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论文题目复杂煤岩体结构动力失稳预报与控制研究 专 业采矿工程 博 士 生曹建涛 签名 导 师来兴平 签名 摘 要 针对煤岩体在开采扰动影响下由于动力载荷的作用将发生复杂的运动演化过程，形 成新的更为复杂的煤岩体结构。尤其在急倾斜煤层水平分段综放开采中，煤岩体可形成 大型的类断层结构。类断层结构所受的应力水平变化特异，煤岩体结构在高应力强卸荷 作用下结构发生严重畸变，出现煤岩体结构动力结构动力失稳、冲击地压、大面积片帮 和大体积冒顶等动力失稳现象。 通过变尺度平-立物理相似模拟实验模拟类断层结构演化规律，基于三维数值模拟 进行复杂煤岩体结构动力作用特征分析，总结动力失稳灾害的破坏特征。复杂煤岩体典 型的物质性、结构性与赋存性特有本质特征是控制动力学灾害的关键因素。在采动扰动 影响下，顶板岩层经历“弯曲-折断-滑落”破断规律，底板岩层发生隆起、下滑破断规 律，按破坏特征可以将顶板垮落特征分为冒落式顶板和倾覆式顶板，底板为下挫滑动式 底板。工作面正上方的“顶板-破碎煤体-底板”破断之后的煤岩块会形成不断演化的拱状 结构，拱状结构形态的演化是由半圆拱结构逐渐演化为拱高大、跨度长的近似抛物线状 的拱结构，拱状结构能够出现短暂的平衡，使顶煤无法正常垮落放出，但拱状结构极不 稳定，但这种拱状结构容易造成上方煤岩体发生失稳现象，随着工作面推进和拱高的不 断加大，直接顶悬露面积不断加大，在非对称力作用下致使第一类顶板发生冒落，第一 类顶板的冒落将会使上部煤岩体失去支撑， 在自重倾向分力作用下将会沿层理面发生迅 速的向下滑动，第一类冒落顶板产生了一次动力载荷，对工作面支架的稳定性及安全产 生具有重要影响。第一类顶板及顶煤的大范围失稳向下充填采空区，会形成超规模的长 距离、高斜度的大尺度采空区，致使基本顶失去法向支反力，基本顶在自重法向分力的 影响下，致使岩层厚大，强度高的第二类顶板发生失稳，第二类倾覆顶板产生了第二次 强度更大的动力载荷，致使大型类断层结构整体活化，可能诱发更大强度和规模的动力 载荷的产生。 复杂煤岩体结构动力失稳的特点是在开采扰动影响下，工作面内部小结构的不断演 化运动，致使极不稳定的拱状结构发生失稳，诱发工作面的顶底围岩结构失稳，最终诱 发大型类断层结构活化整条连锁反应，所形成的超大规模采空区一旦发生整体动力失 稳，将对矿井安全造成严重影响，极有可能诱发为灾害。 万方数据 基于能量积聚和释放的围岩结构动力失稳前兆信息研究，利用应力应变、声发射、 钻孔窥视等声、光、电监测手段，利用“声-震-波-力”指标多参量信息的综合分析，提 出复杂煤岩体结构动力失稳多参量动力失稳预测方法。针对应力、应变、声发射、钻孔 窥视等判定指标需要综合判定复杂煤岩体结构动力失稳， 复杂煤岩体结构动力失稳危险 性综合评价函数。 通过对围岩地质条件和力学行为及其演化规律等综合研究，建立灾害快速动态预测 与动态调控新工艺。利用井上下爆破、注水等弱化技术手段，将大型煤岩体破断释放产 生的集中载荷，并强化支护体系，形成煤岩体结构稳定性控制方法。且通过建立多源信 息耦合的煤岩体稳定性动态实时评估系统， 为煤岩体结构动力失稳预测预报提供新的方 法，最终形成复杂煤岩体结构稳定性评价、预测和控制的系列化实用理论和技术，为开 采矿井整体安全稳定提供保障，对煤矿安全开采具有重要的科学价值和工业应用价值。 关 键 词复杂条件；煤岩体结构；类断层；动力失稳；结构演化 研究类型应用研究 本研究获国家自然科学基金NO.10772144、NO.U1361206和陕西省重点科技创新团队 2013KCT-16资助. 万方数据 Subject Prediction and Control Research on Structural Destabilization of Complex Coal-rock masses Specialty Mining Engineering Name Cao Jiantao Signature Instructor Lai Xingping Signature ABSTRACT Structural type of coal-rock masses would a new more complex structure with dynamic loading under mining activity. Large-scale fault-like structure is ed when horizontal section top-coal caving is applied in the steeply coal seams. Severely deation of the structure is happened with high loading. Particularly the stress is abnormal in horizontal direction. Destabilization of dynamic structure, large-scale rock-mass caving are easily developmented in the site. Key factors for controlling dynamic hazards are connected with material, structural and occurrence traits of typical complex coal-rock masses. Caving of roof and floor are fallen into triple categories collapse roof, tumble roof and slump floor. Arch of spanning structure composed with roof-broken coal-floor tends to a temporary stable strcuture. Semicurrcular arch structure has been evolved into the approximately parabolic structure with higher height of arch and larger spanning length. Top coal is hardly excavated with such a arch structure, while coal-rock masses are also possible to destablize in large-scale area resulting in methane emission, support pressure increment. broken process of roof is evolved “bend-break-slip“. And floor would uplift and slide. The structure of arch is extremely unstable. With height and length of arch increasing, the collapse roof would be caving under nonsysmetric pressure and it would slide quickly in bedding plane with its self-weight, which influenced the stability of supportings and safe excavation in the site. Without enough bashing materials, a large-scale and high slope-angle mined-out area has been ed which resulted in being lack of support force at floors. The weight of basic floor made tumble roof unstable. With much more loadings than ever, the fault-like structure has been activated for harder dynamic laodings in the stope. The traits of destabization of complex coal-rock masses is that with coal excavation, internal strcuture of the workingface is evolved continuously resulted in broken down of 万方数据 unstable arch of spanning structure and chain reaction of large fault-like structure. The dynamic destablization of supreme-scale mined-out area would be catastrophic. Combined with precursor ination of rock-mass destabilization and energy accumulation, prediction methology of rock-mass destabization has been gotten with sonic-light-electric measurements including stress-strain, acoustic emission, in-situ real deforamtion monitoring. Judgment parameters building up a comprehensive uation function would be assessed together for rock-mass destabization in complex mining condition. Fast dynamic prediction and control technique is establize with analyzing rock-mass geological condition and the relative mechanic behavior. A new methology for predicting rock-mass destabilzation is built up with multi-source ination coupled analysis, hybrid blasting and hydraulic fracturing for weakening roof and coal, optimization of roadway supporting. The practical theories and technologies concluded with all above listed would offer a security for improving the whole colliery safety, which possesses a lot of important scientific and industrial value for colliery safety. Key words Complex condition, Coal-rock mass; Fault-like structure; Dynamic destabilization; Structure evolution Dissertation Application Research 万方数据 目录 I 目录 1 绪论........................................................................................................................................1 1.1 论文选题背景和意义......................................................................................................1 1.1.1 选题背景..................................................................................................................1 1.1.2 选题意义..................................................................................................................2 1.2 复杂煤岩体结构动力失稳研究动态及发展趋势..........................................................3 1.2.1 结构动力失稳理论研究方面..................................................................................3 1.2.2 结构动力失稳实验研究方面..................................................................................5 1.2.3 动力失稳演化数值模拟分析方面..........................................................................8 1.2.4 动力失稳控制研究实践应用方面..........................................................................8 1.3 论文的研究内容、研究方案及技术路线......................................................................9 1.3.1 研究的基本内容......................................................................................................9 1.3.2 研究方案................................................................................................................10 1.3.3 技术路线................................................................................................................11 2 基于变尺度平-立物理相似模拟类断层结构演化规律 ....................................................12 2.1 煤岩体材料力学性能测试............................................................................................12 2.2 复杂煤岩体结构形成....................................................................................................14 2.3 复杂煤岩体结构特征....................................................................................................17 2.4 基于平面物理相似模拟复杂煤岩体结构运动演化特征............................................17 2.4.1 复杂煤岩体结构第一阶段开采扰动作用下运动演化特征.................................17 2.4.2 复杂煤岩体结构注水软化过程运动演化特征 ....................................................18 2.4.3 复杂煤岩体结构放顶煤过程运动演化特征 ........................................................19 2.4.4 复杂煤岩体结构开采第二阶段开采扰动作用下运动演化特征.........................20 2.5 基于立体物理相似模拟复杂煤岩体结构活化特征....................................................21 2.5.1 大型类断层结构物理相似模拟............................................................................21 2.5.2 大型类断层结构活化特征....................................................................................33 2.6 本章小结 .......................................................................................................................35 3 基于三维数值模拟的复杂煤岩体结构动力作用特征分析 ...............................................37 3.1 复杂煤岩体结构物理与力学模型构建........................................................................37 3.2 模型计算参数确定........................................................................................................38 3.3 模型计算本构方程........................................................................................................38 3.4 类断层结构应力分布特征分析....................................................................................39 3.4.1 开采扰动影响下类断层结构应力分布规律 ........................................................39 万方数据 西安科技大学博士学位论文 II 3.4.2 不同推进速度下类断层结构应力演化规律 ........................................................43 3.5 类断层结构塑性区分布特征分析................................................................................55 3.6 本章结论 .......................................................................................................................58 4 复杂煤岩体结构畸变致灾机制..........................................................................................59 4.1 复杂煤岩体结构畸变特征............................................................................................59 4.2 复杂煤岩体结构动力失稳特征....................................................................................62 4.3 复杂煤岩体结构失稳能量耗散特征............................................................................63 4.4 复杂煤岩体结构动力失稳综合影响因素分析............................................................66 4.5 本章小结 .......................................................................................................................67 5 复杂煤岩体结构动力失稳预报..........................................................................................68 5.1 开采扰动动力显现预报................................................................................................69 5.2 结构动力失稳声发射信号预报....................................................................................72 5.3 基于钻孔窥视结构演化内部变形预报........................................................................73 5.4 复杂煤岩体结构动力失稳综合指标预报....................................................................74 5.5 本章小结 .......................................................................................................................76 6 复杂煤岩体结构动力失稳控制应用..................................................................................77 6.1 工程概况 .......................................................................................................................77 6.2 结构动力失稳综合控制方法........................................................................................77 6.2.1 类断层结构卸压方法............................................................................................78 6.2.2 类断裂带结构卸压方法........................................................................................80 6.2.3 强化支护体系........................................................................................................82 6.3 应用效果 .......................................................................................................................83 6.4 本章小结 .......................................................................................................................84 7 结论与展望..........................................................................................................................86 7.1 结论 ...............................................................................................................................86 7.2 主要创新点 ...................................................................................................................87 7.3 展望 ...............................................................................................................................88 参考文献..................................................................................................................................89 致 谢..................................................................................................................................97 附 录..................................................................................................................................98 攻读博士期间发表学术论文情况......................................................................................98 攻读博士期间获得专利情况..............................................................................................99 攻读博士期间参与科研项目情况......................................................................................99 攻读博士期间获奖情况....................................................................................................100 万方数据 1 绪论 1 1 绪论 1.1 论文选题背景和意义 1.1.1 选题背景 复杂煤岩体结构动力失稳是制约安全高效开采的世界性难题之一[1-5]。 煤岩体受地壳不均衡沉降和后期多次地质运动以及剧烈岩浆活动等影响，使煤岩体 的地球物理特征发生明显变化，并在此过程形成原始煤岩体结构，在开采扰动影响下煤 岩体结构在动力载荷作用下将发生复杂的运动演化过程，形成新的更为复杂的煤岩体结 构。根据动力失稳灾害事故发生规律的统计总结，动力失稳灾害十分容易在构造发育的 区域发生，断层就是诱发动力失稳灾害发生的重要构造形式之一，由于断层结构活化运 动产生的动力失稳灾害往往具有抛出煤量大、对巷道及工作面的破坏性较强、并且具有 发生猛烈和突然的特点。尤其在急倾斜煤层水平分段综放开采中，煤岩体可形成大型类 断层结构（Fault-like），沿煤层倾向剖面可以看出，煤层上侧的顶板可看做断层的上盘， 煤层下侧的底板可以视为断层的下盘，而顶底板之间的煤层由于采用水平分段被逐段大 量采出，形成类断层的大型断裂带。由于煤层被沿着走向大量采出形成的类断层结构将 贯穿始终，所形成的大断层构造将影响范围十分广泛甚至可以影响到整个井田，所引起 的动力失稳灾害将会发生频繁且规模巨大[6-10]。 复杂煤岩体的研究对象具有典型的物质性、结构性与赋存性“三性”特有本质特征， 煤岩体的“三性”特征及相互关系是控制动力学灾害的关键因素。动力载荷作用过程中煤 岩体结构形成何种结构形态、结构形态的如何演化、结构的动力荷载作用方式、结构破 坏的影响、结构的破坏规律形成一系列相互关联的复杂问题。复杂煤岩体结构独特的赋 存条件，强弱岩层的组合影响断裂韧度的重构与受力变形，导致中深部开采区域剪切变 形局部化带应力/应变与结构损伤变形畸变，这是诱发深部动力学灾害的前兆。煤岩结构 载荷传递距离、拱结构的高度/宽度、覆岩厚度和采放比等与局部化带结构畸变致灾有密 切关联。煤岩结构在高应力强卸荷作用下发生严重畸变，出现冲击地压、大面积片帮和 大体积冒顶等动力失稳现象的几率凸显。因此，对复杂煤岩体结构演化特征、复杂地应 力环境作用特征及动力学行为显现特征的研究具有十分重要的意义[11-14]。 复杂煤岩体结构动力失稳现象发生频繁，动力灾害时有发生。2005 年阜新孙家湾煤 矿由于围岩动力失稳造成回风巷损坏导致井下通风不畅，破坏的煤体释放了大量瓦斯， 并引发瓦斯积聚，产生“2.14”瓦斯爆炸事故，造成 214 人死亡，而此次动力失稳灾害 的发生与断层活化关系密切， 属于典型的断层活化诱发的结构失稳型动力失稳灾害。 2010 万方数据 西安科技大学博士学位论文 2 年 10 月 8 日，宽沟煤矿发生了围岩结构动力失稳形成灾害，造成 2 人死亡和矿井停产。 随采深增加与开采强度的加大，动力灾害发生频次上升，2010 年 9 月至 2011 年 10 月， 大洪沟矿采深 350m累计发生 10 多次动力失稳破坏现象。 2011 年 3 月 24 日， 乌东煤矿 发生动力灾害，造成 1 死 2 伤；碱沟煤矿和小红沟煤矿也有类似灾害发生。2012 年 2 月 5 日，陕西省榆林市神木县采空区动力失稳引发了 3.0 级塌陷地震，造成严重的社 会影响。2012 年 11 月 4 日，河南义马煤业集团千秋煤矿发生动力失稳灾害，动力作用 致使巷道严重损坏并冒落，近 400m 巷道损毁严重，部分巷道完全合拢，作业工人被冒 落巷道封堵或掩埋在事发地点， 最后造成 10 人遇难的重大伤亡事故， 事故原因是影响全 部矿区的 F16 逆断层及工作面周围的较小断层是引发动力失稳灾害的主要地质构造因 素。2014 年 3 月 27 日，千秋煤矿在回风上山掘进工作面再次发生动力失稳灾害，巷道 严重变形，各种线路被切断，经监测确定为里氏 1.9 级矿震，事发地点现场作业人员 18 人，有 12 人安全撤出，还有 6 人不幸遇难。 在高应力强卸荷和开采扰动联合作用下复杂煤岩体结构应力发生畸变并致灾，这一 过程是逐步发展演化形成的，进行具有针对性的力学模型构建和数值模拟计算，已成为 揭示煤岩体力学行为、探索动力灾害孕育演化动力学过程、成灾机理和进行动力学灾害 预测的有效方法与手段。复杂煤岩体结构地质力学环境独特，部分煤岩层沿着原生倾斜 层理面或局部化带向下滑动，其尺度、速度和致灾几率均与倾斜度密切关联。由于不同 开采条件形成的煤岩体结构的畸变频率有分组特性与局部化效应，在尺度上存在时空关 联性，研究能涵盖不同尺度结构的多尺度物理力学模型与计算方法，为围岩结构动力学 灾害预报提供必要的理论模型， 这对高应力强卸荷-煤岩结构控制大变形动力失稳演化致 灾预报具有可行性[15-27]。 1.1.2 选题意义 煤岩体受地壳不均衡沉降和后期多次地质运动以及剧烈岩浆活动等影响，使煤岩体 的地球物理特征发生明显变化，并在此过程形成原始煤岩体结构，在采矿活动的影响下 煤岩体结构在动力载荷的作用下将发生复杂的运动演化过程，形成新的更为复杂的煤岩 体结构。特殊的资源赋存环境属性使煤岩体的应力水平变化特异，结构缺陷具有高度隐 蔽性和时空变异性，煤岩体结构在高应力强卸荷作用下结构发生严重畸变，出现冲击地 压、大面积片帮和大体积冒顶等动力失稳现象的几率凸显。尤其在急倾斜煤层水平分段 综放开采中，煤岩体可形成大型类断层结构，类断层结构的活化引起的动力失稳，往往 具有冲出煤量大、破坏性强、发生突然而猛烈的特点。由于煤层被沿着走向大量采出形 成的类断层结构将贯穿始终，所形成的大断层构造将影响范围十分广泛甚至可以影响到 整个井田，所引起的动力失稳灾害将会发生频繁且规模巨大。煤岩体结构动力失稳灾害 成为复杂煤层开采频发的灾害现象，对复杂煤岩体结构动力失稳破坏过程的内部能量积 万方数据 1 绪论 3 聚、转移、耗散和释放的现象的研究，并对煤岩体结构动