巷道超前应力分布特征对突出危险性的响应机制

Ground stress is one of the most important factors resulting in the coal and gas outburst, but because the testing of stress field is difficult for the dynamic mining process, ground stress has been unable to predict as daily index, resulting in traditional defect prediction technology. This project will tests the stress distribution characteristics through detecting the velocity differences of vibration wave propagation in different positions before the heading face, and then to predict the outburst risk. First, we will study the evolution of stress distribution characteristics before heading face under different factors, and we will establish the gas outburst prediction model and critical criterion based on the stress distribution before heading face. Second, we will build the model of vibration wave propagation velocity and stress by the method of combination of theory and laboratory test. At last, we will detect the wave velocity distribution before heading face during the roadway driving and borehole drilling process by analog experiment. We will also calculate the stress distribution before the heading face for gas outburst risk prediction. The succeed of the project will break the difficulty that the ground stress can’t be used as a daily index to predict outburst risk, and provide a new theory and methods for the accurate prediction of coal and gas outburst.

地应力是导致煤与瓦斯突出的重要因素，但由于采掘工作面动态变化，地应力现场测试难度大，一直不能作为日常突出危险性预测的指标，致使传统的预测技术存在缺陷。本项目拟通过探测振动波在巷道前方不同位置处传播速度的差异性来反演巷道超前应力分布特征，并进行突出危险性预测。首先，从理论上研究巷道超前应力分布特征在不同地质构造等因素下的演化规律，并建立基于巷道超前应力分布特征的突出危险性预测模型和临界判据；其次，采用理论和实验室试验相结合的方法研究“波速-应力”耦合关系模型；最后，模拟在巷道掘进和掘进头施工钻孔，并在此过程中探测振动波波速在巷道前方不同位置处的分布，并反演巷道超前应力分布特征，为突出危险性预测奠定基础。本项目的成功将有助于破解地应力不能用于日常突出危险性预测的技术难题，并为突出危险性预测提供新的理论和方法。

本项目通过实验室试验研究了振动波速和应力的耦合关系，并通过现场测试的方式探测巷道超前振动波传播速度的分布特征来反演超前应力分布特征，进而探测巷道超前应力峰值的位置，为煤岩动力灾害防治提供指导：.1、总结分析了原岩应力的分布特征，并研究了应力方向对煤岩动力灾害的影响，发现当最大应力垂直于巷道时，在掘进头前方产生较高的应力集中，突出危险性较大；此外煤层强度突变是导致局部应力集中更显著的主要因素。.2、通过三轴加载试验发现，“振动波速度-三维应力”呈现单调对应关系，即：随着轴压的增大，沿轴向的波速也单调增加，这为通过探测巷道超前波速的分布特征来反演巷道超前应力分布特征奠定了基础。.3、在230m巷道范围内，在巷道掘进头通过探测钻孔施工过程中的振动波（成功15个）、测试钻孔施工的钻屑量（成功5个），发现了巷道前方振动波速和钻屑量的分布特征。研究发现，两者呈现较完整的对应：都在巷道前方5~7.5m范围内达到了峰值。在巷道掘进头前方预埋4个应力计，测试了巷道掘进过程中超前应力的连续演化过程，发现在巷道前方6.3m左右地应力达到了最大值，和振动波探测到的应力峰值较为吻合，误差也基本在1m范围之内。.4、本研究成果为煤岩动力灾害的超前预测提供了方法指导：通过连续探测巷道超前振动波速分布特征并分析应力峰值位置，应力峰值距离工作面越远，突出危险性越小；应力峰值距离工作面越近，突出危险性越大。