采掘相互扰动的动静载互馈耦合诱冲机理及控制

来源 :中国矿业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:m634606037
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冲击矿压是典型的煤岩动力灾害之一,采掘相互扰动导致不同工作面的动静载应力场之间相互叠加并诱发扰动型冲击矿压,严重影响安全生产。为此,论文综合采用现场调研、理论分析、力学试验、相似模拟、数值模拟和工程实践等方法,开展了采掘相互扰动的动静载互馈耦合作用机制及诱冲机理研究。调研分析了采掘相互扰动诱发冲击矿压显现特征并进行了整体分类。扰动型冲击具有受采动影响显著、掘面更易受采面应力扰动、采面冲击强度高于掘面、动力破坏明显的典型特征。按扰动对象、位置关系、扰动方向、组合类型将研究对象进行了划分,其中相向回采工作面之间的动静载应力扰动程度最强,容易诱发冲击。揭示了采掘相互扰动的采动应力场互馈过程与复合动载耦合作用机制。随相对距离逐渐靠近,划分了相向采-掘工作面静载互馈的不同阶段;讨论了原岩应力、应力集中系数、巷道高度、煤体强度等因素对互馈扰动程度的影响;给定条件下,相向回采、相向采-掘和相向掘进工作面的静载扰动范围依次为60m、30m和5m;从降低复合矿震造成的动载扰动而言,工作面相对安全距离应尽量不低于500m;深部围岩和锚固结构界面处各向应力随PPV呈正相关关系,随频率呈正比关系,确定了复合动载作用下巷道顶部及斜向45°方向需要重点加强支护;复合矿震协同耦合过程存在同相叠加、反相叠加和相向叠加三种情况,其中同相叠加对应的动载增量最高,容易诱发冲击。揭示了应力扰动载荷作用下煤体的加速诱冲效应。准静态载荷速率和应力水平、循环载荷幅值和频率、瞬变载荷增量和应力水平越高,煤样抵抗扰动载荷能力越弱,能量积聚释放更迅速,动态破坏更剧烈。扰动载荷作用前以弹性应变能存储为主,扰动阶段弹性能快速释放转化为煤体宏观扩展和颗粒弹射破坏动能及热能。总结了“高静载主导型”、“矿震疲劳动载主导型”和“瞬间冲击动载主导型”三种扰动载荷加速诱冲效应。揭示了采掘相互扰动围岩力能演化特征及渐进损伤机制。采动过程中掘面受到扰动导致静载阶段上升,高位岩层不发生破断,未达到冲击启动条件。随外部动载强度增加,围岩响应程度更剧烈,得到了采、掘面的临界诱冲能量,揭示了“巷道小结构”与“围岩大结构”协同运动导致静载应力集中和动载扰动。研究了采动应力演化、能量积聚释放规律和动载响应特征,得出不同阶段形成“高静载+高动载”和“高静载+低动载”扰动型冲击。建立了冲击机理模型,确定了动静载力源并提出了诱发冲击的判据准则。提出了采掘相互扰动诱冲工作面采前预评估及分源降载减震防冲技术体系,提出基于“应力-震动-能量”耦合原理的分源预警方法,并给出针对性控制方案。研究成果在工程现场进行了工程实践,有效降低了冲击危险性,取得了良好的社会经济效益。本论文有图156幅,表13个,参考文献180篇。
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