深部煤层掘进巷道冲击地压孕育机制与防治研究

【摘要】：冲击地压是在矿山压力作用下诱发采场与巷道周围形成灾害性的动力现象,冲击地压防治作为国内外难题,其研究一直受到了国内外学术工程界的关注。随着我国许多深部开采矿井冲击地压事故的增多,深部掘进巷道冲击地压防治的研究,已成为亟待解决的重大安全技术难题。国内外学术工程界在深部巷道围岩破坏机理及演化规律方面取得了许多成果。虽然这些成果在深部巷道围岩支护和控制方面起到了一定的指导作用,但在深部掘进巷道冲击地压机理方面仍存在一定的局限性。例如:对深部冲击掘进巷道围岩破坏的动态发展规律和分布特征方面认识不足;对深部巷道冲击地压孕育机制及其与围岩破坏空间结构之间的关系等方面的研究较少。本文针对深部掘进巷道冲击地压防治存在的问题,以滕东煤田千米深井煤层掘进巷道为工程背景,从深部掘进巷道围岩空间结构演化过程的角度,对深部掘进巷道冲击地压发生的力学机制进行了系统研究。取得了如下研究成果:(1)考虑地质和工程两个主要因素,研究得到了控制深部岩体破裂的主应力条件及其应力状态。基于现场实际条件,采用理论分析、数值模拟等方法,分析了深部掘进巷道围岩工程地质条件,给出了工程地质条件对岩体应力影响特点,研究了深部岩体发生破裂时的5种主应力情况,认为深部主应力的集中或调整是岩体破裂的前提条件,主应力差的变化是破裂发展的原因。(2)将深部巷道围岩分为五个不同力学特性的区域,研究得到了深部巷道支护承载区与塑性区围岩地质体的差异性特点。采用弹塑性理论,分析了巷道围岩破坏的一般规律,基于深部掘进巷道围岩应力状态和破坏特征,提出了深部巷道围岩的分区模型,给出了支护承载区与塑性区在破坏上的差异性特点。(3)建立了深部巷道围岩空间结构模型,采用数值模拟和现场实测等方法,分析并研究了深部掘进巷道围岩破坏的动态演化规律。(4)建立了深部掘进巷道帮围岩“楔-墙体”动态结构模型,通过分析帮围岩结构的受力状态,研究得到了帮围岩失稳的2类冲击失稳破坏模式。(5)基于建立的深部巷道围岩结构模型,发展了一种深部掘进巷道围岩破坏的相似模拟试验方法,提出了一种研究深井巷道围岩破坏冲击失稳的新措施。基于新型深井巷道围岩破坏相似模拟试验装置,考虑深部巷道围岩塑性区深度较大和侧压系数较大的情况,通过发展的深部掘进巷道围岩破坏的相似模拟试验方法,采用大比例模型和双向加载施压,再现了深部掘进巷道从开挖前至围岩发生冲击失稳的动态过程,揭示了深部掘进巷道围岩从高应力静载下的破坏到动载下冲击失稳的应力分布特征。本装置不仅可动态模拟掘进巷道围岩的冲击破坏特征,还可同时模拟深部巷道静态破坏特征。(6)基于深部巷道围岩结构模型及其特点,分析了深部掘进巷道围岩破坏运动的自组织特点,研究得到了深部掘进巷道冲击力学机制,提出了深部不同地质开采条件下的冲击地压防治技术方案。