煤矿巷道冒顶隐患探测原理与分区量化方法

Among all kinds of mine disasters in China, mine roof disaster is the one which occurs most frequently kills the most miners and leads to the huge economic loss. Based on the variation characteristics of core drilling feedback signals, the characteristic of core drilling signals is explored, so the relationship and dynamic response of core drilling signals to hosting feature of roof rock is revealed. Based on the relationship, the variation of litho logy and structures of roof rock and distribution of joints and fissures are obtained to reflect the real hosting feature. The mechanical model of roof breakage and instability is researched, quantitative relation between roof rock mass fragmenting and instability in a small area and rock mass surroundings is studied, and evolution characters of roof rock mass fragmenting and instability is considered. Key parameters and extreme conditions of roof rock breakage and instability are determined. From engineering scale, bed separation and caving mechanism is revealed. With regard to mine roof disaster risk, evaluation index system with multi-parameter is set up, and then the risk degree is calculated and evaluated according different areas. By this research project, basic exploration theory of roof rock structures, and quantization measurement and evaluation method of roof caving will provide the key theoretical and technical safeguard for prediction and prevention of roof accidents.

顶板灾害是我国煤矿各类灾害中发生频率最高和死亡人数最多的灾害，并导致了巨大的经济损失。本项目通过探索钻孔施工过程中钻进反馈信息的变化特征，探寻钻进信号的自身变化特性，揭示顶板岩层赋存特征与钻进反馈信息之间的动态响应机制，并基于此获取能真实反映顶板赋存特征的岩性变化、岩层结构、层理裂隙面分布等相关参数；研究巷道顶板岩层失稳破坏的力学模型，探讨顶板岩层局部破碎失稳与岩体环境之间的定量关系及变形破坏过程中的力学演化特征，给出导致顶板岩层失稳冒落的关键参量，确定极限条件，从工程尺度揭示顶板岩层分离薄层化垮落机理；构建巷道顶板冒顶风险评估的多参量评估指标体系，实现巷道顶板冒顶风险程度的分区和量化分析。本项目形成的巷道顶板岩层结构探测基本原理和冒顶隐患识别与分区量化方法将为巷道顶板事故预报预防、顶板安全保障提供理论支撑。

顶板灾害的致因有多种类型，顶板岩层的性质和组合类型发生变化、岩层结构存在缺陷、局部或构造带附近的应力条件突变、或由于施工未达到标准均可导致顶板发生灾变，其中由于未及时掌握岩性与组合类型的变化而导致的顶板灾害占多数。前人的研究成果表明，岩性与组合的变化可以在钻进反馈信息中得以体现，因此通过研究钻孔施工过程中钻进反馈信息的变化特征，研究了钻进信号的自身变化特性，揭示了钻进信息的特征，建立了巷道顶板岩层失稳破坏的力学模型，采用流变学探讨了围岩与支护物的作用关系。得出了导致岩层失稳冒落的关键参量及跨落机理，构建了巷道顶板冒顶风险评估的多参量评估指标体系，实现了巷道顶板冒顶风险程度的分区和量化分析，应用研究成果将20多个实验现场进行了顶板冒顶风险程度分区。. 在顶板岩层赋存特征与钻进反馈信息的动态响应规律研究方面，探析了几种典型岩层的钻进信号动态响应规律，确定了与顶板特性相关的主要参量为钻进速度、钻杆的转速以及钻机的推力，形成了钻进动态测试方法，得出了典型岩层的钻进曲线及其特征.不同岩层的钻进信号特征，表现为钻削起始推力水平、钻进速度增长率、钻削区间范围各不相同，且具有较大的波动性和跃迁性质。. 在巷道顶板分离薄层化力学效应及垮落机理研究方面，建立了巷道顶板岩层分离薄层化垮落的力学模型，并采用流变元件建立了巷道围岩-支护物的本构模型，以几种典型条件下的巷道实例为工程背景，研究了顶板岩体局部破碎失稳过程中的力学演化特征，研发了可接长锚杆与刚性长螺纹锚杆，明确了支护物的补偿作用。分析确定了巷道跨度、岩层强度、厚度、巷道埋深、采动影响、地应力异常、岩体完整性、强度衰减、构造及地下水均为导致顶板失稳的重要因素，岩层跨距为引发局部冒落的关键因素。. 在巷道顶板冒顶隐患的分区原理和量化分析的研究方面，确定了稳定岩层层位为巷道顶板冒顶隐患分区的关键指标，给出了稳定岩层的判别方法以及其层位同冒顶风险之间的关系，建立了顶板冒顶风险评估的多参量评估指标体系，实现了冒顶风险程度的分区和量化。冒顶隐患分区方法已在全国多个矿区进行了现场实验并有效地指导了安全生产，为科学地设计巷道支护、防控巷道冒顶提供了理论支撑。