采区集中巷孤立煤体失稳特征及冲击致灾机理研究

Comparing to the normal coal pillar and its dynamic disaster, isolated coal body in mining district gathering roadways have great difference in geological and stress condition, and significant concealment, rheological and lagging properties, while its dynamic disaster triggering mechanism and evaluation methodology remain to be investigated. By employing the research methodology of theoretical analysis, laboratory test, numerical simulation and field testing, this project aims to conduct triaxial creep-damage test on coal and build a nonlinear creep constitutive model taking coal damage into account, whereby establish a creep-damage numerical simulation method; analysis on the stress evolution and creep damage laws of isolated coal body with respect to different dip angles and shapes, revelation the time and shape effect of creep-damage on isolated coal body; establishment of creep-mutation unity-opposite mechanical model of ‘roof-isolated coal body-floor’, revelation of the creep-damage mechanism of isolated coal body, propose the criterion of mutation-induced instability during creep-damage process; investigation on the necessary and sufficient condition of isolated coal body failure and dynamic disaster, revelation on triggering mechanism of isolated coal body rock burst, propose the burst-risk evaluation methodology of isolated coal body. This project can provide theoretical references to roadway layout optimization and burst control, and have significant importance and application value for safety and efficient mining.

与传统留设煤柱及其冲击动力灾害相比，采区集中巷道孤立煤体赋存条件与应力环境显著不同，其冲击动力灾害诱发机理尚不明晰、评价方法尚不完善，且具有显著的隐蔽性、流变性和延滞性。本项目综合采用理论分析、室内实验、数值模拟以及现场实测等方法，开展煤体三轴蠕变损伤特性实验，建立考虑煤体劣化损伤的非线性蠕变本构模型，形成煤体蠕变损伤数值模拟方法；分析不同倾角、不同形状孤立煤体应力演化特征及蠕变损伤规律，揭示孤立煤体蠕变损伤的时间效应和形状效应；建立“顶板-孤立煤体-底板”岩层系统蠕变-突变失稳对立统一性力学模型，揭示孤立煤体蠕变-突变失稳力学机制，提出蠕变损伤过程中突变失稳判别准则；研究孤立煤体失稳冲击致灾充要力学条件，揭示孤立煤体冲击地压诱发机理，提出孤立煤体冲击危险性评价方法。研究成果将为采区巷道优化布置以及冲击地压防治提供理论基础，对实现采区安全高效生产具有重要的理论意义和实际应用价值。

采区取消岩巷巷道布置改革后，我国煤矿采区集中巷多采用煤巷布置方式，在回采巷道及联络巷交叉切割下，集中巷区域形成众多不同形状的孤立煤体。与传统留设煤柱及其冲击动力灾害相比，采区集中巷道孤立煤体赋存条件、应力环境显著不同，其冲击动力灾害诱发机理尚不明晰、评价方法尚不完善。本项目综合采用理论分析、室内实验、数值模拟以及现场实测与工程应用等方法，开展煤体蠕变损伤特性实验和现场实测，改进了非线性蠕变本构模型，形成煤体蠕变损伤数值模拟方法；选取弹性模量、泊松比、粘聚力、内摩擦角、抗拉强度和剪胀角作为初始参与因素，研究煤体力学参数对单轴抗压强度和峰值应变的影响规律及程度，建立单轴抗压强回归预测方程。分析孤立煤体应力演化特征及蠕变损伤规律，揭示孤立煤体蠕变-突变失稳力学机制，揭示孤立煤体冲击地压诱发机理。利用灰色关联分析方法，初步建立孤立煤体冲击危险性评价方法。分析总结煤柱的影响指标主要包括煤柱宽度、煤层开采高度、煤层倾角以及开采深度，对各影响因素的量化打分标准，建立了煤柱稳定性评价方法。. 本项目对上覆高位硬厚岩层对孤立煤体失稳诱发冲击地压影响进行了研究。利用FLAC3D数值模拟，从围岩变形和破坏范围两个方面对不同支护条件下的地基稳定性进行了分析比较。针对支护参数变化引起的围岩变形，通过数值模拟进一步分析了深部巷道支护机理，为确定合理的巷道支护方案提供了依据。. 本项目发表基金标注论文8篇，其中SCI、EI收录6篇，申请专利2项，发明专利1项，参加学术交流会议2次，培养硕士研究生2名，获得省部级奖励1项，研究成果应用于2个矿井。. 研究成果将为采区巷道优化布置以及冲击地压防治提供理论基础，对实现采区安全高效生产具有重要理论意义和实际应用价值。