构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道冲击地压机制研究
张科学1,2
(1. 煤炭科学研究总院 智能控制技术研究分院,北京 100013;2. 中国矿业大学(北京) 煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京 100083)
Mechanism study of coal bump under tectonic and ultra-thick conglomerate coupling conditions in mining roadway
ZHANG Kexue1,2
(1. Intelligent Control Technology Branch of China Coal Research Institute,Beijing 100013,China;2. State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining,China University of Mining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China)
摘要 冲击地压是煤矿开采中因采动或动载诱发煤岩体变形能剧烈释放,并伴随地下采掘空间煤岩体突然、急剧和猛烈破坏的现象。随着煤矿开采深度和开采强度的持续增加,地下开采面临的构造地质条件日趋复杂,我国越来越多的煤矿开始出现冲击地压现象,破坏性冲击地压频繁发生且日益严重。冲击地压的孕育和显现是构造特征和地层特征在采掘动态平衡过程中能量稳定态积聚及非稳定态释放的结果,是煤岩体性质、地质特征和开采技术条件的综合反映,同时该问题具有明显的时空演化特征。
义马矿区是冲击地压的高发矿区,且冲击地压多发生在回采巷道,巷道冲击地压的本质是巷道围岩在高应力作用下的突然失稳、变形和破坏。向斜构造应力、断层构造应力、上覆巨厚砾岩局部离层断裂垮落造成巷道的非均匀应力和开采扰动是义马矿区回采巷道冲击地压发生的主要影响因素。运用现场调研、相似模拟试验、数值计算和现场工业性试验相结合的方法,深入研究构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道冲击地压机制及防治技术。主要工作与创新点如下:
(1) 针对义马矿区11个典型工作面发生的89次冲击事件进行统计分析,得出了义马矿区冲击地压以回采巷道冲击地压为主,冲击引起的回采巷道变形破坏以底鼓为主。
(2) 设计了具有义马矿区向斜、断层和巨厚砾岩地质特征的相似模拟试验,并采用数字散斑全位移场监测、应力场监测和能量场监测,研究了采动影响下距工作面不同距离和距断层不同距离回采巷道围岩冲击特性及失稳变形破坏特点,并分析了巨厚砾岩离层断裂时巷道围岩变化规律和断层滑移活化时巷道围岩变化规律。
(3) 建立了具有向斜、断层和巨厚砾岩特征的数值模型,研究了采动影响向斜作用下巷道围岩冲击特性(巷道围岩的应力场、能量场、位移场和塑性区(三场一区)是巷道围岩冲击特性的表现形式),对比分析了向斜轴部和翼部回采巷道围岩冲击特性异同;研究了采动影响断层作用下巷道围岩冲击特性,对比分析了断层下盘和上盘回采巷道围岩冲击特性异同;研究了采动影响巨厚砾岩作用下回采巷道围岩冲击特性,从不同砾岩厚度条件下对比分析回采巷道围岩冲击特性;研究了采动影响构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道围岩冲击特性,对同时间不同地点距工作面不同距离回采巷道围岩冲击特性、同地点不同时间距工作面不同距离回采巷道围岩冲击特性和距断层不同距离回采巷道围岩冲击特性分别进行详细分析。
(4) 提出了构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道冲击地压机制、义马矿区回采巷道冲击地压综合防治体系和具体防治措施,并对回采巷道强力柔性支护体系、U型钢联合支护体系和锚杆支护体系进行评价总结,依据应用实践得到的回采巷道冲击地压前兆规律,得出强力柔性支护体系在防冲巷道支护中对巷道围岩应力场、能量场和位移场的关键控制作用明显优于U型钢联合支护体系和锚杆支护体系,且可以很好地适应并控制巷道围岩变形,对构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道冲击地压防治起到积极且显著的作用。
关键词 :
采矿工程 ,
冲击地压 ,
巷道 ,
向斜 ,
断层 ,
巨厚砾岩 ,
采动影响 ,
动载 ,
防冲支护
[1]
李博涛1,2,3,谭宇轩1,林海飞4,5*,魏建平1,2,3,张宏图1,2,3,李树刚4,5,魏宗勇4,5,王 裴4,罗荣卫4,刘彦伟1,2,3. 液氮冻结不同温度煤体力学特性及细观损伤演化规律研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(6): 1757-1772.
[2]
贾 冲1,2,来兴平1,2*,崔 峰1,2,3,4,吴学明5,姬松涛1,2,何 哲1,2,王 昊1,宗 程1,张 博1,薛益飞1. 坚硬顶板破断步距影响下煤体采动力学响应及压裂防冲分段长度优化 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(6): 1806-1826.
[3]
康红普1,2,3*,高富强1,2,3,王晓卿1,2,3,原贵阳1,2,3,杨 磊1,2,3,娄金福1,2,3. 超大尺寸巷道断层滑移型冲击地压试验系统研制与应用 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(6): 1599-1614.
[4]
梅贤丞1,2,崔 臻1,2*,盛 谦1,2,陈 健1,2,费 扬1,2,唐浪洲1,2,赵 旭3,黎若寒4,黄景琦5. 跨活断层隧道“强震–错动”耦合效应的物理模拟研究(I):试验系统与方法 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(5): 1304-1320.
[5]
汤天阔1,王方田1,2*,王文林1,3,刘国磊4,郝文华1,刘 超1,吴 渝1,王 旭1. 深井坚硬顶板下充填开采吸能减冲机制研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(5): 1445-1460.
[6]
栾恒杰1,2,杨玉晴1,刘建康1*,郝清旺2,蒋宇静1,2,郭 尧3,张孙豪1. 基于AttRes-UNet模型的煤岩裂隙识别技术研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(4): 1183-1198.
[7]
王兆雨1,2,赵伟华1,2*,巨能攀1,2,林清桦1,2,谭 林1,2,胡小龙1,2. 含碎石断层泥剪切蠕变本构模型研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(4): 1266-1276.
[8]
胡文硕1,朱德福1,2,3*,贾勇杰1,徐泽坤1,霍昱名1,王仲伦1,张纯旺4,付腾飞5. 水–岩作用下煤系一水硬铝石型铝土矿劈裂特性的试验研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(4): 1128-1147.
[9]
董续凯1,白俊杰2,张俊文3*,刘金海1,赵善坤4,许 蒙5. 复合坚硬顶板工作面末采顶板爆破防冲调控技术 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(3): 764-776.
[10]
周琳力1,2,3*,韦米香1,韩 军2,贾宝新1,4,卜 继1,崔博源1. 基于时窗信号能量和时频特征的微震信号时间定位拾取方法 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(3): 875-891.
[11]
周凤玺1,罗 瑞1,梁玉旺2*,巴振宁3. 近断层速度型脉冲波作用下高山峡谷复杂场地地震响应研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(3): 842-855.
[12]
韩俊艳,赵仕泽,毕延松,侯本伟*,许成顺. 逆断层震错耦合下含腐蚀缺陷埋地管道地震响应及预测方法研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(2): 537-552.
[13]
龙 腾1,2,管国荥1,2,陈 健1,2,夏 勇3,唐碧华3,孙 博3,崔 臻1,2*,张佳威4,张翔宇5. 群洞效应对穿越活动断层高压水工隧洞群抗错断性能的影响研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(2): 509-524.
[14]
刘 宁1,郭宇航2,3,4,张罗送2,3*,张传庆2,3. 不同粗糙度下断层滑动行为特征研究 [J]. 岩石力学与工程学报, 2026, 45(1): 49-64.
[15]
甘德清1,2,3,4,于泽皞1,2,3,4,刘志义1,2,3,4,孙海宽1,2,3,4. 不同冲击比能下磁铁矿石的动态力学特性及能耗特性 [J]. 岩石力学与工程学报, 2025, 44(S2): 43-57.