煤层冲击地压与采空区自然发火共生灾害开采速度效应研究

Mining speed is an critical factor when mining rockburst coal seam with short self-ignition term. The method combined with theory analysis , numerical simulation and experiment is used to study mining speed effect of coal seam with symbiotic disasters of rockburst and goaf spontaneous combustion. Damage evolution equation and the constitutive equation which under the influence of strain rate effect are established based on triaxial compression test with different loading rate of coal sample. Mining speed parameter is introduced to set up stress field model of mining surrounding rock in the moving coordinates. And influence rule of mining speed on stress field of mining surrounding rock, damage field and mined-out area stress field are studied. Take rockburst danger as constraint condition to determine the mining speed threshold. Creep dense and gas seepage characteristics experiment under graded loading for loose and broken coal-rock is carried by using self-made experiment equipment. Permeability coefficient changes with time and stress is measured, to establish the permeability coefficient distribution model of mined-out under the action of time-tress field. Then it is introduced into the mathematical model of goaf spontaneous combustion in moving coordinates. Take numerical simulation method to test the biggest mining speed of rockburst danger work face whether meet safety mining of goaf spontaneous combustion. Determine reasonable mining speed, to avoid provide theoretical guidance for prevention and control of symbiotic disasters coal seam with rockburst and goaf spontaneous combustion.

自然发火期短的冲击地压煤层开采时，开采速度是重要影响因素。项目采用实验研究、理论分析和数值模拟相结合的研究方法，研究煤层冲击地压与采空区自然发火共生灾害开采速度效应。以不同加载速率下三轴压缩实验为基础，建立应变率效应作用下煤样损伤演化方程及本构方程。引入开采速度参量，建立移动坐标下采动围岩应力场模型，研究工作面开采速度对采动围岩应力场、损伤场及采空区应力场的影响规律。以冲击危险为约束，确定开采速度阀值。利用自制实验设备，进行松散破碎煤-岩体分级加载蠕变密实及气体渗流特性实验，实测渗透系数随时间与应力的变化规律，建立时间-应力场作用下采空区渗透系数分布模型，将其引入到移动坐标系下采空区自然发火数学模型中。采用数值模拟方法，验证冲击地压危险工作面最大开采速度是否满足防治采空区自然发火安全需要。确定合理开采速度，为煤层冲击地压与采空区自然发火共生灾害的防治提供理论指导。

自然发火期短的冲击地压煤层开采时，开采速度是重要影响因素，开采速度快可能导致煤层冲击地压，开采速度慢采空区遗煤氧化，加剧自然发火风险，如何确定合理的开采速度是协调煤层冲击地压与采空区自然发火的关键。项目组采用理论分析、数值模拟与实验测试相结合的方法研究了开采速度对煤层冲击地压与采空自然发火的影响规律。通过不同加载速率、不同冲击倾向性的煤岩试样变形破坏试验发现，在单轴或是低围压加载条件下，加载速率对煤样的宏观破坏特征具有重要影响，低速加载时煤样呈现渐进式破坏；高速加载时煤样破坏呈现碎块弹射现象，煤体失稳形式由静载失稳过渡到类动载扰动失稳；当围压升高到一定程度，加载速率对煤样的宏观破坏特征几乎无影响。松散破碎煤-岩分级加载蠕变密实及气体渗透特性实验结果表明：粒径较小的煤样在整个蠕变压实过程中渗透率的变化率比较小，煤样粒径越大的煤样渗透率在压实过程中的变化率比较大；当轴压超过一定数值（200kN）以后，继续加载造成的渗透率下降很小。引入开采速度参量描述采空区顶板跨度，基于顶板剪切梁理论建立了移动坐标下采动围岩应力场的力学数学模型，通过定解条件求解数学模型，得了煤壁前方损伤区深度、冲击地压发生的临界载荷与开采速度之间的关系表达模型，发现随着开采速度的增加，工作面发生冲击地压的临界载荷降低，开采速度增加越容易发生冲击地压。对工作面推进速度与采空区应力场、孔隙率分布规律、漏风量，以及氧化带宽度的关系进行了研究，得到工作面推进速度与各因素的函数关系，以及工作面推进速度的合理确定方法。以耿村煤矿为案例，在考虑采区自然发火的前提下，研究确定了工作面合理的开采速度，从开采速度效应方面，解决了煤层冲击地压防治与采空区自然发火治理之间矛盾。. 在国内外权威刊物上发表论文16篇，被EI收录7篇，获得国家发明专利6项，培养毕业硕士4名，博士2名，在读博士1名。