组合煤岩的强度弱化减冲原理及其应用

论文摘要

随着矿井开采规模和深度的逐年增加,冲击矿压致灾的强度及其危害越显突出,同时增加了诱发煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸等重特大灾害的可能性。因此,弱化和控制冲击矿压的显现强度就成为防治矿井煤岩动力灾害的关键。冲击矿压的发生载体就是“顶板-煤层-底板”组合煤岩系统。以此,论文研究提出了组合煤岩的强度弱化减冲原理。即弱化顶底板的强度及整体性厚度、煤体的强度就可以降低组合煤岩系统的冲击倾向性和冲能,保持煤岩体能量耗散与能量释放之间的动态平衡,使得煤岩体内部积聚的冲能维持较低水平,同时降低区域的应力集中梯度,实现冲击矿压灾害的强度弱化。采用Disp-24声电系统,实验研究了煤岩组合冲击倾向性与顶板的强度及厚度、煤样强度之间的演变规律,建立了煤岩组合的冲击倾向性与声电信号特征参数之间的相关关系,尤其是冲击破坏前兆的声电效应。研究表明,煤岩组合的冲击倾向性、声电信号强度与顶板的强度及厚度、煤样强度之间呈正相关关系。利用TDS-6微震实验以及现场监测,研究了组合煤岩体的冲击倾向性、顶板的厚度与微震强度之间的相关性,揭示了冲击前兆微震振幅与频谱的演变规律。研究表明,组合试样的冲击倾向性、顶板的厚度与微震强度之间呈正相关关系,且随着冲击倾向性的增强,微震呈现振幅增加、频谱降低的演变规律。采用FLAC2D软件的Dynamic模块,模拟研究了不同能量的冲击动载,顶板的强度及厚度、煤体强度对巷道冲击效应的影响规律,再现了巷道冲击破坏的动态过程。研究表明,冲击动载能量（矿震）、顶板的强度及其厚度、煤体的强度越高,则巷道冲击破坏的强度越强。基于能量耗散与释放原理,研究了组合煤岩体从静载变形向动载冲击的力学过程及判定准则,揭示了冲能与冲击倾向性之间的相互关系,研究了组合煤岩体冲击破坏的声电效应机理,建立了组合煤岩冲击破坏的能量判据,并详细分析了组合煤岩冲击效应的关键影响因素。由此,建立了组合煤岩的强度弱化减冲原理的理论模型,进一步研究了煤岩体强度弱化的关键技术参数以及弱化解危效果的综合检验技术。通过徐州三河尖煤矿9202高冲击危险工作面冲击矿压的弱化控制实践,详细分析了影响工作面冲击强度的关键因素,以此,提出了以煤层与顶板的深孔卸压爆破相结合的强度弱化减冲技术,并建立了弱化解危效果的综合检验技术,最终保证了工作面的安全生产。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 1 前言
• 1.1 选题的研究意义
• 1.2 冲击矿压的研究现状
• 1.2.1 冲击矿压概述
• 1.2.2 冲击矿压的机理
• 1.2.3 冲击矿压的监测预报
• 1.2.4 冲击矿压的治理
• 1.3 组合煤岩冲击效应及其控制的研究进展
• 1.4 论文的主要研究内容
• 2 煤岩组合冲击效应的实验研究
• 2.1 实验研究背景
• 2.2 实验目的、内容及方案
• 2.2.1 实验目的
• 2.2.2 实验内容
• 2.2.3 实验方案
• 2.3 煤岩组合试样冲击倾向性测定
• 2.3.1 试样测定指标
• 2.3.2 试样加工
• 2.3.3 实验系统
• 2.3.4 实验系统参数
• 2.3.5 冲击倾向性测定结果
• 2.4 煤岩组合试样冲击倾向性的演化规律
• 2.4.1 煤岩组合试样各亚层的单轴抗压强度
• 2.4.2 组合与纯煤试样冲击倾向性差异
• 2.4.3 煤样强度对试样冲击倾向性的演化规律
• 2.4.4 顶板强度对试样冲击倾向性的演化规律
• 2.4.5 顶板厚度对试样冲击倾向性的演化规律
• 2.5 煤岩组合试样冲击倾向性与声电耦合规律
• 2.5.1 煤岩组合试样强度与声电信号的耦合规律
• 2.5.2 试样的顶板高度比例与声发射信号的耦合规律
• 2.5.3 冲击倾向性指数与声发射信号的耦合规律
• 2.6 煤岩组合试样冲击破坏的声电效应规律
• 2.7 小结
• 3 组合煤岩体冲击破坏过程的微震效应
• 3.1 实验研究背景
• 3.2 实验目的、内容及方案
• 3.2.1 实验目的
• 3.2.2 实验内容
• 3.2.3 实验方案
• 3.3 煤岩组合试样冲击破坏微震信号的采集
• 3.3.1 微震信号参数
• 3.3.2 实验试样
• 3.3.3 实验系统
• 3.3.4 实验系统参数
• 3.3.5 微震信号采集结果
• 3.4 微震信号分析
• 3.4.1 最大振幅与冲击倾向性的关系
• 3.4.2 最大振幅与顶-煤高度比值的关系
• 3.4.3 冲击前兆微震信号的频谱特性
• 3.5 工作面采动过程中的微震效应规律
• 3.5.1 工作面地质技术条件
• 3.5.2 微震监测系统简介
• 3.5.3 微震信号的频谱与冲击危险性的关系
• 3.6 小结
• 4 煤岩组合体冲击效应的影响因素分析
• 4.1 前言
• 4.2 数值模拟模型的建立
• 4.2.1 模型参数及边界条件
• 4.2.2 模拟方案及步骤
• 4.3 冲击震源能量对巷道冲击的影响
• 4.4 顶板岩层特性对巷道冲击的影响
• 4.5 煤层抗压强度对巷道冲击的影响
• 4.6 巷道冲击破坏过程的分时步模拟
• 4.7 小结
• 5 组合煤岩体冲击效应的机理分析
• 5.1 煤岩体冲击破坏的机理研究
• 5.2 组合煤岩体冲击破坏的机理模型
• 5.3 组合煤岩体冲击破坏的能量分析
• s 的影响因素'>5.3.1 冲能U_s的影响因素
• s 与冲击倾向性的关系'>5.3.2 冲能U_s与冲击倾向性的关系
• 5.4 组合煤岩体冲击破坏的声电效应机理
• 5.5 小结
• 6 组合煤岩的强度弱化减冲原理
• 6.1 组合煤岩冲击破坏的能量判据
• 6.2 组合煤岩冲击强度的影响因素
• 6.2.1 煤体的强度
• 6.2.2 顶板的强度
• 6.2.3 顶板的厚度
• 6.2.4 矿震能量
• 6.3 组合煤岩的强度弱化减冲原理
• 6.3.1 强度弱化减冲原理
• 6.3.2 弱化结构的设置
• 6.3.3 弱化结构的作用
• 6.4 组合煤岩冲击破坏的弱化控制技术
• 6.4.1 关键技术参数
• 6.4.2 弱化效果检验
• 6.5 小结
• 7 冲击矿压灾害强度的弱化控制实践
• 7.1 引言
• 7.2 三河尖煤矿9202 工作面冲击强度弱化控制
• 7.2.1 工作面生产地质条件概述
• 7.2.2 工作面冲击灾害强度的影响因素
• 7.2.3 工作面冲击灾害强度的弱化控制
• 7.2.4 工作面冲击灾害强度的弱化效果检验
• 7.3 小结
• 8 全文总结及后续研究
• 8.1 全文总结
• 8.2 后续研究
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集