断层构造与孤岛工作面冲击地压的互馈机制研究

The aims of this study are to quantitatively determinate the correlation between faults structure characteristics and the coal bump, establish an important threshold of coal bump occurrence under the condition of high in-situ stress and intensive mining and assess the risk zone of coal bumps during extraction of an island longwall panel. Based on the 3D visual numerical model which is established by the method of faults filed detection, the influencing mechanism of faults structure characteristics to mining-induced stress is analyzed. Through the contrastive analysis of mechanical behavior between normal fault and reverse fault during extraction of the island longwall panel, the engineering dynamic response of faults is studied under the condition of intensive deformed and destructed surrounding rocks. The space-time evolution characteristics of energy accumulation, propagation, conversion and release of surrounding rocks are investigated under the coupling of tectonic stress and mining induced stress. The nonlinear dynamic process of stable accumulation and unstable release of faults energy is also a major concern of this study. The mechanism of energy instant release of surrounding rocks is revealed when the first or periodic roof breaking occurs. Based on the above results, the important threshold of coal bump occurrence under the condition of faults is established and the risk zone of coal bumps is assessed during extraction of the island longwall panel. This study will present a mining safety prospect of island longwall panels with a scientific and engineering guidance value.

本项目旨在定量描述断层构造特征与孤岛工作面冲击失稳的相关性及作用机制，建立断层赋存时孤岛工作面高地应力与强开采条件下煤岩体动力失稳的触发条件，预测冲击失稳的危险区域。通过地质探测建立断层赋存条件下孤岛工作面岩层的三维可视化数值模型，研究断层构造特征对孤岛工作面采动应力场的影响机制。对比分析孤岛工作面通过正断层和逆断层时断层构造的力学特性，研究在断层形成过程中已经受过变形破坏的孤岛工作面裂隙煤岩体在采动应力作用下的工程动力响应特征。研究构造应力场与采动应力场耦合作用下孤岛工作面煤岩体能量积聚、传递、转化与释放的时空特征和演化规律，分析断层面上能量的稳定态积聚和非稳定态释放的非线性动力学过程。揭示顶板初次裂断或周期性裂断时煤岩体能量释放的激增机制，建立断层赋存条件下孤岛工作面煤岩体瞬时失稳的触发条件，预测孤岛工作面和采场巷道冲击地压的危险区域。本研究对于煤炭安全开采具有科学意义和工程指导价值。

项目研究了复杂地质赋存环境下逆冲断层和倒转褶皱构造特征及其演化机理，探测了复杂地质赋存条件下孤岛工作面原岩应力场的分布特征，分析了高地应力诱发冲击地压的机理，研究了煤岩体冲击倾向性与孤岛工作么冲击失稳的内在联系。项目建立了断层赋存条件下孤岛工作面采场的三维可视化数值模型和相似模型，研究了断层构造受水平应力挤压、滑移运动、瞬时失稳对工作面采动应力场的影响机制，揭示了断层赋存条件下孤岛工作面动力失稳的致灾机理和触发条件，预测了断层赋存条件下孤岛工作面采场发生冲击动力灾害的危险区域。项目分析了断层倾角、断层切向刚度、侧压力系数和水平构造应力等地质因素对断层面应力场演化和滑移量突变的影响特征，总结了断层突然失稳的前兆信息。项目通过现场探测，分析了断层影响区顶板突然垮落时巷道变形、锚杆载荷、顶板离层、煤柱应力的动态响应特征，研究了断层构造失稳突变及顶板失稳诱发冲击地压机制。项目分析了断层赋存条件下孤岛工作面能量场时空演化规律，计算了孤岛工作面回采及顶板周期性垮落过程，埋深、地应力场、煤层倾角及不同盘区回采等冲击地压主要诱因对采场能量分布特征的影响规律，揭示了孤岛工作面采场能量释放激增诱发冲击地压的机制。.项目资助期间，以第一作者发表学术论文10篇，其中SCI检索论文2篇，EI检索论文3篇，核心期刊论文4篇，会议论文1篇；申请发明专利6项，实用新型专利4项，其中授权发明专利3项，实用新型专利4项；编写专著1部；项目研究团队培养博士研究生1名，硕士研究生17名，其中毕业硕士研究生2名；参加学术会议8次，邀请澳大利亚联邦科学院项目负责人来华做科研交流及合作1次。.获得资助期间，项目负责人王宏伟于2016年入选北京市优秀人才青年骨干个人，2017获得全国煤炭青年科学技术奖，2018年获得霍英东教育基金会高等院校青年教师奖，2018年入选中国矿业大学（北京）“越崎青年学者”。