深部采动煤巷围岩非连续破裂及冲击地压防治理论基础研究

With the gradually transfer to the deep of coal mining, the frequency and intensity of rockburst in coal roadway increase significantly, and rockburst in coal roadway has been one of major disasters in deep coal mining. Comprehensive research methods of field test, theoretical analysis and numerical simulation were used in this project. Firstly, based on the studies of discontinuous fracture evolution law of surrounding rocks of deep mining coal roadway, processes of stress transfer and energy accumulation during the procedure of discontinuous rupture were researched to reveal the relations between the formation and instability of discontinuous rupture structure and the evolution of rockburst caused by impact energy,theoretical model of energy evolution was built to reveal disaster-causing mechanism of rockbrust in deep coal roadways. Secondly, the purpose of rockburst prevention is achieved on the basis of characteristics of discontinuous rupture in deep coal roadway. A new idea of rockburst prevention of deep coal roadway is proposed in this project, which has important scientific significance and application value to preventing the occurrence of disasters caused by rockburst in deep coal roadway and guaranteeing the safe of coal mining.

随着煤炭开采向深部转移，煤巷冲击地压发生的频率和强度日趋增加，已成为深部煤炭开采主要灾害之一。本项目采用理论分析、数值模拟和现场测试相结合的研究方法，首先，研究深部采动煤巷围岩非连续破裂分布及演化规律，考察深部煤巷围岩非连续破裂过程中应力转移与能量转化、积聚过程，获得深部煤巷围岩非连续破裂结构形成及失稳与冲击地压孕育演化致灾间的关系，揭示深部煤巷冲击地压孕育演化致灾机理；其次，根据深部煤巷围岩非连续破裂特征提出冲击地压防治机理。本项目将为深部巷道冲击地压防治提供新思路，对保证煤炭安全生产具有重要的科学意义和应用价值。

随着煤炭开采向深部转移，煤巷冲击地压发生的频率和强度日趋增加，已成为深部煤炭开采主要灾害之一。本项目采用理论分析、数值模拟和现场测试相结合的研究方法，对深部煤巷围岩非连续破裂结构形成与冲击地压孕育演化致灾间的关系、深部煤巷冲击地压孕育演化致灾机理及防治进行了研究，本项目研究获得的主要成果如下：（1）利用岩层探测记录仪等，现场探测了不同强度、初始结构和不同采动条件下深部煤巷围岩非连续破裂特征及演化规律，探测结果表明：①深部巷道围岩内一般可出现2~5个破裂分区，根据各破裂区内岩层的破裂程度及特征，可将破裂分区划分为：完全破坏区、松动破坏区、裂隙区和裂纹与离层共存区四种类型；②深部巷道围岩内弱结构面、夹煤、夹矸等物性因素是非连续破裂产生的内因；高应力状态是非连续破裂产生的外因；③随着巷道围岩强度降低、围岩中弱结构数量增加，巷道围岩中破裂分区数量也增加，破裂分区的尺寸也增大。④采动支承压力将促使围岩非连续破裂范围扩大，非连续破裂演化具有流变特征，流变破裂增量为5~10%左右。（2）利用高应力相似材料模拟实验系统和数值模拟软件，结合能量原理，揭示了深部采动煤巷围岩非连续破裂应力转移及能量积聚过程。即深部巷道围岩在弹塑性边界处形成与开挖硐室呈同心圆的环状断裂，并沿径向方向向围岩两侧释放能量；该环状断裂形成后，将造成围岩内未破坏区的应力重新分布，从而形成新的破裂区及弹塑性区；在新形成的弹塑区交界处，依然存在切应力的峰值、应变的不协调及应变能的聚集，从而导致第二个环状断裂的形成，该过程不断循环、递进，便形成了破裂区和非破裂区交替出现的非连续破裂现象。（3）现场钻屑法探测了非连续破裂巷道围岩内钻屑量分布规律，并通过理论分析，获得了冲击地压致灾时能量判据。结果表明：在深部巷道围岩完整区处岩体钻屑量比破裂区处钻屑量大，且随着向巷道围岩深入转移，完整区的钻屑量也增大，在巷道围岩最深的破裂区与其上完整区交界处岩体钻屑量达到最大值，说明该处有可能为冲击震动能量最大积聚区域，当该处弹性应变能与形成宏观贯通裂纹需要的表面能相等时，存储的弹性应变能便突然释放，导致岩石破坏，形成冲击地压等动力灾害。（4）构建了深部煤巷冲击地压防治模型，获得了巷道围岩内高能量应力波经完整岩体区、卸压区，传播到锚固区其振幅的衰减系数；利用数值模拟方法初步揭示了巷道围岩“卸压区”内冲击震动能的耗散规律。