浅部煤层工作面冲击地压发生机理及防治研究

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研究表明,煤矿冲击地压发生频次或危险程度随开采深度增加而增大,多数矿井在采深达到500m后才发生冲击地压。但在新疆等西部省区,已有多个矿在浅部(埋深<350m)条件下发生了冲击地压,而且发生位置位于工作面中,浅部煤层回采工作面发生的冲击地压是一个不容忽视的新课题。  本文针对浅部煤层工作面发生的冲击地压,综合利用实验室测试、理论分析、数值模拟、现场实测等方法和手段,研究得到了浅部煤层工作面冲击地压发生原因、发生机理和其防治方法,取得以下几个方面研究成果:  (1)浅部煤层工作面冲击地压发生一般是由于特殊地质条件和开采工艺引起的。煤层及其项板有冲击倾向性是其内在因素,受开采工艺影响造成应力集中和坚硬厚层顶板断裂形成动载荷是其力源因素。  (2)宽沟煤矿浅部煤层工作面冲击地压发生的原因为:顶板坚硬致密日厚度大不易破断,易造成悬顶和能量积聚,断裂时形成强大冲击载荷;煤层及顶板岩层具有强冲击倾向性,具备发生冲击地压的必要条件;受相邻空间采空区采动影响,在相邻采空区煤柱和工作面前方围岩中造成应力集中,形成高应力和高能量场;工作面推进速度过快和液压支架初撑力偏低造成工作面前方煤体超前支承压力增加,与原岩应力叠加;再加上煤层厚夹矸的存在等多种因素造成工作面冲击地压的发生。  (3)采用微震和电磁辐射等手段对浅部煤层覆岩活动进行了监测,揭示了覆岩运动与冲击地压的关系,提出了利用微震异常系数法进行冲击地压预测。微震监测和电磁辐射监测结果表明:工作面在“双面见方”和“三面孤岛”时覆岩活动剧烈,能量释放大幅度增加,冲击危险区域为工作面中下部和下顺槽50m范围内。工作面推进至上部煤层采空区后工作面的危险区域由工作面中下部向工作面中上部区域转移。  (4)提出了浅部煤层工作面冲击地压的剩余能量机理,并给出了相应的冲击地压剩余能量方程。得出了浅部煤层工作面剩余能量的三种来源。  ①工作面开采或巷道开挖引起的变形能增量使煤岩体积聚弹性能量,是剩余能量的第一种来源。  ②外界动载荷扰动(主要是顶板岩层的突然破断)引起的变形能增量,是剩余能量的第二种来源。  ③受多次开挖扰动变形能增量累积,是剩余能量的第三种来源。  (5)提出了动态权重冲击地压评价的方法,应用动态权重法对宽沟煤矿W1143工作面进行了冲击地压危险性评价,划分出了冲击地压危险区域。  (6)基于浅部煤层工作面冲击地压发生机理和防治技术原则,在宽沟煤矿W1143工作面成功开展了冲击地压防治工作。主要采取了煤层卸压爆破和顶板卸压爆破,以及合理布置工作面、控制工作面推进速度和提高工作面液压支架初撑力等防治技术措施,经检验效果明显。
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