急倾斜特厚煤层开采煤岩系统动力失稳机理

Underground pressure behavior of mining steeply-inclined and extremely-thick coal-seam is very different from that of mining softly-inclined thick coal-seam. Rock-bursts in mining steeply-inclined and extremely-thick coal-seam are related to its special occurrence conditon and mining method. Research on dynamic instability mechanism of rock-coal system and field observation of diffenrent dynamic loads in mining steeply-inclined and extremely-thick coal-seam are absent, which results in misunderstanding of rock-burst mechanism and unsatisfactory prevention effect. This project comprehensively applied material mechanics, rock dynamics and geophysics to setting up cantilever beam and hinged structure models of dip roof in gob of steeply-inclined and extremely-thick coal-seam. By forcing different dynamic loads from observation with micro-seismic monitoring system to cantilever beam and hinged structure, dynamic response characteristics of the beam and the structure are analyzed. On the basis of this, propagation of stress waves of dynamic loads in coal-seam will be obtained. Thus, mechanism of dynamic instability of coal-rock system and rock-burst will be put forward. The fruits of this project are development of rock-burst theory and can provide reference for rock-burst prevention in mining steeply-inclined and extremely-thick coal-seam.

急倾斜特厚煤层开采与缓倾斜厚煤层开采相比，矿压规律显著不同。我国西部一些矿井在开采浅部急倾斜特厚煤层时就频繁出现冲击地压，这与急倾斜特厚煤层特殊的赋存条件和开采方式密切相关。目前尚无专门针对急倾斜特厚煤层开采煤岩系统动力失稳机理的研究，而现场对不同动载形式特征的实测研究也很欠缺，导致对急倾斜特厚煤层开采冲击地压发生机理认识不清，防治效果很差。本项目采用现代力学、岩石动力学和地球物理学等多学科交叉研究方法，通过建立急倾斜特厚煤层开采采空区倾向顶板悬臂梁和铰接结构模型，并结合现场实测不同形式的动载特性，分析急倾斜特厚煤层开采采空区倾向顶板悬臂梁和铰接结构动态响应特征以及动载应力波在煤层中的传播特性，研究急倾斜特厚煤层开采煤岩系统动力失稳机理并据此揭示冲击地压致灾机理。本项目研究成果是对冲击地压发生机理研究的丰富和发展，成果拟在神新公司应用，对于该条件下冲击地压的防治具有重要的理论和实践意义。

项目研究背景：急倾斜特厚煤层开采与缓倾斜厚煤层开采相比，矿压规律显著不同。我国西部一些矿井在开采浅部急倾斜特厚煤层时就频繁出现冲击地压，这与急倾斜特厚煤层特殊的赋存条件和开采方式密切相关。目前尚无专门针对急倾斜特厚煤层开采煤岩系统动力失稳机理的研究，而现场对不同动载形式特征的实测研究也很欠缺，导致对急倾斜特厚煤层开采冲击地压发生机理认识不清，防治效果很差。本项目采用现代力学、岩石动力学和地球物理学等多学科交叉研究方法，通过建立急倾斜特厚煤层开采采空区倾向顶板悬臂梁和铰接结构模型，并结合现场实测不同形式的动载特性，分析急倾斜特厚煤层开采采空区倾向顶板悬臂梁和铰接结构动态响应特征以及动载应力波在煤层中的传播特性，研究急倾斜特厚煤层开采煤岩系统动力失稳机理并据此揭示冲击地压致灾机理。本项目研究成果是对冲击地压发生机理研究的丰富和发展，成果拟在神新公司应用，对于该条件下冲击地压的防治具有重要的理论和实践意义。.主要研究内容：（1）冲击倾向性煤样动态失稳破坏过程中的声发射特征研究；（2）急倾斜特厚煤层赋存特征及水平分段综放开采工艺及矿压显现特征分析；（3）急倾斜特厚煤层开采围岩破坏监测研究；（4）急倾斜特厚煤层开采采空区倾向顶板力学模型的响应研究；（5）动载应力波在急倾斜特厚煤层中的传播特性研究；（6）急倾斜特厚煤层开采煤岩系统动力失稳机理研究。.重要结果：声发射信号强度与冲击倾向性呈正相关关系;急倾斜煤层的形成与区域构造应力场有关，其在浅部开采就发生冲击地压的特殊现象也排除不了构造应力的影响;急倾斜特厚煤层水平分段开采至多个分段开采后，顶板在倾向方向的压力及其垮断时形成的动载容易造成煤体应力集中，加剧冲击地压危险；急倾斜特厚煤层开采围岩活动集中在采动水平范围，走向分布工作面前后各150m范围内，采掘扰动对围岩活动剧烈程度影响较大；爆破信号、煤岩体微破裂信号、冲击地压和矿震信号可以从以下几个方面进行有效识别：波形包络、同等能量下延时长度、频带范围；围岩震动能量、主频沿传播距离呈指数关系衰减；建立了急倾斜特厚煤层水平分段开采两侧采空岩柱的外伸梁力学模型，分析得到了近直立特厚水平分段两煤层同采条件下两侧采空岩柱对煤体的“撬杆效应”构成了冲击地压的力源并获得其表达式，提出了由于该力源作用在煤体上产生的应力随时间的变化率达到或超过煤体的动态破坏应力指数而发生冲击地压的致灾机理。