冲击地压微破裂前兆规律与围岩动态失稳机制研究

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随着煤炭深部开采走向常态化,冲击地压灾害频发,严重威胁矿山安全生产。本文针对“冲击地压微破裂前兆规律与围岩动态失稳机制”这一科学问题,依托陕西省下石节煤矿为工程背景,采用微震监测手段对冲击地压微破裂前兆规律与震源机制进行深度挖掘与分析,提出了一个冲击地压预警新指标。同时,基于岩石真实破裂过程分析软件RFPA2D-Rockburst,实现下石节煤矿采动煤岩体从静态能量积聚到动态能量释放的全过程模拟分析,并探讨了不同煤层倾角、侧压力系数对冲击地压巷道围岩力学响应的影响规律。本文取得的主要研究成果如下:(1)基于微震监测技术对下石节煤矿冲击地压微破裂前兆规律与震源机制展开挖掘与分析。邻空巷道远场的坚硬基本顶断裂会引发高能量微震事件密集,其发生时间与周期来压密切相关,存在明显的周期性规律,从而对邻空巷道造成强动载扰动。低能量微震事件聚集分布于邻空巷道近场围岩,形成高视应力区和高能量释放区。基于能量指数(EI)和累积视体积(CAV),提出了一个冲击地压预警新指标lgCAV/lgEI,能够有效评价冲击地压风险程度。lgCAV/lgEI值越大,冲击风险越高,当lgCAV/lgEI值急剧增加且其值超过10时,预示冲击风险加剧。下石节煤矿坚硬顶板断裂引起的高能量微震事件以张拉破坏为主。(2)基于RFPA2D-Rockburst分析了下石节煤矿由静态能量积聚期到动态能量释放期的采动失稳力学响应特征。在静态能量积聚期,声发射为拉剪混合破坏,且声发射数及能量释放出现突增。在动态能量释放期,煤岩体首先进入声发射平静期,随后声发射数及其能量急剧增长,新生成的声发射以拉伸破坏为主。邻空巷道围岩应力呈现“双峰值”特征,分别在静态能量积聚期和动态能量释放期出现峰值应力。邻空巷道煤帮水平位移先平稳波动后缓慢增长再急剧增长;邻空巷道底板垂直位移则先平稳波动后急剧增加。在动态能量释放期,沿巷道煤帮两端的顶底角至中部,越靠近顶底角的PPV(质点峰值振动速度)越大,反之PPV越小,可将邻空巷道煤帮冲击风险区域等级划分为:顶角位置>底角位置>中部位置。(3)探讨了不同煤层倾角及侧压力系数下的冲击地压巷道围岩力学响应特征。在冲击地压孕育期,不同煤层倾角下的巷道破坏区主要集中于左右两侧煤帮,随着煤层倾角的增加,巷道的破坏程度逐渐减小。当侧压力系数K=0.4~0.8时,主要沿巷道左上角与右上角斜向下形成两条对称裂缝,当K超过0.8后,巷道沿两侧煤帮顶角、底角分别形成斜向下和斜向上的四条两两相互对称的裂缝。在冲击地压发生期,不同倾角与侧压力系数下的巷道围岩在孕育破裂区发生二次破坏,并在巷道左右两帮煤体内产生“劈裂形”的拉伸裂缝。在冲击地压发生期,随着煤层倾角θ的逐渐增加,巷道左帮的冲击失稳风险先急剧上升再快速下降最后趋于不变,当θ在20°以内,越靠近巷道左上角的冲击失稳风险越高;当θ超过20°后,越靠近巷道左下角的冲击失稳风险越高。当θ在15°以内,巷道左帮的冲击失稳风险高于右帮,θ超过15°后,巷道右帮的冲击失稳风险高于左帮。不同倾角下巷道两帮煤岩破坏程度与煤壁(PPVx)max呈正相关。随着侧压力系数K的增加,巷道左帮的冲击失稳风险先增大后减小再增大,越靠近巷道左上角的冲击失稳风险越高;随着K的增加,巷道右帮的冲击失稳风险先下降再趋于平稳不变。当K在0.8以内,巷道右帮的冲击失稳风险高于左帮,K超过0.8后,巷道左帮的冲击失稳风险高于右帮。不同侧压力系数下巷道左帮破坏程度与煤壁(PPVx)max呈负相关,巷道右帮破坏影响距离与煤壁(PPVx)max呈正相关。
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