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“两硬”条件厚煤层巷道冲击地压机理及防治技术研究

李彦伟  
【摘要】:冲击地压是煤矿开采领域中的一种动力灾害,严重威胁着工人和设备的安全。随着矿井采空范围的增加其发生频率也逐渐增加,其发生机理比较复杂,是采矿工程领域和岩石力学领域至今未被攻克的一道难题。本文以忻州窑煤矿为研究背景研究冲击地压的致灾机理及安全解危措施。忻州窑煤矿是冲击地压矿井,在其开采历史内多次发生冲击地压事故。经过调研发现其地质条件比较复杂,小断层、小构造发育,煤层分叉合并现象严重,合并后的煤层厚度较大。为了解决该矿的冲击地压问题,对忻州窑煤矿进行了调研。经过初步调研发现忻州窑煤矿顶板及煤层均比较坚硬,为了定量衡量其坚硬程度及冲击倾向性,对顶板岩层及煤层进行取样进行物理力学测试。结合其他学者所做的物理力学测试结果最终表明忻州窑煤矿顶板及煤层具有坚硬的特性,以及忻州窑煤矿现采煤层11#-12#煤合并层具有强冲击倾向性。在调研过程中发现,自忻州窑矿发生冲击地压事故以来,大部分冲击事故发生在工作面邻空巷道的靠煤柱一侧。为了确定忻州窑煤矿冲击地压的应力来源,在忻州窑煤矿设置三个测点,测量地应力状态。测量结果表明,忻州窑煤矿西二车场和西二行人斜井附近受北北西-南南东方向近水平的挤压应力的影响。地应力测量的数值结果为数值模拟提供了赋值依据。调研的过程中还发现,忻州窑煤矿的冲击地压不仅与地质构造因素相关,还与采动强度,巷道布置方式,煤柱的分布状态密切相关。针对于忻州窑煤矿冲击的特点,采用物理试验、相似模拟以及数值模拟手段相结合,研究忻州窑煤矿两硬条件下巷道冲击地压灾变机理,从而采取针对性的预防措施。本论文主要取得了以下成果:(1)通过物理试验,定量的分析了忻州窑煤矿、顶板的坚硬程度,最终确定了忻州窑煤矿冲击地压具有两硬的特征。经过单轴抗压强度试验测试,忻州窑煤矿煤层单轴抗压强度为27.32MPa,弹性模量为2.20GPa;岩石单轴抗压强度为79.58MPa,弹性模量为21GPa。(2)通过理论分析,可以得知能量场的大小与特征受到埋深、岩层容重,巷道半径、岩层的切变模量以及采出煤体的体积等诸多因素的影响。(3)根据测得的物理力学参数结合现场实际情况,建立两硬条件下厚煤层分层开采的相似模拟模型。相似模拟模型尺寸为(长×宽×高)=2500mm×200mm×1300mm。在模型铺设过程中预先埋设压力盒,监测应力变化情况。然后待模型自然风干后拆除模具,开始回采。在模型煤层两侧留设边界煤柱各50mm,以50mm的步距逐步开挖30mm的顶分层。待顶分层开挖完毕后,再开挖50mm的底分层,开挖步距同样为50mm,直到模型边界煤柱。在开挖过程中,压力盒同步记录应力数据。在回采上分层时,上覆岩层的破断特征、运移规律与中厚煤层类似。开采过程中,矿压显现较为明显。顶板岩层破坏时,自直接顶开始逐渐向上扩展,且顶板破断表现出多岩层同步破断的现象。当顶分层回采25m时,2m厚砂岩直接顶首次破断,当工作面回采55m时12m厚的砂岩基本顶初次破断,其上15m处顶板岩层离层破坏,故初次来压步距为55m。工作面回采90m时12m厚的砂岩老顶再次破断,来压步距为35m。受基本顶周期破断影响,基本顶之上20m范围内的岩层裂隙发育,产生离层破坏区。当顶分层工作面回采120m时基本顶再次破断,来压步距为30m,其上35m范围内岩层破坏严重,破坏区内裂隙发育。下分层回采至35m时再生顶板冒落高度达11m,回采至50m时再生顶板再次破断,来压步距为15m。回采至65m再生顶板再次破断,来压步距为15m。回采至80m,顶板再次来压破断,来压步距为15m。下分层继续向前开采,推进至约93m时,顶板再次来压破断,来压步距为13m。当工作面推进至110m时,顶板又一次破断来压。在下分层开采过程中,受下分层周期破断的影响,顶板离层破坏逐渐向上延伸,直到下分层回采结束,整个模型破坏,波及模型上表面。应力变化速率曲线存在许多间断的峰值点,峰值点的出现表明覆岩发生突然加速下沉,并伴随着能量的突然释放。每条应力变化率曲线中都存在大、中、小三个峰值段,各个峰值点之间都有一定的时间间隔,且小峰值到大峰值需较长时间的积累,峰值点两侧应力变化较平稳,上述现象表明在下分层开采过程中覆岩的断裂、回转较顶分层开采时更加剧烈,在覆岩下沉、垮落过程中,能量周期性的积累和释放,当能量积累到一定程度就会突然释放并伴随覆岩的突然下沉和垮落,在此过程中煤体在扰动载荷作用下损伤逐步积累,稳定性逐步下降,而煤体载荷逐渐增大,当载荷超过煤体极限载荷时,煤体破坏,出现煤帮严重挤出、网兜等现象。相似模拟结果揭示了两硬条件厚煤层分层开采下的应力变化规律与顶板破断规律:上分层开采时应力变化平稳,除顶板周期来压之外基本没有大的波动,而下分层开采时,在整个开采过程中应力波动均较为剧烈,特别是超前工作面0~40m应力波动最为剧烈。这主要是由于上分层工作面采高小,顶板岩层破断、回转不充分,而下分层采高大,砌体梁结构及其下方的岩-矸半拱式结构的断裂、回转剧烈造成的。(4)采用数值模拟的手段模拟综放开采过程中的应力、能量以及塑性破坏的发育过程。模拟结果显示:(1)随着工作面向前推进,在采空区的煤柱上荷载逐渐增大,应力也逐渐增大,并向相邻工作面转移,使得工作面运输巷邻空一侧出现较大程度的应力集中,甚至超过了煤柱的抗压强度极限;(2)由于顶板比较坚硬且具有脆性破坏特征,发现在采动的过程中,塑性区发育受剪切破坏影响比较大。在初始状态拉破坏不明显,随着悬顶面积增大,拉破坏作用较明显;(3)在开采过程中,当悬顶面积较小时,应力最大值出现在煤壁前方,随着推采进行悬顶长度增大,应力最大值出现在采空区的煤柱两侧;(4)工作面前方支承压力影响范围约为100m,与现场实测相符。能量分布规律与应力分布规律一致。(5)研究了忻州窑地质条件下的采动数值模型,揭示了忻州窑煤矿两硬条件厚煤层冲击地压的力源。模拟结果显示,忻州窑煤矿冲击地压是上部煤层开采后遗留的煤柱转移至下部煤层的应力和采动应力协同作用的结果。(6)建立了厚煤层邻空巷道冲击地压的力学模型,并通过数值模拟的方式揭示了两硬条件下忻州窑煤矿的冲击地压机理。(7)针对忻州窑煤矿冲击地压的机理,做出了有针对性的预警措施与防冲措施。实践证明,预警措施与防治措施结合起来,能有效的避免冲击地压的发生。


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