动力显现巷道支护系统抗冲击能力的理论计算方法研究

基于冲击启动理论,采用理论分析与数值模拟相结合,建立巷道支护系统抗冲击能力的计算方法,由此对全锚杆支护、锚杆锚索联合支护、锚索加喷层支护等三种支护方案的抗冲击能力进行理论计算,以此确定适合古山煤矿大倾角特厚煤层巷道的抗冲击支护方案。     

岩浆岩侵入区巨厚煤层掘进巷道冲击地压机制研究

针对岩浆岩侵入区采掘期间冲击地压频繁发生的实际问题,运用理论分析、数值模拟以及工程实践等研究方法,研究岩浆岩侵入区巨厚煤层掘进巷道冲击地压机制。主要结论如下:基于弹塑性理论推导出巨厚煤层巷道围岩应力分布计算公式,由此绘制应力分布等值线图,结果表明最大主应力方向、最大剪应力集中区位置均与煤层倾向相垂直,煤层倾角不能改变最大主应力和剪应力的集中程度,而侧压系数对最大主应力集中程度的影响较大。坚硬岩浆岩顶板在采空区上大面积悬顶导致其附近大面积煤体应力的整体升高,为冲击地压发生提供了静载荷;掘进施工诱发岩浆岩局部侵入带能量的瞬时释放,为冲击地压发生提供了动载荷;综上分析,建立岩浆岩侵入区巨厚煤层掘进巷道冲击地压的力学模型,得出冲击发生判据,进而获得冲击地压发生机制。应用研究成果,较好地分析了矿井实际掘进巷道冲击地压的发生机制,并有效地指导了冲击地压防治实践。     

我国煤炭深部开采冲击地压特征、类型及分源防控技术

我国煤炭资源大规模步入深部开采,深部开采冲击地压事故频繁发生,为了厘清深部开采冲击地压特点、启动类型以及防治与浅部开采的区别,为深部开采防治冲击地压提供理论与技术指导,以我国煤炭资源深部开采冲击地压特征研究为切入点,从诱发冲击地压的载荷源角度,结合工程实例,建立力学模型,研究提出了我国深部开采冲击地压的3种类型,最后提出了深部开采巷道冲击地压动静载荷分源防控方法。结果表明,我国煤炭深部开采冲击地压特征总体表现为因基础静载荷充足,发生门槛降低,冲击显现位置点多面广,发生原理隐蔽性、自发性、时滞性占比大,防治范围扩大,应力恢复快,高强度、长时效卸压要求突出;将我国煤炭深部开采冲击地压划分为3种类型,即深部动静载叠加型、深部高静载加载型、深部高静载卸荷型。深部动静载叠加型,因深部煤炭资源高地压环境,与浅部相比,较高的基础静载荷获得微动载扰动、叠加可发生冲击地压。深部高静载加载型冲击地压,其静载荷缓慢对极限平衡区加载过程冲击是材料失稳,导致工程结构体结构动力失稳的结果,而深部高静载卸荷型冲击地压,其高静载荷最小阻抗带减小,静载荷卸荷过程是围岩结构稳定性遭到破坏,导致工程结构体材料动力失稳的结果,2者存在本质差别;深部冲击地压防控与常规浅埋冲击地压防控,差别在于基础静载荷充足,增量顶板等动载荷来源复杂,冲击危险区域基础静载荷获取增量静、动载荷门槛降低,因此必须高强度、长时效实现静、动载荷源分源防控,阻止诱发冲击地压的载荷条件形成;在动静载荷分源防控指导思想下,针对顶板动载荷源,开发了顶板"钻-切-压"一体化技术,深度弱化顶板,消除顶板动载源;针对巷道两帮垂直应力集中,开发了煤层一次成孔300 mm超大直径无人钻孔技术,高强度、长时效疏导煤体垂直应力;针对巷道底板高水平应力,开发了巷道底角联排桩基,高强度切断水平应力,阻止底板冲击滑移等技术,现场应用效果良好。     

基于集中静载荷探测的冲击地压危险性预评价

为了解工作面冲击危险状态,提前采取防冲措施,降低后期防治强度,理论分析了集中静载荷与冲击地压发生的相关性,建立了基于集中静载荷探测的冲击危险性预评价模型,并开展了实践验证。结果表明：集中静载荷在冲击地压启动过程中起主导作用,并可在工作面开采前探测并卸载;区域性集中静载荷可通过地震波法探测得出,基于地震波参数建立的冲击危险性预评价模型能够对工作面危险性做出评价,并且能够指导预卸压工作实施和检验解危效果。     

动静加载下组合煤岩破坏失稳的突变模型和混沌机制

为进一步加深对动载诱发冲击地压机理的认识,采用时效损伤本构模型与尖点突变理论相结合,得到了一维动静加载下煤岩组合系统的破坏判据、突跳位移以及释放总能量的数学表达式。并建立一维动静载下煤岩组合系统的非线性动力学模型,发现外载能量与系统自身固有能量之间的相互作用导致模型的演化过程呈阶段性并出现混沌现象;当组合系统本身的非线性作用与外部载荷的作用能力相当时,系统的演化进入混沌阶段。由此得出,井下煤岩体结构与动静载荷之间的相互作用是影响动载诱发冲击地压演化过程的关键。最后,对理论结果进行一维动静加载试验验证,表明理论和试验值吻合较好。     

深部冲击地压智能防控方法与发展路径

为了解决冲击地压威胁深部智能开采与防控人员安全问题,提出了深部冲击地压智能防控方法。基于基础静载荷诱发冲击地压启动的关键作用,指出深部冲击地压智能防控的理论基础是自动探测采掘空间内围岩基础静载荷,并实现智能化、精准化降低其集中程度,以提高后期获取增量静载荷、动载荷的门槛,从而达到冲击地压防控目的。提出了未来深部冲击地压智能防控研究发展路径:冲击地压灾害多源信息主动调度理论与方法,多源信息融合的防灾治灾方案专家库,高速交互智慧机器人与信息化装备,冲击地压灾害智能治理与复合灾害自适应技术,重大灾害防控效能自评价技术。     

基于能量耗散率的钻孔防冲效果评价方法

采用理论分析、实验室试验及数值模拟等手段,研究了从能量角度评价钻孔防治冲击地压效果的方法。钻孔前后应力总量计算表明,钻孔对煤岩体的作用在于"调压",并非仅"卸压"。相对于应力角度,从能量角度评价钻孔防冲效果的过程更为简便。不同矿井煤样单轴加卸载试验发现,采用线弹性体弹性应变能计算公式的计算结果要大于实际值,且冲击倾向性越弱,计算误差越大,提出了基于弹性能量指数的修正公式。钻孔围岩弹性应变能的变化受最大主应力的做功特征主导,围岩应力调整过程中,弹性应变能能否积聚与围岩方位及侧压系数有关。在此基础上,提出钻孔耗能率的概念,可定量评价不同钻孔防冲设计之间的优劣,并通过FLAC3D进行数值模拟实现。以钻孔耗能率为评价指标得出,钻孔防冲效果与钻孔孔径呈幂函数关系,与煤层强度呈负相关。与φ100 mm钻孔相比,φ150 mm钻孔耗能效果是其2.9倍,φ200 mm钻孔耗能效果是其6.5倍。     

基于地音与电磁波CT的掘进工作面冲击危险性层次化评价方法研究

目前掘进工作面冲击地压事故频发,通过分析各评价方法在掘进工作面应用中存在的优势与局限,建立了一种基于地音监测与电磁波CT探测的掘进工作面冲击危险性层次化评价方法;该方法将冲击危险性评价目标在时间和空间上进行分解,通过地音实时监测确定评价的时间层,通过电磁波CT探测确定评价的空间层,以时间层的执行结果做为空间层的执行判据,克服了基于单一监测或探测手段的评价方法在掘进工作面应用中存在的不足,实现了掘进工作面冲击地压实时预警及危险区域精准划分的双重功能,提高了掘进工作面冲击地压评价的效率与准确性,指导了现场实际卸压工作。     

深部盘区巷道群集中静载荷型冲击地压机理与防治

针对深部矿井,盘(采)区巷道群屡次发生冲击地压这一问题,以我国新建千米深井盘区巷道群冲击地压发生为背景,理论分析了巷道群无动载诱发冲击启动的机理与防治方法。结果表明,巷道底煤的厚度对底板水平应力集中影响较大;褶曲构造带也显著影响巷道群应力环境;巷道底臌量与底板释放动载荷量值、底煤厚度均成正相关关系;深部煤层巷道群冲击启动原理,是巷道群自身应力叠加在巷间煤柱,提供了基础静载荷;灾害发生地段底煤厚度以及褶曲构造影响,提供了时机静载荷,2者叠加导致巷间煤柱垂直载荷超过了临界值,同时底板煤体承受的载荷超过了其极限承载力;深部煤层巷道群冲击地压属集中静载荷型,采用基于集中静载荷疏导的深孔区间爆破法可防治冲击地压灾害。     

FLAC~(3D)中爆破震动下锚杆轴力损失的修正及应用

针对FLAC3D现有模型无法实现由于CABLE结构单元在动载下出现损伤而导致支护轴力损失的问题,基于最大剪应力准则和应变能密度准则,提出了爆破震动下CABLE单元破坏损伤判据,以及锚固结构损伤量沿震波传播路径的分布规则,由此建立了锚杆轴力动力损失修正模型。基于FISH语言平台开发修正模型的计算程序,使得FLAC3D具备由于CABLE结构单元动力损伤而导致轴力损失的功能,并应用该功能进行了爆破震动下单排锚杆轴力损失与全锚杆巷道支护质量减弱的对比分析,结果表明:1修正模型锚杆轴力在爆破下,经历平稳→下降→平稳3个阶段,锚杆轴力损失率随至震源距离的增大呈指数衰减,达到了锚杆轴力定量损失的预期效果。2通过修正模型得到了爆破对巷道支护的主要损伤范围和程度,其中6和8 kg药量爆破下锚杆轴力损失率峰值分别为35%和76%,并且至震源0~4和0~12 m内锚杆轴力损失率超过25%,支护损伤较大。同时,修正模型能较大幅度修正动力分析中的围岩变形量以及塑性区体积,其中6和8 kg药量爆破下变形修正系数峰值分别为70%和37.5%,而塑性区体积修正系数分别为22.2%和9.9%,说明爆破药量越小修正效果越显著。3修正模型计算结果与现场实测结果具有较好的一致性。