富水矿井顶板疏水条件下冲击地压研究

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随着煤炭开采深度逐年增加,复杂的地质条件(高温、高地应力、高瓦斯、高水压)使得诱发冲击地压的因素复杂多变。所以在不同地质条件及采矿工程下,对冲击地压发生机理及监测和防治的研究已成为保障深部矿井安全高效开采的重要科学问题。因此本文以近年来在我国陕西彬长矿区、内蒙古鄂尔多斯矿区、山东巨野煤田等多个矿井开始出现顶板疏水后富水区边界冲击地压显现更为严重为工程背景,通过现场调研,理论分析及实验室和现场试验的方法,系统的开展顶板疏水条件下冲击地压发生机理及监测和防治研究。首先开展顶板疏水工程相关研究;其次探究不同顶板疏水条件下冲击地压发生规律及主要疏水影响参数;由此开展在水流体非力学及力学作用下冲击地压发生机理的研究;然后应用电荷感应技术开展冲击地压监测研究;最后通过总体防治体系,具体防治措施及防治参数开展冲击地压防治研究。主要研究内容如下:(1)调研了我国目前主要顶板富水-冲击地压矿井的分布,统计了各矿井含水层赋存情况,水文地质类型,煤岩层冲击倾向性等。掌握了顶板疏水方式、疏水孔结构、疏水流程及工艺。明确了顶板疏水钻孔的出水量、水压变化规律和钻孔疏水影响范围。分析了水流体的非力学及力学作用下顶板疏水对岩石力学性质的影响机制。(2)通过工作面回采至富水区内外微震分布规律和钻孔应力变化特征,间接得到了顶板疏水对工作面应力调整的影响规律。通过对多次冲击地压发生时间、位置、现场破坏情况及周边疏放水情况分析,得到了不同疏水条件下冲击地压发生特征,确定了疏水孔初始水量和水压为影响冲击地压发生规律的关键疏水参数。(3)开展了不同水流环境和不同水岩作用时间下富水区砂岩力学性质试验,得到了砂岩各力学参数在不同水流环境下的变化规律及与水岩作用时间的函数关系;开展了卸水压条件下砂岩变形特征试验,得到了不同孔隙水压条件下,卸水压后砂岩变形规律。(4)根据水流体对砂岩的非力学及力学作用,建立了顶板疏水应力转移力学模型,得到了与砂岩损伤变量和水压等参数相关的煤层应力分布解析式,通过定义敏感系数分析了各参数对煤层应力分布的影响规律。以某工作面为例探究了顶板疏水后富水区内外应力演化规律,得到了顶板疏水引起的冲击地压重点防治区域。根据扰动响应失稳理论,提出了临界应力指数法,对顶板疏水前后富水区内外冲击危险性进行了定量评价。(5)建立了单轴压缩条件下应力-电荷耦合模型,得到了煤体变形破裂过程累积电荷量与加载应力之间具有非线性耦合关系。开展了不同恒载作用下煤体电荷感应试验,得到了不同应力水平下的煤体电荷变化规律。应用电荷感应技术对顶板疏水过程煤层应力演化规律进行了现场监测,对比分析了顶板疏水前后富水区内外各测点电荷参数变化规律,初步圈定了某种疏水条件下的应力转移范围,并基于各测点电荷量峰值的变化规律,得出了不同疏水量下的应力转移特征,初步圈定了冲击地压防治区域。(6)根据顶板疏水工程和工作面回采之间存在的时-空差异,提出了“分阶段”的冲击地压防治思想。对于不同防治阶段,根据扰动响应失稳理论给出了“控内防外”的防冲对策。针对顶板疏水前后富水区内外冲击危险性的改变,确定了大直径钻孔卸压、加强支护和控制回采速度的防治参数。应用电荷变化规律对大直径钻孔卸压进行了效果检验。该论文有图152幅,表31个,参考文献153篇。
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