动载荷作用下巷道围岩冲击地压机理及防控研究

【摘要】：煤矿井下岩层断裂垮落、断层滑动及天然地震等产生动载传播至巷道围岩附近时,可能诱发冲击地压等重大动力灾害事故。在开采深部、坚硬顶板及受构造运动影响剧烈的煤炭资源时,这类动力灾害事故明显增多,给生产安全带来极大危害。实际上,此类冲击地压是煤岩在动静组合载荷作用下的突发失稳,目前关于煤岩单体及组合体整体的力学特性已进行了较多研究,但对于煤岩组合条件下煤的力学特性及本构模型研究较少,而且关于动载诱冲机理及防控的研究还处于初级阶段,不能满足工程实践需要。鉴于此,本文采用室内试验、理论分析、数值模拟和现场监测等研究方法,针对动静载荷作用下煤岩组合体中煤的力学特性及本构模型,动载荷作用下巷道围岩能量演化规律及结构力学模型,动载荷诱发巷道围岩冲击地压机理及防控等开展了深入的研究。论文主要研究内容及取得的创新成果如下:(1)基于应变直测技术和PVDF压电特性,提出了获取煤岩组合条件下煤力学特性的试验方法,采用岛津AG-X250电子万能试验机和改进的SHPB试验系统,开展了煤岩单体与组合体的静载、动载及动静组合加载试验,获得了加载方式、围岩性质、组合形式、煤岩高度比及初始轴压大小对煤力学特性的影响。(2)考虑煤的压密特性、弹性特性、塑性特性和粘滞特性等,定义并引入压密系数的概念对经典损伤本构模型进行了修正,结合围岩性质、组合形式和高度比等对煤力学特性的影响,构建了静载、动载及动静组合加载下煤岩组合体中煤的损伤本构模型,与试验结果对比表明,各模型可以较好地描述相应载荷作用下煤的力学行为,并能准确反映围岩性质、组合形式及煤岩高度比变化的影响。(3)推导了自定义损伤本构模型的三维差分格式,采用C++语言将其引入到FLAC3D软件中;针对忻州窑矿14-3#煤层2706运输巷地质开采条件,采用自定义本构模型开展了巷道围岩受动载冲击过程模拟,获得了动载应力波作用下巷道围岩变形破坏和能量枳聚释放规律,以及动载荷强度、初始静载荷大小和围岩性质对巷道围岩能量积聚释放的影响。(4)构建了动载荷作用下巷道围岩结构力学模型,将巷道两帮煤体划分为阻力区、驱动区和无明显影响区,探讨了动载荷诱发巷道围岩冲击地压的发生过程,提出了此类冲击地压的发生机理,并推导了围岩冲击失稳的能量判据。(5)考虑到煤层失稳破坏时顶底板岩层对煤层的加载作用及时间效应,建立了一种新的冲击危险性评价指标,煤岩组合冲击能速度指数,并构建了以煤岩组合条件下煤的力学性质为判定依据的煤层冲击危险性综合评价方法。(6)从降低静载应力集中程度、控制动载源、增加应力波传播衰减、提高巷道围岩承载能力、增大两帮塑性破坏区深度和增加支护体抗动压能力等六个角度,构建了动载荷诱发巷道围岩冲击地压防控技术体系;采用液压与强力弹簧耦合控制方式,发明了一种巷道围岩多级让压防冲支护装置,能显著增加支护体抗动压能力;山东新河煤矿-980 m水平5302工作面现场实践表明,所采取的防冲技术措施具有较显著的防冲效果。