基于动静载荷综合作用下的诱冲关键层机理研究

冲击矿压机理一直是采矿及岩石力学领域研究的焦点且十分重要的问题，其中，由顶板岩层诱发的冲击矿压问题尤为突出，由于对顶板活动及对矿震动载的监测及防治难度大，因此顶板型冲击矿压是目前困扰矿井安全生产的重大隐患。本课题在顶板岩层诱发冲击矿压机理方面进行了探索研究，从煤岩体实际所受的地质及开采环境入手，分析了开采过程中岩层运动及破断规律，提出了“O-X-F-T”覆岩演化模型，合理解释了开采过程中随着开采范围的扩大，覆岩结构运动逐步强烈、冲击危险性逐步增加的现象；并在研究过程中，对覆岩结构不同形态的形成过程、覆岩结构特征、覆岩结构失稳条件、以及对煤岩体的应力影响规律进行了详细研究；本课题全面考虑了静载应力及动载应力对煤岩体应力状态及冲击危险状态的影响规律，通过试验研究，直观再现了在静载一定的情况下，随着动载的提高，巷道煤岩破坏程度逐步增加的现象；理论分析了顶板-煤体组合系统的能量演化过程及冲击失稳条件，得到了顶板静载作用下对煤体冲击的本质影响特性；并采用数值计算得到了不同动静载组合关系对煤体的应力状态影响规律，即在动静载之和一定的条件下，高静载 低动载组合相比低静载 高动载组合更易引起冲击，为了维护巷道围岩稳定，研究了不同支护方式下，动、静载对围岩的破坏影响程度，发现当震动能量在10E6J级别左右时，采用锚网索 帮部锚索加强支护，巷道围岩能够得到较好的控制，但随着矿震能量的增加，当震动能量超过10E7J时，已不能维持巷道围岩的稳定，此时需要配合使用更高强度的支护方式，如“O”型棚、门式液压支架等全断面支护方式。围绕本课题研究主题，分析了诱冲关键层对煤体冲击影响的作用机理，对上覆不同层位岩层、即主关键层和亚关键层的结构特征及失稳条件进行了分析，得到了关键层主动与被动失稳对冲击的不同影响程度，确定了被动失稳关键层将对冲击产生更为明显的影响，同时在关键层失稳过程中，产生的矿震动载传递到煤体，将引起动静载叠加，在满足动静载组合临界条件时将引起煤体冲击破坏，该研究结果具有理论和现场冲击灾害防治指导意义，即，可通过分析地质和开采条件，或通过微震监测覆岩矿震活动规律，提前确定诱冲关键层，通过采取诱冲关键层预裂等措施，可降低冲击矿压危险。本课题相关研究成果以论文、专利、专著、软件著作权等形式得到公开发表，在同行中得以交流，衍生的技术成果在现场实践中得到了较广泛的应用，取得了良好的效果。 2100433B

监测预警准确率低和解危措施缺乏针对性是煤矿冲击矿压事故频发的主要原因。开采煤体往往同时受到静载与动载的综合影响，顶板对煤体的影响在岩层层位上已经不再局限于一般认为的低位老顶岩层范围，高位岩层也起着重要的影响作用，故正确认识和确定诱发冲击矿压灾害的主要岩层，即诱冲关键层，是提高预警准确率和解危措施有效性的关键。以行业需求和学科前沿为导向，项目拟研究5个方面内容，解决4个关键科学问题，达到3个研究目标。从力学机理上探讨上覆岩层运动规律、破断步距、来压强度、震源能级及震动波传播衰减规律，理论分析和试验研究确定煤体冲击破坏的动静载对应关系，考虑动静载荷综合作用划分冲击危险等级，从层位、岩性、厚度、强度和震动能量等方面分析顶板型冲击矿压的主要影响岩层及其判别方法，确定诱发冲击的关键岩层，提出冲击危险的煤体静应力监测与顶板震动监测相结合的动静载组合监测技术指标，为预测和弱化控制冲击灾害提供支持。

本项目以北京平原区为研究背景区，以地下水超量开采降落漏斗为典型研究区，系统研究地下水降落漏斗区动静载荷演化诱发形变机理。在传统水准网、GPS（全球定位系统）网、地下水监测网等基础上，采用多基线、多模式、多视角相位组分分解InSAR（合成孔径雷达干涉测量）技术，获取高精度区域三维形变场信息，提高动静载荷作用下的区域地面沉降监测的能力与精度；在系统研究地下水流场系统演化与地面沉降响应的基础上，结合土工实验、地球物理勘探等手段，揭示地下水降落漏斗区动静载荷（城市密集建筑群、立体交通网络设施）演化模式下的地面形变场响应机理；为区域地面沉降调控提供理论依据及技术方法。

冲击矿压是煤矿深部开采最为严重的动力灾害之一，呈现急剧增多、增强的趋势。煤在动静载组合作用下的动力学响应特征是煤矿冲击矿压研究的基础科学问题，对于揭示冲击矿压机理、指导冲击矿压监测及治理具有重要作用。本项目针对煤矿采动动静载组合作用下煤的动力学特性，首先采用微震监测技术进行煤矿井下原位测试，得到煤矿采动动载应变率、强度、波组等特征，在此基础上采用动静载疲劳试验系统、煤岩损伤过程试验系统、高速摄像系统及微观扫描系统试验研究煤的动力学特性与动载应变率、强度、波组等特征之间的相关性，以及不同动静载组合条件下煤的损伤破坏过程中微观、宏观断裂损伤特征和声电物理效应规律，以期建立煤矿采动动载条件下煤的动力学本构关系，揭示煤的能量积聚及耗散规律、煤的冲击倾向特性与采动动载作用方式的相关性、微观及宏观损伤破坏规律、煤在动静载组合作用下冲击破坏的声电物理效应规律等，构建基于动静组合的煤的冲击危险评价方法。

冲击矿压是煤矿深部开采最为严重的动力灾害之一，呈现急剧增多、增强的趋势。煤在动静载组合作用下的动力学响应特征是煤矿冲击矿压研究的基础科学问题，对于揭示冲击矿压机理、指导冲击矿压监测及治理具有重要作用。本项目针对煤矿采动动静载组合作用下煤的动力学特性，首先采用微震监测技术进行了煤矿井下原位测试，得到了煤矿采动动载的传播规律、应变率、强度、持续时间、波组等特征，煤矿采动动载应变率一般小于10-1/s，对煤矿载荷状态进行了分类，在此基础上采用动静载岩石力学试验系统、声发射系统、高速摄像系统试验研究煤的静力学及动力学特性与应变率之间的相关性，以及不同动静载组合条件下煤的损伤破坏过程中微观、宏观断裂损伤特征和声发射效应规律，建立了煤矿采动动载条件下煤的动态力学参数与应变率之间的耦合关系，揭示煤岩体冲击破坏过程中能量积聚及耗散规律、煤的冲击倾向特性与采动动载的相关性、微观及宏观损伤破坏规律、煤在动静载组合作用下冲击破坏的声电物理效应规律等，构建基于微震监测的静载CT反演与动载扰动系数的动静组合的煤的冲击危险评价方法，并提出了切顶巷弱化动载，减弱静载的冲击矿压防治方法。研究成果为基于动静载防治冲击矿压奠定了基础。 2100433B