煤礦覆巖空間結(jié)構(gòu)演化與誘沖機(jī)制研究.pdf

1、煤層開采后,上覆巖層發(fā)生破斷運(yùn)動(dòng),對(duì)巷道和回采工作面施加靜載荷和動(dòng)載荷,誘發(fā)煤層頂板和沖擊礦壓災(zāi)害。而上覆巖層的運(yùn)動(dòng)不僅是單個(gè)工作面回采的結(jié)果,也可能是多個(gè)工作面回采共同作用的結(jié)果。微震監(jiān)測(cè)表明,對(duì)于采用小煤柱護(hù)巷,尤其是覆巖中存在厚層堅(jiān)硬關(guān)鍵層的礦井,沖擊礦壓震源往往集中在相鄰采空區(qū)中的厚硬巖層中,說明了煤礦覆巖在空間上存在著結(jié)構(gòu),并且隨著采空范圍(邊界條件)的不同,覆巖的空間結(jié)構(gòu)是動(dòng)態(tài)演化的?？臻g結(jié)構(gòu)演化與失穩(wěn)過程中造成的沖擊礦壓動(dòng)

2、力災(zāi)害,本文稱之為覆巖空間結(jié)構(gòu)失穩(wěn)型沖擊礦壓。為了揭示此類沖擊礦壓的機(jī)理,提出了煤礦覆巖空間結(jié)構(gòu)演化與誘沖機(jī)制,并采用實(shí)驗(yàn)室物理模擬試驗(yàn)、FLAC3D數(shù)值模擬試驗(yàn)、理論分析和工程實(shí)踐四種方法進(jìn)行了研究。
　　煤礦覆巖破斷后的形態(tài)是空間結(jié)構(gòu),并且空間結(jié)構(gòu)的形成與失穩(wěn)是動(dòng)態(tài)演化的。煤礦覆巖在層面方向上各關(guān)鍵層破斷成“O-X”形態(tài),不同層位的“OX”結(jié)構(gòu)形態(tài)空間上將形成柱臺(tái)體,與之相鄰的邊界覆巖在豎向剖面上形成“F”型結(jié)構(gòu)。覆巖層面方向

3、破壞的“OX”結(jié)構(gòu)向上發(fā)展,剖面方向上的“F”結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生破斷失穩(wěn)。因此,“OX”與“F”結(jié)構(gòu)及其相互轉(zhuǎn)化構(gòu)成了煤礦覆巖的整體空間結(jié)構(gòu)形態(tài),“OX”與“F”結(jié)構(gòu)的形成與失穩(wěn)不斷進(jìn)行,稱為煤礦覆巖空間結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)演化循環(huán)。考慮頂板斷裂線、煤柱穩(wěn)定性與動(dòng)態(tài)破壞三個(gè)因素,給出了覆巖空間結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)演化的條件判據(jù),根據(jù)工作面受“OX”與“F”的影響程度不同,將工作面分為“OX”、“F”及“T”型空間結(jié)構(gòu)工作面,并根據(jù)關(guān)鍵層的破斷特征進(jìn)行了詳細(xì)分類。<

4、br>　　通過實(shí)驗(yàn)室相似材料試驗(yàn),模擬了多工作面連續(xù)回采時(shí)“OX”、“F”、“T”型工作面的空間結(jié)構(gòu)的形成與演化規(guī)律。FLAC3D模擬表明覆巖性質(zhì)不變情況下,由于采空區(qū)范圍不同,煤層應(yīng)力集中程度規(guī)律為:短臂對(duì)稱“T”>非對(duì)稱“T”>短臂“F”>長臂對(duì)稱“T”>長臂“F”>“OX”。而關(guān)鍵層的來壓次數(shù)則長臂結(jié)構(gòu)大于短臂結(jié)構(gòu)。“OX”工作面應(yīng)力集中隨工作面寬度線性增大;短臂“F”工作面,長度增加有利于整個(gè)工作面范圍內(nèi)支承壓力的降低;而長臂“

5、F”工作面,工作面加大端頭支承壓力將降低,而中部支承壓力將升高。孤島“T”工作面加大工作面寬度對(duì)工作面端頭與中部的應(yīng)力降低均有作用。
　　基于彈性板與關(guān)鍵層理論,分析了“OX”結(jié)構(gòu)破斷與形成過程,給出了基于納維解法的應(yīng)力精確解。提出了“F”結(jié)構(gòu)存在主動(dòng)與被動(dòng)兩種失穩(wěn)模式,被動(dòng)失穩(wěn)能導(dǎo)致下位結(jié)構(gòu)呈整體滑落失穩(wěn),失穩(wěn)速度快,厚度大、沖擊力強(qiáng),危險(xiǎn)程度高于主動(dòng)失穩(wěn)過程。
　　覆巖空間結(jié)構(gòu)失穩(wěn)型沖擊礦壓的本質(zhì)為動(dòng)靜組合加載的復(fù)合型沖

6、擊。從應(yīng)力、能量與震動(dòng)效應(yīng)構(gòu)建了表示沖擊發(fā)生的判據(jù)。動(dòng)靜組合加載的模擬表明,在動(dòng)靜載之和相等的情況下,高靜載+低動(dòng)載的組合方式?jīng)_擊危險(xiǎn)性高于低靜載+高動(dòng)載的組合。
　　針對(duì)覆巖空間結(jié)構(gòu)失穩(wěn)型沖擊礦壓的特點(diǎn),建立了以動(dòng)靜載應(yīng)力場(chǎng)監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ),以空下巷道布置、定向高壓水力致裂為關(guān)鍵技術(shù)的預(yù)防體系。通過濟(jì)三煤礦“F”工作面63下05與“T”工作面163下02C的防沖實(shí)踐驗(yàn)證了論文提出的覆巖空間演化誘沖機(jī)制能夠有效指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)防沖工作。