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最大水平应力对冲击矿压的作用机制及其应用研究

作　者: 陈国祥
导　师: 窦林名
学　校: 中国矿业大学
专　业: 采矿工程
关键词: 冲击矿压褶皱区临界最大主应力最大水平应力采动应力场防治
分类号: TD324
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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引　用: 7次
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内容摘要

冲击矿压是矿山开采中发生的煤岩动力灾害之一,特别是在褶皱区因地应力异常,冲击矿压致灾的强度及其危害越显突出。论文在褶皱区地应力实测和地质调研的基础上,分别采用实验、理论分析、数值模拟和工程实践等研究方法,进行了应力场中试件降压冲击破坏效应的实验,提出了冲击矿压发生的临界最大主应力机理,探讨了褶皱区最大水平应力和采动应力分布规律,分析了褶皱区应力场分布规律与冲击矿压的关系以及巷道围岩冲击危险性的关键影响因素,最后给出了适合褶皱区的工作面及巷道防冲优化布置方案和解危对策,并在现场进行了实践。设计了降压破坏实验装置,并利用SANS材料实验机进行了应力场中试件降压冲击破坏效应的实验研究,研究表明,试件降压破坏时脆性破坏特征明显,降压破坏具有突然性,且试样降压破坏时与冲击破坏效应密切相关的应力降、应力降速率以及声电信号强度均与初始轴向应力、初始侧向应力和试样强度呈正相关的关系,即试样所承受的初始轴向应力、初始侧向应力或强度越高,发生降压破坏时其破坏越剧烈,能量释放也越大。从能量耗散与释放的原理出发,分析了煤岩体冲击破坏的应力判据和能量准则,提出了冲击矿压发生的临界最大主应力机理。在此基础上,通过侧压力系数λ对巷道两帮和底板围岩体临界最大主应力的影响分析,研究了最大水平应力对冲击矿压的作用机制,认为随着侧压力系数λ的增大,巷道两帮实际承受的最大主应力减小,而其发生冲击破坏的临界最大主应力却在增长,帮部冲击危险性随之减弱;巷道底板发生冲击破坏的临界最大主应力虽在增大,但其实际承受的最大主应力也在增大,且增长速率更快,冲击危险性增大。采用FLAC数值模拟软件对褶皱区的最大水平应力和采动应力分布规律进行了模拟,研究表明,褶皱核部的最大水平应力比翼部大,翼部的最大水平应力比背斜处大,且最大水平应力集中在坚硬岩层中,夹在坚硬岩层中间的较软岩层应力相对较低。与仰采推进相比较,从背斜往向斜的方向俯采推进时,煤岩体内应力集中程度更高;先开采位于褶皱向斜附近的工作面,再开采位于翼部的工作面后,前者内侧的水平应力、支承压力集中程度降低,且最大水平应力影响范围减小。而先开采位于褶皱翼部的工作面,再开采位于向斜附近的工作面后,后者内侧的应力集中程度更高。探讨了褶皱区应力场分布规律与冲击矿压的关系,并分析了支承压力、扰动应力波等影响褶皱区巷道围岩冲击危险性的关键影响因素,解释了褶皱区众多冲击矿压现象。基于以上研究成果,提出了适合褶皱区的工作面及巷道防冲优化布置方案和解危措施。以褶皱区两个冲击矿压灾害严重的煤矿为例,通过地应力实测和数值模拟方法研究了原岩应力分布状态,得到了最大水平应力的分布状况;应用提出的防冲思路及对策,进行了工作面防冲优化布置以及弱化顶板岩层和帮部煤体防治冲击矿压的工程实践研究。

全文目录

致谢  5-6
摘要  6-8
Abstract  8-21
1 绪论  21-34
  1.1 研究意义  21-23
  1.2 冲击矿压研究综述  23-28
    1.2.1 冲击矿压机理  24-26
    1.2.2 冲击矿压预测预报  26-27
    1.2.3 冲击矿压治理  27-28
  1.3 褶皱区冲击矿压显现特点及研究进展  28-30
    1.3.1 褶皱区冲击矿压显现特点  28-29
    1.3.2 褶皱区冲击矿压研究进展  29-30
  1.4 构造应力场研究现状  30-31
  1.5 目前研究存在的问题  31-32
  1.6 论文的主要研究内容、研究方法和创新点  32-34
2 地应力的形成和褶皱区冲击矿井的地应力场特征  34-47
  2.1 引言  34
  2.2 地应力的形成及主要影响因素  34-41
    2.2.1 地应力的成因  34-39
    2.2.2 地应力状态的主要影响因素  39-41
  2.3 褶皱区典型冲击矿压矿井的地应力状态  41-43
  2.4 甘肃华砚矿区地应力场与构造运动的关系  43-45
    2.4.1 区域构造概况  43
    2.4.2 现今地应力测量  43-44
    2.4.3 地应力场与构造运动的关系  44-45
  2.5 本章小结  45-47
3 应力场中试件降压冲击破坏效应的实验研究  47-62
  3.1 引言  47
  3.2 实验目的及内容  47-48
  3.3 实验依据及设计方法  48-51
    3.3.1 实验依据  48-50
    3.3.2 试样的制备  50-51
  3.4 实验设备  51-53
  3.5 实验结果及分析  53-61
    3.5.1 变形和破坏特征  53-55
    3.5.2 轴向应力对试样破坏应力降的演化规律  55-56
    3.5.3 侧向应力对试样破坏应力降的演化规律  56-57
    3.5.4 抗压强度对试样破坏时应力降的影响  57-58
    3.5.5 降压破坏的声电效应特征  58-61
  3.6 本章小结  61-62
4 最大水平应力对冲击矿压的作用机制研究  62-71
  4.1 引言  62
  4.2 冲击矿压发生的临界最大主应力机理  62-68
    4.2.1 巷道围岩破坏的力学条件  62-66
    4.2.2 巷道围岩冲击的能量准则  66-67
    4.2.3 冲击矿压发生的临界最大主应力机理  67-68
  4.3 最大水平应力对冲击矿压的作用机制  68-70
  4.4 本章小结  70-71
5 褶皱区最大水平应力和采动应力分布规律的数值模拟  71-99
  5.1 引言  71
  5.2 FLAC 计算程序说明  71-74
    5.2.1 FLAC 简介  71-72
    5.2.2 FLAC 运行理论基础  72-73
    5.2.3 FLAC 中Creep 蠕变分析理论基础  73-74
    5.2.4 FLAC 优、缺点  74
  5.3 水平加载作用下褶皱形成过程中的最大水平应力和变形演化规律  74-81
    5.3.1 单层褶皱的形成及最大水平应力、变形演化规律  74-77
    5.3.2 多层褶皱的形成及最大水平应力演化规律  77-78
    5.3.3 最大水平应力控制因素的影响  78-81
  5.4 单工作面不同推进方向、距褶皱轴部不同距离时的应力场变化  81-92
    5.4.1 模型的建立  81-82
    5.4.2 数值模拟方案及相关概念  82
    5.4.3 工作面不同推进方向时的应力场变化规律  82-86
    5.4.4 推采相同距离时应力场变化比较  86-87
    5.4.5 应力场影响因素分析  87-92
  5.5 褶皱区多工作面不同开采顺序时的应力场变化规律  92-97
    5.5.1 模拟方案  92-93
    5.5.2 应力场变化规律  93-97
  5.6 本章小结  97-99
6 褶皱区巷道围岩冲击危险性的影响因素分析  99-111
  6.1 引言  99
  6.2 构造应力状态的影响  99-100
  6.3 煤岩体单轴抗压强度的影响  100-101
  6.4 支承压力的影响  101-102
  6.5 巷道掘进方向的影响  102-103
    6.5.1 沿最小水平应力方向开挖巷道  102
    6.5.2 沿最大水平应力方向开挖巷道  102-103
  6.6 褶皱区工作面布置的影响  103-104
    6.6.1 褶皱区工作面不同推进方向  103
    6.6.2 褶皱区多工作面不同开采顺序  103-104
  6.7 构造应力条件下扰动应力波的影响  104-108
    6.7.1 扰动应力波的影响机制  104-105
    6.7.2 构造应力条件下扰动应力波影响的数值模拟  105-108
  6.8 褶皱区工作面和巷道防冲思路和控制对策  108-109
  6.9 本章小结  109-111
7 褶皱区冲击矿压灾害防治实践  111-123
  7.1 工作面地质、开采条件  111-112
  7.2 原始地应力场研究  112-116
    7.2.1 地应力测量  112
    7.2.2 原始地应力场的模拟分析  112-116
  7.3 2502 采区工作面防冲优化布置设计  116-117
  7.4 工作面冲击危险性预测  117-118
    7.4.1 煤样单轴抗压强度和冲击倾向性测定  117
    7.4.2 工作面冲击危险性综合指数法分析  117-118
  7.5 冲击矿压控制措施  118-122
    7.5.1 工作面两巷实体煤控制措施  119-120
    7.5.2 掘进面的控制措施  120
    7.5.3 冲击矿压控制措施的效果检验  120-122
  7.6 本章小结  122-123
8 主要结论与研究展望  123-126
  8.1 主要结论  123-125
  8.2 展望  125-126
参考文献  126-133
作者简历  133-136
学位论文数据集  136

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