【摘 要】
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在坚硬顶板采场,山地应力会对坚硬顶板的断裂形式、弹性能释放、矿震显现规律产生重要影响。依据张拉破坏与剪切破坏占比不同,将硬岩破断型矿震分为3类:张拉主导型矿震;拉剪型矿震;剪切主导型矿震。山地条件下对山地应力和采动应力耦合进而引发矿震的研究是防治矿震及其诱发灾害的基础。为此,本文采用现场调研、理论研究、实验室试验、数值模拟、现场试验等研究方法,建立了山地应力下坚硬岩层断裂力学模型,研究了山地应力下
【基金项目】
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平顶山天安煤业股份有限公司《深部高应力坚硬顶板采场致灾机理及监测预警技术研究与应用》,国家重点研发计划项目《煤矿冲击地压失稳灾变动力学机理与多场耦合致灾机制》(项目编号:2016YFC0801401); 国家自然科学基金项目《冲击地压电-震耦合监测预警原理与方法》(51634001);
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在坚硬顶板采场,山地应力会对坚硬顶板的断裂形式、弹性能释放、矿震显现规律产生重要影响。依据张拉破坏与剪切破坏占比不同,将硬岩破断型矿震分为3类:张拉主导型矿震;拉剪型矿震;剪切主导型矿震。山地条件下对山地应力和采动应力耦合进而引发矿震的研究是防治矿震及其诱发灾害的基础。为此,本文采用现场调研、理论研究、实验室试验、数值模拟、现场试验等研究方法,建立了山地应力下坚硬岩层断裂力学模型,研究了山地应力下采动诱发硬岩破断型矿震机理,构建了山地应力下坚硬岩层张拉型和剪切型断裂的矿震计算模型,提出了基于格里菲斯能量判据的矿震能量解析与震级预测方法,并研究了矿震诱发巷道冲击的机理和冲击灾害防治方法,获得主要成果如下:(1)揭示了山地应力与采动应力耦合作用下坚硬岩层发生拉剪型断裂引发矿震的机理。建立了山地垂直非均匀加载剪切模型和顶板运动模型,分析了山地应力下坚硬岩层拉剪型断裂形式与山地应力剪切作用机理,揭示了高水平应力转移引起岩层能量积蓄阶段延长与岩层集中释放能量机理,提出了坚硬岩层剪断的力学判据与极限跨度,预测了工作面回采产生首次矿震的位置。以11061工作面为工程背景,应用剪应力判据计算得到坚硬岩层极限跨度为339m,与工作面实际推采至331m时发生第一次矿震吻合。(2)进行了坚硬岩层在中部受垂直非均匀加载、两侧受夹持作用条件下的断裂破坏规律试验,坚硬岩层断裂过程依次经历拉伸破坏、剪切裂隙发育、剪切错动3个阶段。分析了山地条件下硬岩破断型矿震机制与平原条件下的区别,山地条件下坚硬岩层拉剪型断裂发生在垂直载荷大的一端,发生断裂时能量迅速释放从而引发矿震,这是相比平原区域矿震多发于山地区域的主要原因。(3)提出了山地应力下基于格里菲斯能量判据的硬岩破断型矿震能量解析与震级预测方法。以断裂区域岩体为研究对象,运用克罗索夫-穆斯海里什维里函数、威斯特嘎德函数等解析方法,引入损伤变量理论,计算了整体岩层断裂释放的总弹性势能,并对整体岩层断裂产生的震级进行估算,该预测方法理论上有95%的把握使预测准确性达到94.1%~96.4%。11061工作面山地应力下硬岩拉剪型破断引发矿震震级比平原区域增大24%。研究结果可用于预测工作面生产期间的矿震等级。(4)研究了基于剪切滑移理论与动静载叠加理论的矿震诱发冲击地压机理。建立了方形巷道塑性区演化模型,分析了基于复变函数理论的方形巷道静载滑移冲击应力条件,将矿震震动波转化为动载应力扰动,与原有静载应力叠加,综合分析了矿震诱发方形巷道滑移冲击机理,最后提出了巷道断面优化方案和卸压钻孔间距确定方法。(5)提出了一种山地应力下硬岩破断型矿震诱发次生动力灾害的防治方法。该方法包含动力灾害影响因素确定、山地应力模型建立、原岩应力测试、三维地质建模、致灾机理研究、蓄能岩层结构特征分析、监测方案及设备确定、现场危险性预警等内容和步骤。山地应力下原始应力场分布不容易测量清楚,引发矿震及次生冲击灾害具有复杂性,所以在危险性预测时要有余量,防治动力灾害措施要采取较大的安全系数。本文的研究对山地地形矿区坚硬顶板采场矿震发生机理与次生冲击灾害防治具有重要的理论意义和实践价值,成果已应用于河南平顶山矿区,并取得了良好效果。
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