缓倾斜煤层工作面临空侧巷道围岩动静载特征及冲击规律

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冲击矿压是一种破坏性极强的矿井煤岩动力灾害。统计表明,95%的冲击矿压事故发生于巷道中,其中65%发生在临空侧巷道中。在缓倾斜煤层中,工作面临空侧巷道的冲击矿压问题尤为明显,因此对缓倾斜煤层工作面临空侧巷道围岩动静载荷特征及冲击规律的研究具有重要的意义。论文采用工程调研、案例分析、理论研究、数值模拟与工程实践等手段,研究了临空侧巷道冲击矿压特征及规律,得出如下结论:统计分析了临空侧巷道冲击矿压的显现特征,结果表明:回采期间巷道发生冲击比例高,外帮(煤柱侧)冲击次数较内帮(实体煤侧)高,顶板-煤层属于强冲击倾向性的巷道冲击占比最高,煤柱宽度10~30m时冲击频次高。煤层倾角、煤柱及采空区宽度以及覆岩结构是缓倾斜煤层临空侧巷道动静载荷的主控因素。理论分析了缓倾斜煤层与水平煤层临空侧巷道围岩静载应力特征。缓倾斜煤层采空区下侧冲击危险高于上侧;采空区下侧岩层顶板侧应力峰值位置向采空区偏移,底板侧应力峰值位置则向煤体深部偏移。在缓倾斜煤层内开挖巷道后,巷道实体煤侧顶部受压,底部受拉,煤柱侧则反之。护巷煤柱内形成“8”字型弹性核,成为临空侧巷道冲击的主要静载力源。研究了缓倾斜煤层覆岩结构演化规律与动载特征。与水平煤层相比,缓倾斜煤层中“悬臂梁”和“砌体梁”两种结构不容易失稳。临空侧覆岩在“F”型-“T”型-“V”型结构演化过程中,煤柱稳定性变差。坚硬厚层老顶以及亚关键层破断所产生矿震传播至临空侧巷道时携带较高能量,是临空侧巷道冲击的动载力源。模拟研究了煤柱宽度、采空区宽度及煤层倾角对缓倾斜煤层临空侧巷道静载应力场的影响,并得出了远场矿震和近场强矿震作用下临空侧巷道的动载作用过程。结果表明:煤柱宽度15m时,垂直应力集中程度最高;20~25m时,顶底板应力峰值差异最明显;随煤层倾角增大,煤柱内顶板应力峰值位置向采空区偏移,底板应力峰值向巷道帮部偏移;远场矿震作用过程中,巷道两帮垂直应力下降,水平应力上升,且迎波侧变化幅度大于背波侧。远场矿震作用后,煤柱内“8”字型载荷与巷道帮部垂直距离减小;近场强矿震作用过程中,巷道迎波侧煤体水平应力瞬间大幅度升高,近场强矿震作用后,巷道迎波侧煤体以张拉破坏为主,顶板下沉为辅,背波侧顶部以剪切破坏为主,底部以拉张破坏为主。上述研究成果在雨田矿W1102工作面得到了应用。主要是采取采前预评价与监测防治措施相结合,减小静载荷与控制动载荷相结合的方法,对冲击矿压危险进行了有效预测和控制,取得了良好的效果。
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