复合弱结构防控冲击地压机制及应用

【摘要】：冲击地压是矿井生产中最严重的动力灾害之一,尤其是重大冲击灾害,其防控技术对矿井安全生产更为重要。本文以复合弱结构的物理力学性质为基础,综合运用理论计算、实验室试验、数值模拟分析和现场实践等方法,基于复合弱结构不同组合形式的变形特征、受力状态及能量演化规律等方面的分析,对复合弱结构整体防控冲击地压的技术体系进行了系统性的研究。根据复合弱结构中软硬岩层的不同比例对复合度进行了描述,并对比分析了复合弱结构不同组合形式的变形破坏特征及力学行为,复合度的不同能够改变复合弱结构的蠕变和卸载过程,其中坚硬岩层主要控制瞬时应变,软弱岩层主要调节形变时间;在外界应力作用下,复合弱结构中软弱岩层的强度及厚度是决定整体结构应力状态的直接因素;通过复合弱结构对弹性能指数和冲击能指数的控制机理,表明了复合弱结构对冲击能量的耗散和释放起到了关键性作用,且揭示了复合度大小与冲击能量的转化和耗散成正比的关系,为复合弱结构对冲击地压的可控性提供了理论基础。从冲击地压能量耗散和释放的角度,分析了复合弱结构对冲击能量的控制因素主要为强度指标、软弱介质、布置方位及结构尺寸,并通过数值模拟对比研究了复合弱结构远近场关系(垂直远近场、水平远近场)及不同尺寸对冲击能量的演化规律,揭示了巷道周围能量积聚程度与复合弱结构距巷道最佳距离及尺寸大小的比例关系;利用复合弱结构对冲击能量的演化规律解释了不同煤岩系统组合形式的破坏方式及冲击显现,从复合度的差异性阐述了巷道及不同顶底板形式发生的冲击地压。论文基于复合弱结构防控冲击地压能量的机制,建立了其对冲击能量的控制模型,并分析了分级防控的原理及实施应用,提出了复合弱结构的时空协同机制及动态优化方法,形成了复合弱结构对冲击地压的整体可控性技术体系。结合复合弱结构防控冲击地压的发生机制,根据其对冲击地压的整体防控体系,在唐山煤矿进行了具体工程应用,验证了复合弱结构对重大冲击地压的控制效果,为高能级冲击灾害的防控起到了一定的参考作用。