煤层合并区应力分布与冲击地压防治技术研究与应用

【摘要】：冲击地压是煤矿煤岩动力灾害之一,其影响因素众多,机理复杂,是岩石力学和采矿工程中的研究难点与热点之一。本文以张双楼煤矿74102工作面7、9煤煤层合并区为研究背景,综合采用理论分析、数值模拟、实验室试验、现场监测等研究方法,对煤层合并区采动应力分布与演化规律、冲击地压发生原因、监测预警与防治技术进行了综合研究,并在现场实施应用。基于74102工作面地质与生产技术条件,分析了7、9煤煤层合并对采动应力分布规律与冲击地压的影响,对煤层合并区冲击危险性进行了评价,确定了煤层合并区的冲击危险等级与影响范围。利用FLAC3D数值模拟软件,模拟研究了煤层合并区煤层应力分布与演化规律,结果表明张双楼煤矿74102工作面煤层合并区随底煤厚度增大,煤层峰值应力和应力集中系数随之增大,煤层合并区的影响范围约为50m。模拟回采过程得到煤层合并区底煤厚度6m区域煤层平均垂直应力峰值是无底煤区的1.18倍,运输巷底板平均垂直应力峰值是无底煤区的1.13倍,运输巷巷帮平均垂直应力峰值是无底煤区的1.06倍;底煤厚度8m区域工作面煤层平均垂直应力峰值是无底煤区的1.26倍,运输巷底板平均垂直应力是无底煤区的1.15倍,运输巷巷帮平均垂直应力峰值是无底煤区的1.1倍。工作面应力集中系数最大可达4.75,煤层中易积聚弹性能,从而导致高能量破裂震动与冲击地压的发生。针对工作面与巷道底煤厚度大,易于发生冲击显现,提出在巷道内向工作面底煤区域实施远程高压注水软化防冲技术。实验室进行了不同注水参数下底煤物理力学性质与破裂模式的实验研究。通过不同含水率煤岩声发射特征试验得出,随着煤样含水率的增加,煤样单轴抗压强度降低、弹性模量减小;煤岩声发射事件率、应力与应变关系趋势具有较好的一致性;声发射累计振铃计数与煤岩含水率呈负相关关系。试验煤样含水率为2.41%时,煤岩单轴抗压强度最小,事件率和振铃计数也相对较小,煤岩体软化效果最好。这为74102工作面煤层远程高压注水防冲设计与参数优化提供了理论依据。基于理论分析、数值模拟与实验室试验,制定了74102工作面煤层合并区冲击地压防治技术体系,形成了以工作面底煤的远程高压注水软化技术、巷道底煤合并区爆破卸压技术和大直径钻孔预卸压技术为主的冲击地压综合治理方案。通过微震监测研究了煤层合并区震动时空强演化规律,同时利用微震指标对冲击地压危险区域卸压解危效果进行检验。现场实践验证了理论分析结果与防治技术参数的合理性,确保了工作面安全回采。论文研究成果有效地指导了74102工作面安全回采,可为类似条件冲击危险控制提供理论支撑和技术参考。该论文有图128幅,表11个,参考文献80篇。