急倾斜特厚煤层水平分段开采夹持型冲击失稳机理研究

来源 :中国矿业大学 | 被引量 : 11次 | 上传用户:yp445163091
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冲击矿压是典型的煤岩动力灾害之一,随着开采深度与强度的增大,冲击矿压灾害越来越严重。其中,在急倾斜特厚煤层分段开采过程中也发生了冲击动力灾害,严重影响矿井正常安全生产。因此研究急倾斜分段开采条件下冲击矿压机理与防治问题具有重要的理论意义及实用价值。论文综合采用现场调研、理论分析、物理模拟试验、数值模拟试验及工程实践等方法,开展了急倾斜特厚煤层水平分段开采冲击机理研究。分析了急倾斜分段开采冲击显现特征。急倾斜分段开采采场煤体具有夹持受载特性,顶底板两侧煤体的冲击显现具有非对称性。分段开采工作面和巷道冲击显现存在差异,采场冲击发生次数少于巷道冲击但破坏程度大于后者,采动影响是巷道冲击的主要诱因。研究了急倾斜分段开采夹持煤体受力及动载扰动特征。基于受力状态将夹持煤体划分为三角塑性区,深部塑性区,深部弹性区和原岩应力区,其中深部塑性区和深部弹性区均属于深部承载区,是采动应力的主要承载区域。当夹持煤体处于本分段工作面回采影响期间,覆岩运移活动性增强且采动应力增大。通过建立覆岩破断释放能量、矿震能量、质点峰值振动速度和动载扰动的互相联系,推导出覆岩破断诱发动载的表达式。高位关键层破断会引起下位关键层的同步提前破断,覆岩协同破断时对采场煤体的动载扰动是多层覆岩破断诱发动载的叠加。覆岩铰接结构失稳类型主要包括滑落失稳、回转变形失稳和铰接岩块再次破断,滑落失稳主要发生在铰接结构的上拱脚,而回转失稳主要发生在下拱脚。铰接结构瞬时失稳同样会诱发动载荷,按照第II类煤矿动载估算。揭示了急倾斜分段开采夹持型冲击失稳机理。提出了急倾斜分段开采的夹持冲击类型(采场冲击型和巷道冲击型)并建立了冲击失稳判别准则。急倾斜分段开采采场冲击发生位置在夹持煤体,而冲击显现位置在工作面;通过相似模拟试验再现和验证了急倾斜采场冲击发生过程;基于现场显现情况验证了底板(底煤)动力抬升和挤压是急倾斜分段开采采场支护冲击破坏的主要诱因。静态巷道围岩破坏以顶底板为主,两帮次之。处于围岩高应力区的巷道深部围岩,在外界动载下会加剧其发生压剪破坏;处于围岩应力降低区的巷道浅部围岩则主要受动载应力的反射拉伸破坏。近直立煤层巷道冲击显现表现为以帮鼓最为严重(岩帮侧帮鼓大于煤帮侧),底鼓和顶板下沉次之。提出了急倾斜分段开采冲击矿压防治对策,包括适合急倾斜分段开采的冲击危险性评价的综合指数法、监测预警体系和防控技术;防控措施主要包括:选择合理的急倾斜分段垂高,确定安全的采掘相对距离,针对防冲开展采场支架和巷道支护选型和参数设计以及优化煤岩体卸压方案。研究成果在窑街三矿进行了工程实践,减冲效果显著,取得了良好的社会经济效益。
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