【摘 要】
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新疆煤层赋存环境条件、开采深度及应力水平与疆外缓倾斜煤层为主导的资源条件相比都更为复杂且差异性较大,回采过程中动力灾害频发,造成多起伤亡事故,严重威胁矿井安全生产。直立巨厚煤层工作面围岩移动特征和矿山压力规律与近水平或缓倾斜煤层差异较大,尤其是覆岩破断的“时-空-强”非对称性使得直立巨厚煤层强矿压规律更复杂,而目前国内外在直立巨厚煤层安全开采、灾害调控等方面基本处于空白状态,尚无成熟的动力灾害调控
【基金项目】
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教育部科技项目创新团队资助(IRT_14R55); 国家自然科学基金面上项目资助(51674244);
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新疆煤层赋存环境条件、开采深度及应力水平与疆外缓倾斜煤层为主导的资源条件相比都更为复杂且差异性较大,回采过程中动力灾害频发,造成多起伤亡事故,严重威胁矿井安全生产。直立巨厚煤层工作面围岩移动特征和矿山压力规律与近水平或缓倾斜煤层差异较大,尤其是覆岩破断的“时-空-强”非对称性使得直立巨厚煤层强矿压规律更复杂,而目前国内外在直立巨厚煤层安全开采、灾害调控等方面基本处于空白状态,尚无成熟的动力灾害调控技术可以借鉴,因此,亟需解决疆内直立巨厚煤层资源开发动力灾害控制难题。为此,论文围绕乌东煤矿南区直立巨厚煤层开采动力灾害难题,采用理论分析、实验室物理模拟实验、数值模拟及工程实践结合的方法,研究了直立巨厚煤层覆岩运移规律及影响因素,分析了发生动力灾害的机理,提出了直立巨厚煤层动力灾害防治机制及监测预警体系。主要成果如下:(1)分析了直立巨厚煤层采空区覆岩运移规律,得出了覆岩破坏特征。直立巨厚煤层采空区三带上大下小,工作面不同位置来压周期及强度存在明显差异,覆岩变形呈现出非对称性、持续性、突然性及不可控性的特征。乌东煤矿南区直立巨厚煤层回采受构造应力影响严重,两层煤中间的岩柱层状逐次弯曲破断,采动对岩柱的影响主要集中在岩柱底部。(2)研究了回采过程岩柱结构的变化特征,揭示了动力灾害发生的“撬板作用”机理。随着采深增加,岩柱尺寸效应被弱化,变形形式由“柱结构”变为“杆结构”,岩柱以未开采煤层一定深处位置为支点弯曲旋转,对煤层产生了“撬板作用”,岩柱底部垂直应力与剪切应力集中,两侧垂直位移趋势相反,左侧出现了拉应力分布。围岩以剪切破坏为主,B3+6煤层开采使得岩柱塑性区在水平方向延伸,而B1+2煤层开采使得岩柱塑性区在竖直方向扩展。岩柱两侧均出现塑性破坏区,随着采深的增加,两侧塑性区贯通,岩柱稳定性极速降低。(3)研究了岩柱运移主要影响因素对其活动程度的影响规律,揭示了岩柱弯曲运移致灾机理。采深增加使得岩柱弯曲运移趋势非线性剧烈增加,底部区域能量积聚程度高,应力增幅增大,存在临界采深使岩柱活动程度突增,先开采上煤层可削弱岩柱运移,降低发生动力灾害的危险性。采掘活动加剧了动力灾害发生的危险性,岩柱内微震事件集中在工作面前后各200m范围,并随工作面推进不断前移,且具有明显的周期性,而围岩活动剧烈程度与推进速度及日产量相关。(4)提出了基于注水和深孔爆破技术的煤岩体耦合弱化机制。注水使煤岩体内部裂隙进一步发育,并降低了裂隙尖端的强度因子,为爆破奠定好的基础,爆破产生的爆轰气体会对裂隙中的自由水进行二次加压,产生水楔作用,并能大幅缩短注水弱化煤体的时间,提高渗透弱化效果,形成了煤岩体的耦合弱化机制。随着注水压力增加,煤岩体弹性模量及抗压强度逐渐降低,叠加爆破弱化作用后煤岩体抗压强度进一步下降,并随着孔径增大弱化效果逐渐增加。(5)构建了以钻屑法、PASAT探测、地音监测和微震监测为主要内涵的直立巨厚煤层动力灾害点-面-体全面监测预警,形成了“矿井区域监测-局部重点监测-点监测”全方位层次式监测系统,监测不同频次、不同量级的围岩动力现象,实现综合预警。结合乌东煤矿南区的工程地质条件,提出了分层多级联合处理方法,通过采中超前卸压和采前预卸压降低了工作面动力灾害发生的危险性,效果显著。该论文有图121幅,表34个,参考文献166篇。
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