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近距离煤层群开采强矿压显现机理及监测预警技术研究

牟宏伟  
【摘要】:近距离煤层群由于其特殊的煤岩赋存条件和重复开采扰动,导致动静载叠加诱发强矿压显现的机理复杂,给矿山安全生产和强矿压显现监测预警带来了新的挑战,亟需研究诱发近距离煤层群开采强矿压显现的动静载作用机制并建立适用的监测预警方法。为此,论文综合采用现场调研、理论分析、数值模拟及工程实践等方法,开展了近距离煤层群强矿压显现机理及监测预警技术研究。主要取得如下成果:(1)以忻州窑矿为例研究了近距离煤层群强矿压显现特征及主要影响因素。下煤层开采强矿压显现受上覆遗留煤柱和采空区影响较大,强矿压显现主要位于上覆遗留煤柱下的临空巷道,且在上覆不规则遗留煤柱交叉位置更为严重;大能量矿震主要集中在上煤层,且呈现出与上覆遗留煤柱位置高度相关的分区特征。由于多数大能量矿震离下煤层采掘空间较远,下煤层受远场动载扰动影响较小,强矿压显现主要表现为两帮移近、底鼓和顶板下沉,未见大范围的冲击破坏。(2)研究构建了上覆遗留煤柱下临空巷道多源静载力学模型,得出了各静载力源对应力集中的贡献程度。实例计算表明:临空巷道正上方的遗留煤柱是导致应力集中的主要因素,正上方煤柱传递了 78.3%的应力,侧向支承压力传递了 16%的应力,峰值应力是原始自重应力的1.8倍。构建了下煤层开采诱发远场动载的理论判据,当上煤层开采引起底板的损伤范围和下煤层开采引起顶板的损伤范围贯通时,开采下煤层易诱发上煤层覆岩二次失稳和遗留煤柱破坏,并产生远场大能量动载扰动。(3)研究揭示了近距离煤层群开采区域动载和局部静载综合作用机制,建立了考虑震动波衰减的区域动载-局部静载综合诱发强矿压显现的判别准则。研究结果表明:在煤层未开采条件下震动波传播符合指数形式衰减。近距离煤层群采空区和层间塑性区会加剧震动波的衰减,并且随层间塑性区范围和破坏程度加大,对震动波衰减的影响也越大;引起下煤层临空巷道强矿压显现的主要因素是多源静载应力集中和近场动载扰动,而发生在上煤层顶板或遗留煤柱区域的动载离下煤层采掘空间较远,同时又穿过采空区及塑性破坏区,对采掘空间产生的扰动破坏较小。动载到采掘空间的距离是动静载叠加诱发近距离煤层群强矿压显现的重要影响因素。(4)微震事件具有与近距离煤层群空间覆岩结构高度相关的分区及时空聚集特征,大能量微震事件前微震频次均值和滑动均值有明显的先下降再上升的趋势。电磁辐射和支架应力能反应局部应力集中程度。基于此,构建了预测区域动载发生时间和位置的微震离散度、加权中心位置、频次比指标,以及监测局部静载应力集中危险程度的电磁辐射幅值和脉冲数超限幅度、支架应力超限幅度指标。基于微震加权中心位置和区域动载到采掘空间的衰减规律,建立了区域动载对局部采掘空间影响权重的计算方法,并基于考虑震动波衰减的区域动载-局部静载综合诱发强矿压显现的判别准则建立了近距离煤层群强矿压显现区域-局部集成预警方法。将上述成果在忻州窑矿进行了现场应用与验证,结果表明微震频次比、离散度和加权中心位置指标可对大能量微震进行实时预警和空间位置预测。区域-局部集成预警结果与现场巷道变形破坏的记录以及震动波CT探测结果高度一致,该方法能够及时有效预警强矿压显现发生。研究成果提高了近距离煤层群强矿压显现预警的可靠性及防治的针对性。该论文有图89幅,表18个,参考文献208篇。


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