【摘要】：地下斷層廣泛分布,影響煤礦正常采掘布置,臨近斷層開(kāi)采易誘發(fā)井下沖擊地壓和強(qiáng)礦震等動(dòng)力災(zāi)害,嚴(yán)重威脅礦井安全高效開(kāi)采。本文綜合運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、理論分析、數(shù)值模擬、相似模擬試驗(yàn)和工程實(shí)踐等手段,對(duì)沖擊地壓時(shí)空強(qiáng)顯現(xiàn)特征與斷層構(gòu)造的關(guān)聯(lián)性、開(kāi)采擾動(dòng)條件下斷層損傷滑移演化規(guī)律、斷層影響區(qū)域采掘誘發(fā)沖擊地壓機(jī)制、斷層影響區(qū)域采掘沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)等問(wèn)題開(kāi)展了系統(tǒng)研究,研究結(jié)果表明:(1)斷層構(gòu)造與沖擊地壓時(shí)空強(qiáng)顯現(xiàn)特征密切相關(guān)通過(guò)收集整理義馬煤田生產(chǎn)地質(zhì)資料、統(tǒng)計(jì)臨近F16斷層及工作面小斷層沖擊地壓事件,發(fā)現(xiàn)采掘區(qū)域距離F16斷層的遠(yuǎn)近與沖擊地壓危險(xiǎn)性呈現(xiàn)高度相關(guān)性,二者表現(xiàn)為明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系。從采掘時(shí)序來(lái)看:掘進(jìn)過(guò)程中發(fā)生9起沖擊地壓事件,占45%;回采過(guò)程中發(fā)生沖擊地壓事件11起,占55%。從發(fā)生位置來(lái)看:工作面發(fā)生沖擊地壓事件2起,占10%;巷道發(fā)生沖擊地壓事件18起,占90%。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明斷層區(qū)域沖擊地壓以巷道沖擊為主,且發(fā)生位置超前工作面200m區(qū)域,超出傳統(tǒng)礦壓分布規(guī)律。斷層區(qū)域采掘誘發(fā)沖擊地壓震級(jí)較大,破壞半徑大于500m,極易造成設(shè)備損壞、人員傷亡。(2)將斷層損傷滑移劃分為斷層損傷起裂、斷層擴(kuò)展貫通、斷層滑移錯(cuò)動(dòng)三個(gè)階段以千秋礦21141工作面和躍進(jìn)礦25110工作面過(guò)斷層為工程背景,通過(guò)微震監(jiān)測(cè),研究了采動(dòng)條件下斷層損傷滑移規(guī)律及誘發(fā)沖擊地壓的微震分布特征。當(dāng)工作面距斷層120m-240m,斷層附近開(kāi)始出現(xiàn)微震事件,斷層損傷起裂階段微震事件具有超前顯現(xiàn)特征,通常大于超前支承壓力影響范圍;斷層擴(kuò)展貫通階段,隨著工作面靠近斷層,工作面距斷層10m-40m,微震事件在斷層附近積聚,呈現(xiàn)明顯的分區(qū)性。斷層擴(kuò)展貫通階段微震事件具有集中顯現(xiàn)特征;斷層滑移錯(cuò)動(dòng)階段,斷層附近出現(xiàn)大能量微震事件,斷層上下盤(pán)滑移錯(cuò)動(dòng)釋放能量,誘發(fā)震級(jí)較大。(3)提出了斷層損傷變量實(shí)現(xiàn)定量評(píng)價(jià)開(kāi)采活動(dòng)對(duì)斷層的擾動(dòng)效應(yīng)基于損傷力學(xué)理論,定義斷層損傷變量用于評(píng)價(jià)開(kāi)采活動(dòng)對(duì)斷層的擾動(dòng)效應(yīng)。根據(jù)煤礦開(kāi)采地質(zhì)條件的一般特征,構(gòu)建工作面過(guò)斷層數(shù)值模型,研究了開(kāi)采擾動(dòng)條件下斷層損傷滑移演化、斷層-圍巖應(yīng)力位移分布、工作面礦壓顯現(xiàn)等特征。隨著工作面逐步靠近斷層,斷層損傷變量迅速增長(zhǎng),斷層應(yīng)力阻隔效應(yīng)明顯,上下盤(pán)位移出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象,煤層應(yīng)力呈現(xiàn)二次緩慢升高隨后下降趨勢(shì)。開(kāi)采擾動(dòng)條件下,圍巖力學(xué)響應(yīng)中斷層損傷變量變化早于煤層支承壓力50m,斷層損傷變量可作為監(jiān)測(cè)斷層滑移的一個(gè)敏感指標(biāo)。斷層損傷變量受開(kāi)采因素、斷層因素、地應(yīng)力水平綜合影響。通過(guò)正交模擬試驗(yàn),確定開(kāi)采因素中工作面距斷層距離、工作面斜長(zhǎng),斷層因素中斷層傾角、斷層內(nèi)摩擦,地應(yīng)力水平中側(cè)壓系數(shù)等對(duì)斷層損傷變量的影響敏感性較高。(4)闡明了斷層影響區(qū)域采掘誘發(fā)沖擊地壓機(jī)制在分析大量沖擊地壓案例的基礎(chǔ)上,提出沖擊地壓是煤巖體受高靜載荷和強(qiáng)動(dòng)載荷相互疊加影響,在一定擾動(dòng)觸發(fā)作用下發(fā)生的。根據(jù)Mohr-Coulomb破裂準(zhǔn)則和斷層滑移運(yùn)動(dòng)特征,分析確定了斷層滑移啟動(dòng)條件和斷層滑移釋放能量評(píng)估方法。斷層滑移啟動(dòng)條件分析表明斷層發(fā)生滑移破裂受到地質(zhì)動(dòng)力作用的影響,解釋了不是所有工作面過(guò)斷層時(shí)都會(huì)引起沖擊地壓的發(fā)生�；诠ぷ髅媾c斷層間煤巖塊形態(tài)特征,推導(dǎo)了采掘工作面位于斷層下盤(pán)巖層時(shí),斷層結(jié)構(gòu)局部發(fā)生向上剪滑、向下剪滑和張拉離層失穩(wěn)的判別準(zhǔn)則。在以上研究基礎(chǔ)上,闡明了工作面臨近斷層開(kāi)采存在斷層活化型、斷層煤柱型和斷層錯(cuò)動(dòng)型3類(lèi)誘沖機(jī)制。并從監(jiān)測(cè)和控制兩方面給出臨近斷層采掘防沖減災(zāi)具體工程建議。(5)基于精細(xì)化建模的數(shù)值分析方法對(duì)斷層區(qū)域采掘沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)的適用性以千秋礦21采區(qū)地質(zhì)開(kāi)采條件為工程背景,開(kāi)展基于精細(xì)化數(shù)值模擬研究,通過(guò)空間剖面和包絡(luò)面層面模型混合建模方法構(gòu)建了反映千秋礦21采區(qū)實(shí)際地層條件的三維精細(xì)化數(shù)值模型。以21采區(qū)實(shí)測(cè)地應(yīng)力數(shù)據(jù)為參考,將地應(yīng)力通過(guò)空間應(yīng)力轉(zhuǎn)換公式施加到了數(shù)值模型坐標(biāo)系下,數(shù)值模擬初始平衡計(jì)算得到工作面開(kāi)采前煤層垂直應(yīng)力為18-22MPa,最大水平應(yīng)力為20-26MPa,最小水平應(yīng)力為12-16MPa,深部臨近斷層處應(yīng)力水平較高,以構(gòu)造應(yīng)力占主導(dǎo),與千秋礦地應(yīng)力場(chǎng)σHσVσh類(lèi)型一致,且應(yīng)力值接近,驗(yàn)證了該應(yīng)力加載方式的合理性。分析臨近F16斷層開(kāi)采過(guò)程中圍巖應(yīng)力演化規(guī)律,煤層走向上應(yīng)力分布特征為:21181工作面初始垂直應(yīng)力為18.2MPa,超前支承壓力應(yīng)力峰值達(dá)到24.2MPa,應(yīng)力增幅為32.9%,應(yīng)力集中系數(shù)為1.32。21201工作面回采時(shí),原巖應(yīng)力升高至23.1MPa,超前支承壓力應(yīng)力峰值為32.3MPa,應(yīng)力增幅為39.8%,應(yīng)力集中系數(shù)為1.39。21221工作面回采時(shí),原巖應(yīng)力升高至28.7MPa,超前支承壓力峰值為39.2MPa,應(yīng)力增幅為36.6%,應(yīng)力集中系數(shù)為1.36。煤層傾向上應(yīng)力分布特征為:21181工作面回采時(shí)工作面傾向方向水平應(yīng)力峰值為22.5MPa,垂直應(yīng)力峰值為27.8MPa。當(dāng)21201工作面回采時(shí)工作面傾向方向水平應(yīng)力峰值為33.4MPa,垂直應(yīng)力峰值為38.9MPa,水平應(yīng)力增幅為48.4%,垂直應(yīng)力增幅為39.9%。當(dāng)21221工作面回采時(shí)水平應(yīng)力峰值為23.5MPa和垂直應(yīng)力峰值為32.2MPa,相比21201時(shí)回采時(shí)水平應(yīng)力、垂直應(yīng)力均有所下降。說(shuō)明斷層區(qū)域采掘時(shí)存在臨界距離,當(dāng)小于臨界距離時(shí),煤層應(yīng)力呈增高趨勢(shì),當(dāng)超過(guò)臨近距離時(shí),煤層應(yīng)力呈下降趨勢(shì)。數(shù)值模擬結(jié)果表明F16斷層下盤(pán)為高應(yīng)力集中區(qū),斷層下盤(pán)巖體以21201工作面?zhèn)认蛎后w為支撐有向采空區(qū)扭轉(zhuǎn)趨勢(shì),受F16斷層和頂板巨厚礫巖層影響,臨近斷層側(cè)煤巖體積聚大量彈性能,判定21201工作面回采時(shí)煤體處于應(yīng)力極限狀態(tài),發(fā)生沖擊地壓危險(xiǎn)性較大。受斷層傾角和采動(dòng)影響,F16斷層面上各測(cè)點(diǎn)受力狀態(tài)不同,整體上斷層面上正應(yīng)力呈降低趨勢(shì),剪應(yīng)力呈增高趨勢(shì)。工作面距斷層越近,開(kāi)采對(duì)斷層擾動(dòng)效應(yīng)越明顯,斷層滑移量不斷增加,斷層發(fā)生滑移失穩(wěn)危險(xiǎn)性越大,判定21221工作面回采時(shí)斷層滑移失穩(wěn)誘發(fā)沖擊地壓危險(xiǎn)性最大。相似模擬研究表明開(kāi)采擾動(dòng)引發(fā)的斷層帶巖層活化運(yùn)動(dòng)并非斷層兩側(cè)巖體的整體活化,而是距離開(kāi)采煤層較近的斷層巖塊先活化運(yùn)動(dòng),即斷層巖塊局部張剪活化失穩(wěn),然后隨著開(kāi)采擾動(dòng)程度的升高,活化運(yùn)動(dòng)向高層位巖位擴(kuò)展,且相距開(kāi)采煤層越近的斷層巖體活化運(yùn)動(dòng)越劇烈,相離越遠(yuǎn)活化運(yùn)動(dòng)越弱。斷層滑移失穩(wěn)前后,上覆巖層位移發(fā)生突變,對(duì)臨近斷層煤體有瞬時(shí)加載作用,加之此區(qū)域處于高應(yīng)力狀態(tài),斷層滑移失穩(wěn)很容易誘發(fā)下伏煤層沖擊地壓災(zāi)害。(6)斷層影響區(qū)采掘監(jiān)測(cè)與防控沖擊地壓工程實(shí)踐驗(yàn)證了上述提出理論的可行性和合理性基于開(kāi)采擾動(dòng)誘發(fā)斷層損傷滑移演化規(guī)律、斷層區(qū)域采掘誘沖機(jī)制及沖擊危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)結(jié)果,總結(jié)斷層區(qū)域監(jiān)測(cè)預(yù)警與防控沖擊地壓思路。躍進(jìn)礦25110工作面下巷受上覆巨厚礫巖層、F16斷層及工作面小斷層的影響,沖擊地壓顯現(xiàn)強(qiáng)烈,沖擊形式以底板沖擊為主。建立巷道底板力學(xué)模型,分析了巷道發(fā)生底鼓的力學(xué)機(jī)理。提出基于能量平衡的沖擊地壓巷道支護(hù)原理:優(yōu)化巷道布置,提高支護(hù)結(jié)構(gòu)適應(yīng)圍巖變形的能力和圍巖中設(shè)置弱結(jié)構(gòu)等方法,以此減少?gòu)椥詰?yīng)變能的積聚和提高能量釋放水平。通過(guò)采用剛?cè)嵋惑w化支護(hù),實(shí)施頂板-煤層-頂板立體式卸壓工程后,現(xiàn)場(chǎng)防沖效果明顯,遏制了破壞性沖擊地壓災(zāi)害的發(fā)生,在強(qiáng)沖擊危險(xiǎn)性區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了安全生產(chǎn)。朱集西礦11501工作面受高地應(yīng)力與煤與瓦斯突出耦合型動(dòng)力災(zāi)害威脅,將斷層前后50m劃分為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)區(qū)域,同時(shí)采用液壓支架工作阻力監(jiān)測(cè)系統(tǒng),鉆孔應(yīng)力計(jì)、鉆屑法多種手段聯(lián)合監(jiān)測(cè)工作面過(guò)斷層期間礦壓顯現(xiàn)特征,確定了預(yù)測(cè)臨界指標(biāo)。通過(guò)提前挑頂進(jìn)入斷層上盤(pán),同時(shí)采取施工大直徑卸壓鉆孔、加強(qiáng)支護(hù)等措施,工作面安全推過(guò)了FD35斷層。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類(lèi)號(hào)】：TD324

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2558670