深部条带开采煤柱失稳特性与冲击危险评价预警

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随着我国煤矿开采逐年向深部发展,冲击地压作为一种特殊的强矿压显现现象而日趋严峻,给矿井安全、高效生产带来了很大的威胁。受深部高应力、构造应力等复杂应力场的影响,条带煤柱的受力状态、空间系统结构、力学性质都较浅部发生了巨大的变化,深部条带煤柱的高应力集中特征使得在进行条带开采时容易诱发冲击地压灾害。本文以条带开采为背景,采用理论分析、数值模拟及现场试验相结合的研究方法,对条带开采诱冲机理及冲击危险评价、预警方法进行了研究,取得了以下研究成果:  (1)将条带煤柱视为连续分布的Winkler弹性地基,将顶板视为置于弹性地基上的矩形薄板,建立了理想状态下煤柱-顶板力学系统模型;基于弹性力学理论,得出了煤柱变形与顶板下沉的挠度变化曲线,分析了系统挠度变化影响因素。  (2)基于突变理论,建立了煤柱-顶板系统变形失稳的尖点突变模型,得到了煤柱失稳的临界有效宽度,分析了系统在理想情况下的煤柱临界有效宽度影响因素,认为一般情况下,煤柱强度越高,所需要的煤柱有效宽度也就越小,系统稳定性也就越好;构造应力越小,所需要的煤柱有效宽度也就越小,系统稳定性也就越好。  (3)计算得到了系统失稳所能释放的最大能量。由计算公式可知,系统失稳释放的能量与顶板、煤柱性质以及外部水平、垂直应力密切相关。  (4)基于 FLAC3D数值模拟可知:(a)煤柱、顶板垂直应力主要由上覆岩层重力引起,受构造应力影响较小;(b)相同的埋深条件下,地质构造越复杂,煤柱、顶板积聚的能量也将更多,发生冲击的可能性也更大;(c)在模拟设定的侧压系数条件下,随着构造应力的增加,顶板细砂岩岩层x方向水平应力增加幅度较明显,而垂直应力增加幅度不甚明显;(d)随着煤柱弹性模量的增加,煤柱水平方向应力随之增加,垂直应力基本无变化,弹性应变能的变化基本是由水平应力引起。  (5)基于数量化理论,建立了条带开采冲击危险评价模型,较为客观的评价了安居煤矿2304工作面开采冲击危险性,为条带开采冲击危险提供了一个相对客观的评价模型。  (6)基于钻屑法冲击危险预警,提出了基于多参数临界煤粉量指标的冲击危险预警方法,避免了仅通过一个临界煤粉量预警指标对所有深度钻孔进行冲击危险预警存在的较大偏差,从而实现对冲击危险进行准确、可靠的预警。
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