【摘 要】
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采空区下方煤体采掘过程中,不仅会承受上方遗留煤柱集中应力的作用,而且会伴有爆破、打钻、采煤机割煤等机械运转和瓦斯突出等动态活动,极易引发采空区上方顶板的二次断裂垮落、断层滑移等动载扰动,动载应力波传播至下方巷道,可能诱发冲击地压等动力灾害事故。本文针对上述研究背景,综合采用了室内力学实验、理论分析和数值模拟等相结合的方法,运用岩石力学、材料力学、结构力学、矿山压力与岩层控制、弹性力学和岩石动力学等
【基金项目】
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国家杰出青年科学基金项目,遗留煤炭资源开采与灾害防控,51925402,国家自然科学基金委员会; 山西省科技重大专项项目,遗留难采煤炭资源安全绿色高回收率开采关键技术研究与示范,20201102004; 国家自然科学基金-山西煤基低碳联合基金重点支持项目(No.U1710258);
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采空区下方煤体采掘过程中,不仅会承受上方遗留煤柱集中应力的作用,而且会伴有爆破、打钻、采煤机割煤等机械运转和瓦斯突出等动态活动,极易引发采空区上方顶板的二次断裂垮落、断层滑移等动载扰动,动载应力波传播至下方巷道,可能诱发冲击地压等动力灾害事故。本文针对上述研究背景,综合采用了室内力学实验、理论分析和数值模拟等相结合的方法,运用岩石力学、材料力学、结构力学、矿山压力与岩层控制、弹性力学和岩石动力学等交叉学科的理论,研究了采空区下动压巷道周围煤岩体的失稳破坏特征,分析了采空区下回采巷道受动载应力波扰动作用的动力响应和演化过程,揭示了采空区下动压巷道围岩的非对称变形机理,并针对性的提出了采空区下动压巷道的支护技术和防控措施。论文主要研究内容及取得的创新成果如下:(1)揭示了采空区下动压巷道的典型特征和影响因素。通过分析上覆煤层开采后围岩应力重分布的过程,归纳出采空区下巷道的应力分布不均匀、地应力是静载应力基础、应力集中程度高等特征。通过分析采空区下巷道的主要动载源和现场监测的多种动载应力波的波形,归纳出采空区下巷道动载具有作用时间短、衰减性、波动性、方向随机性、扰动多发性和分布不均匀性。通过分析现场采空区下巷道具体情况,归纳出采空区下巷道围岩变形的非对称体现在关键部位变形量大、煤层开采后应力不对称、巷道整体变形不对称和对称支护构件失效不对称。(2)研究得到了采空区下动压巷道周围煤体失稳响应特征。探究了煤体在不同应变率下单一载荷加载和不同动静组合加载作用下的力学响应特征、变形破坏特征、煤体表面位移场和应变场演化特征、AE能量、AE振铃数和AE破裂点的时空分布特征。分析了不同静载应力、不同动载参数条件下对煤体失稳破坏的影响程度和影响规律。动载突然作用在煤体上时,煤体表现出明显的Kaiser效应,煤体的声发射AE破裂定位点与试件真实破坏形态基本吻合。静载是煤体动静组合作用诱冲的应力基础条件,动载是煤体动静组合作用破坏的诱发因素。(3)揭示采空区下动压巷道围岩应力分布特征及非对称变形机理。根据采场活动规律的采空区顶板垮落形式,求解得到了均布型动载和集中型动载对采空区底板作用下的动载应力响应表达式。基于弹性力学半平面无限体理论、极限平衡理论和动力基础半空间理论,建立采空区及遗留煤柱的支承压力理论计算模型和采空区顶板垮落产生动载理论计算模型,推导出采空区下底板煤岩体内任意一点的垂直应力、水平应力、剪切应力和采空区底板岩层受到的冲击应力时程关系的表达式。进一步运用自稳隐形拱理论求解预测采空区下巷道围岩的最大不稳定区域,深入分析近距采空区下巷道的非对称变形力学机制。通过FLAC3D数值软件进一步分析了巷道的非对称变形机理。数值计算的巷道位移变形特征与理论计算求得的极限自稳隐形拱曲线形态吻合。(4)研究得到采空区下巷道受动载扰动作用下的动载响应特征和变形演化过程。根据采空区下巷道受动载扰动的工程背景,建立了采空区下巷道动静载叠加作用的数值分析模型,运用FLAC3D软件中的非线性动力模块,分析巷道围岩动态变形的演化规律。对比研究了不同埋深、不同动载应力波幅值、不同动载应力波频率条件下,动静载叠加作用下巷道围岩的位移加速度场、塑性区、位移场和应变场的动载响应特征,分析了不同条件对巷道响应特征的影响程度和影响规律,揭示采空区下巷道受动载扰动作用的非对称变形机理。(5)采空区下动压巷道围岩变形控制对策及防控措施。根据锚网索支护构件的力学分析,运用自稳隐形拱理论进一步确定采空区下动压巷道合理的非对称支护参数,并采用数值模拟进行验证优化后的支护方案。从采空区下巷道的动载来源、遗留煤柱应力集中和围岩破碎的特点出发,提出“充填控顶消除动载来源”、“煤柱爆破降低静载集中”和“复合锚注强化围岩承载”的动压巷道防治措施。
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