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深部特厚煤层巷道冲击地压机理及防治研究

张寅  
【摘要】: 冲击地压是一种复杂的矿井动力现象,一直是岩体力学及矿山灾害防治研究的难点之一。近年来随着煤矿开采深度的不断增加,开采强度不断加大,出现冲击地压显现的矿井明显增多,分布范围越来越广,给矿井生产和安全带来了极大的威胁,因而开展对深部煤矿冲击地压等动力灾害的防治理论与技术研究工作是一项刻不容缓的任务。本文综合利用理论分析、数值模拟、现场实测等方法和手段,系统研究了深部特厚煤层巷道在静载和冲击载荷作用下的响应规律,得到了巷道在冲击作用下的应力、速度、加速度以及能量分布等规律,主要的创新工作与成果包括以下几个方面: (1)利用弹性力学理论推导了双层及四层复合厚壁圆筒在围压下的应力分布公式,基于有限元理论分析了三层厚壁圆筒在围压下的应力分布规律,针对深部特厚煤层全煤巷道进行了煤体及其支护结构分区性、结构性、功能性研究,提出了巷道围岩由U型钢可缩性金属支架组成的约束圈,锚网索等巷道支护及围岩组成的支护圈,经过注水软化或放炮松动后所形成的卸压缓冲圈,原岩组成的完整拱形圈的“弱-强-弱-强”力学模型,并分析了该模型的防冲击机理。 (2)在冲击波传播特性理论分析的基础上,借助通用显式动力分析程序ANSYS/LS-DYNA对冲击作用下单层及多层复合巷道围岩进行了数值模拟,得到了整个冲击过程中巷道及其围岩的应力场、速度场及加速度场,通过两者的对比,发现具有弱夹层的复合结构巷道有较好的防冲击性能,并分析了其防冲机理。 (3)采用数值模拟方法对不同截面形状巷道开挖后的应力状态及巷道围岩集聚的弹性应变能分布状态进行了研究,得出了有利于防止冲击地压等动力灾害的合适巷道截面形状以及巷道围岩弹性应变能的分布规律。利用FLAC3D对3种不同形状的巷道在冲击载荷作用下的力学和能量响应进行分析和比较,得到了冲击过程中围岩应力分布情况以及能量积聚的特征,为分析冲击地压提供了一种可行的分析手段。 (4)首次提出沿综放工作面顺槽预掘卸压硐室来达到消除冲击地压现象的方法。通过数值模拟的方法确定了卸压硐室的合理间距和开挖深度,为了研究预掘卸压硐室防冲击地压方案的卸压效果,对卸压硐室和运输巷的表面位移和锚杆应力进行现场实测,得到了部分卸压硐室以及硐室邻近的巷道位置处顶板锚杆的应力变化规律,验证了预掘卸压硐室卸压的效果。 本论文有图139幅,表20个,参考文献177篇。


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