煤层群下行开采扰动作用及诱冲效应研究

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冲击矿压是煤矿煤岩动力灾害之一,是多种因素耦合作用的结果。煤层群下行开采时,上下煤层的开采造成静载应力的传递集中和动载应力的相互扰动,容易造成冲击矿压灾害的发生。因此,开展煤层群下行开采扰动作用及诱冲效应的研究,对于煤层群开采时冲击矿压灾害防治具有重要的理论意义和实用价值。论文采用模拟实验、理论分析、数值模拟和工程实践等方法,对煤层群下行开采扰动作用及诱冲效应进行了研究,取得的如下研究成果:开展了煤体试样在动静载加载扰动作用下煤体损伤的模拟研究。结果表明:在静载应力作用下,围压越高,试样损伤程度越低,动态应力波穿过试样后衰减幅度越小;随着轴压升高,试样损伤程度加大,试样内裂隙发育,动态应力波穿过试样时能量变化程度越高,煤体的粘结强度变化率增大。在动载扰动作用下,应力入射波波长越长、峰值越高,试样的动态损伤程度越大,入射波衰减越快,黏结能量越高,煤体的粘结强度变化率越大。研究了煤层群下行开采扰动效应和诱冲机理,得到了煤层群下行开采扰动冲击矿压发生的判别准则。建立了煤层群开采的力学模型,给出了保护层卸压开采效应的解析解,揭示了煤层群开采静载分布和传递规律,得出了煤层群开采后支承压力的分布范围和底板破坏范围;推导了顶板破断和煤柱失稳造成的动静载强度表达式,给出了采高、埋深、层间岩性、煤层间距等主要影响煤层群下行开采动静载强度因素的影响程度。采用PFC2D模拟研究了煤层群下行开采产生动静载强度的影响因素,提出了应力扰动系数。得出:随着采高增大,煤柱内承载载荷增加,对工作面开采的影响逐渐增大;煤层间距增加,煤柱对工作面的影响减小,保护层卸压效果降低;煤层层间岩层强度增强,层间岩层垮落步距增大,引起的采场周围煤岩体静载应力明显升高,工作面煤壁前方的应力集中程度增大和集中范围扩大,支架阻力动载系数增加。研究成果在唐山矿煤层群下组煤Y394工作面冲击矿压防治工作中得到了成果应用。分析了工作面受开采扰动的作用,划分了冲击危险区域,采用微震法和应力在线法监测了煤层群下行开采产生的扰动效应。最后采用降低静载荷集中、切断动载荷传播路径的针对性煤体大直径钻孔、煤体卸压爆破和顶板预裂爆破等防治措施,减少了煤层群下行开采的扰动效应,达到了防治冲击矿压的目的,取得了良好的社会经济效益。该论文有图110幅,表6个,参考文献115篇。
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