褶皱构造区开采应力场分布与覆岩空间结构演化规律研究

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随着我国煤矿开采深度逐年增加,冲击矿压作为一种特殊煤岩动力现象而日趋严重,给矿井安全、高效生产带来了严重威胁。研究表明,冲击矿压是采矿活动与区域构造应力场综合作用的结果,对于受高水平构造应力影响的褶皱区开采尤为典型,生产过程中常伴有强矿震发生,且震动持续时间长、破坏性大,恶化了工作面开采环境。本文以褶皱构造区开采诱发冲击矿压危险为研究背景,综合采用理论分析、数值模拟及现场实例分析相结合的研究方法,对褶皱构造区开采应力场分布、覆岩断裂特征及其空间结构演化规律进行相关研究。介绍了褶皱构造的基本类型及其构成要素,在平面、垂直剖面和三维空间状态下对其展布形态进行了分类,针对典型褶皱构造型矿井华砚矿区和胡家河煤矿构造复杂程度进行了定性与定量统计分析。结合砚北煤矿2502采区褶皱构造的展布形态特征建立了FLAC3D数值计算模型,分析单工作面开采采场应力分布与演化的一般规律,得到背斜仰采阶段,高应力集中主要发生在工作面顶板岩层,且以水平应力影响占主导。背向斜过渡阶段,高应力集中区由工作面顶板向底板岩层转移,逐渐以垂直应力影响占主导。向斜仰采阶段应力分布特征与背斜仰采阶段相类似。建立了巷道围岩受力的力学模型,得到高水平构造应力区开采围岩稳定性影响因素主要有垂直压力(q)、侧压系数()、岩体的内聚力(C)和内摩擦角(),并对各因素敏感性进行了相关分析。基于UDEC数值软件,分阶段研究了不同推进步距下,覆岩空间结构的破断规律、移动规律以及覆岩裂隙演化的时空特征,得到褶皱背斜轴部拱形结构有利于围岩稳定,导致直接顶不易垮落,而向斜轴部两侧岩体有向下运动趋势,顶板关键岩层断裂极易引起覆岩大范围冒落,进而加剧直接顶来压强度。提出大型复杂褶皱构造区建模方法,基于华砚矿区和胡家河煤矿地应力实测数据和煤岩层赋存特征构建了FLAC3D高仿真数值模型,通过大尺度开挖模拟,分析了采场应力分布与转移特征,结合现场实例研究了工作面在背斜、向斜轴部回采过程中矿震时空分布特征与能量积聚规律,揭示了褶皱构造区开采采场应力分布和覆岩演化特征,提出了高构造应力区开采冲击矿压防控方法。
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