾变。③断层落差越大,断层附近围岩应力集中与能量积聚程度越高,断层上盘附近围岩的应力与能量峰值比下盘附近围岩的应力与能量峰值分别提高了 6.3%、2.4%。上、下盘煤层之间高差越大,导致上盘断层附近围岩应力受上、下盘相互作用影响不断提高,易引起断层失稳。(2)深部断层构造区沿空巷道灾变机理模型试验研究了工作面回采过程中深部断层构造区沿空巷道围岩应力、位移变化规律以及覆岩运动特征,验证了数值试验的合理性,得到了工作面开采过程中覆岩运动与巷道围岩应力变化规律。①模型试验监测得到的巷道顶板围岩位移变化规律与数值试验在对应监测点位置处的围岩位移变化规律相似,二者巷道围岩位移量的平均差异率为13.4%,验证了数值计算结果的有效性。②工作面回采初期,沿空巷道受采空区与煤柱的共同影响,顶板深部围岩出现应力集中区域。随着工作面回采距离增加,巷道顶板围岩应力重新分布,巷道顶板浅部围岩应力不断降低,深部围岩应力受采动影响进一步增大。③巷道顶板浅部测点位于煤层内,受超前采动影响剧烈,最大位移量达400mm;深部测点位于坚硬砂岩层位,位移量为56mm。(3)深部断层构造区沿空巷道灾变安全控制试验为降低深部断层构造区围岩的能量积聚程度,结合数值与模型试验研究结果,建立了深部断层构造区切顶自成巷方法,进一步开展了深部断层构造区切顶自成巷与沿空巷道数值对比试验,明确了深部断层构造区切顶自成巷方法对深部复杂断层区域巷道灾变安全控制作用,为深部断层构造区沿空巷道灾变防控提供一定指导意义。①切顶自成巷实体煤帮侧向支承压力峰值与围岩能量峰值比沿空巷道降低了21.6%、20.03%,切顶自成巷实体煤帮侧向支承压力峰值位置与围岩能量峰值位置均比沿空巷道围岩向深部转移了 4~6m。深部断层构造区切顶自成巷方法能够有效切断采空区顶板与巷道顶板之间的应力传递,降低巷道附近围岩应力集中与能量积聚程度,使巷道围岩侧向支承压力与能量峰值位置远离巷道,降低了巷道灾变发生的可能性。②深部断层构造区切顶自成巷方法开采时,工作面前方围岩应力峰值与能量峰值分别比沿空巷道开采时降低了 17.4%、21.2%,切顶自成巷开采方法在工作面开采过程中,能够有效降低工作面前方围岩应力峰值,对深部断层构造区巷道灾变的发生起到一定的防控作用。
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