【摘 要】
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冲击地压是一种典型的煤岩动力灾害,主要发生在断层、褶曲和煤层分岔等地质结构异常变化区域。其中,煤层分岔区域的冲击地压发生机理较为复杂。论文紧紧围绕煤矸组合结构破坏失稳的卸荷机制及前兆规律这一主题,采用理论分析、实验室试验、数值模拟和工程实践等手段,研究了卸荷路径下煤矸组合结构滑移与破碎失稳机理、影响因素及前兆信号特征,并提出了相应的防治方法。基于分岔区煤矸结构特征,构建了“煤-夹矸-煤”三元体串联
【基金项目】
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国家自然科学基金资助项目(51574225); 中国矿业大学英才培育工程专项资金资助项目;
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冲击地压是一种典型的煤岩动力灾害,主要发生在断层、褶曲和煤层分岔等地质结构异常变化区域。其中,煤层分岔区域的冲击地压发生机理较为复杂。论文紧紧围绕煤矸组合结构破坏失稳的卸荷机制及前兆规律这一主题,采用理论分析、实验室试验、数值模拟和工程实践等手段,研究了卸荷路径下煤矸组合结构滑移与破碎失稳机理、影响因素及前兆信号特征,并提出了相应的防治方法。基于分岔区煤矸结构特征,构建了“煤-夹矸-煤”三元体串联结构模型,推导了煤矸接触面滑移的力学判据及触发条件。结果表明:接触面失稳形式包含上行滑移、稳定闭锁和下行滑移三种。三种失稳形式不仅受接触面倾角和内摩擦角影响,还受垂直及水平应力影响。借助三轴加卸载试验和离散元数值模拟手段,研究了卸荷路径下煤矸组合结构破坏形式和失稳特征。结果表明:破碎失稳形式下模型失稳强度和裂隙损伤程度较高;单一接触面滑移破碎失稳形式下模型扭转变形失稳特征更加明显;双接触面滑移破碎失稳形式下模型滑移失稳特征更加显著。卸荷路径下煤矸组合结构破坏失稳具有“低强度高释能”以及脆性增强、破碎现象更加明显的特征。基于实验室声发射监测数据,采用FFT频谱分析和HHT信号处理技术,探究了卸荷路径下煤矸组合结构破坏失稳的前兆信号特征。结果表明:接触面即将滑移时,声发射事件的最大振幅升高,主频相对较高,波形最大振幅段持续时间较短,能量集中在100~200 k Hz相对高频段。组合结构即将整体失稳时,声发射事件的最大振幅达到最大,主频降低,波形最大振幅段持续时间较长,能量集中在50~100 k Hz相对低频段。另外,无论是接触面滑动还是组合结构整体失稳,均会伴随着能量指数急剧下降、累计视体积的急剧上升和b值降低的现象。借助UDEC数值模拟技术再现了卸荷诱发含夹矸煤层巷道破坏失稳的演化过程,并研究了地质因素和开采技术因素对其破坏失稳的影响。结果表明:开采深度越深、侧压系数越大、卸荷速度越快、夹矸和煤矸接触面强度越高,巷道的冲击危险性越高。在对含夹矸煤层巷道支护形式进行选择时,应首选锚杆(索)和补砌两种支护形式。基于赵楼煤矿5310工作面微震监测数据,研究了含夹矸煤层巷道滑移和破碎耦合失稳的前兆信号特征,验证了室内实验及数值结果的准确性。同时,针对性的提出了含夹矸煤层巷道破坏失稳诱发冲击灾害的防控方法,并在5304工作面进行了工程实践,取得了良好的防冲卸压效果。该论文有图157幅,表16个,参考文献170篇。
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