深部条带煤柱冲击失稳发生机理及微震前兆模式预警

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随着开采深度的逐渐增加,越发频繁和严重的冲击地压制约了煤矿的安全高效生产。本文采用理论分析、室内试验、数值模拟与现场实践相结合的方法,研究了深部条带开采冲击地压发生机理及监测卸压技术,主要结论如下:  (1)试验研究了条带工作面顶板覆岩运移特征及围岩应力分布演化规律。结果表明,条带开采顶板裂隙发育高度与采宽呈正指数关系。煤柱应力分布类似于“马鞍形”,即煤柱边缘发生塑性破坏,其应力释放减小,其余区域煤柱应力随采空区增加而逐渐增加,且工作面开挖进度的改变(如开挖新工作面、推进速度的突然增加)以及顶板运动产生动载都会引起煤柱应力的突然增加。  (2)理论分析了煤岩体冲击地压发生过程及其能量转化规律,建立了冲击地压发生的能量判据及单位体积煤岩体临界能量密度表达式,得到了古城煤矿-1200m水平采场单位体积煤岩体临界能量密度值。  (3)基于莫尔-库伦准则,推导了矩形采空区侧煤柱塑性区宽度表达式,得到3202工作面煤柱塑性破坏区宽度为59.92m;建立了条带开采“煤柱-顶板”协同作用突变模型,得到了煤柱发生冲击失稳的充分必要条件,建立了条带煤柱冲击失稳能量释放量表达式,并提出了用于评价古城煤矿煤柱冲击危险性的指标:煤柱弹塑性区刚度比k、塑性区宽度比aY及煤柱核区弹性变形指标Uq。  (4)基于FLAC3D数值模拟软件,分析了开采方式(条带采宽、留宽)、顶板属性(顶板断裂、顶板强度、顶板厚度)、煤层厚度等因素对条带煤柱稳定性的影响。结果表明,条带开采一定程度上降低了采场应力集中程度,减小发生冲击地压的可能性;当顶板厚度为10~20m时,冲击地压发生类型主要为煤柱型冲击地压,随着顶板厚度的增加,煤层应力峰值减小,顶板活动诱发冲击的可能性增加;降低顶板强度,使顶板应力集中程度降低,可减小工作面冲击危险性;薄煤层工作面前方应力峰值较大,峰值距煤壁较小,厚煤层工作面前方应力峰值相对薄煤层有所降低,峰值区向煤体深部转移。  (5)统计分析得到了古城煤矿微震事件空间分布特征、微震前兆模式特征及临界预警值,依此实现了工作面的准确及时预警,并采用大直径钻孔卸压及顶板预裂爆破卸压技术顺利解除冲击危险。
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