深部矿井复合动力灾害机理与钻屑多指标监测研究

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冲击地压和煤与瓦斯突出复合动力灾害是深部矿井开采过程中面临的一种由冲击地压和煤与瓦斯突出共同作用的复杂动力现象。与单一的冲击地压或煤与瓦斯突出相比,复合动力灾害的发生机理更加复杂,预测防治难度更大,给煤矿的安全开采带来了更多的技术难题。为此,本文首先对冲击地压和煤与瓦斯突出复合动力灾害的致灾机理进行了研究,在此基础上提出了复合动力灾害钻屑多指标监测方法,并对该方法进行了理论和试验研究。论文的主要研究内容及研究成果如下:通过统计分析平煤集团、阜新矿区、抚顺老虎台矿、龙煤集团、江西乐平沿沟矿、陕西韩城下峪口矿、河南洛阳新义矿等煤矿发生的典型冲击地压和煤与瓦斯突出复合动力灾害案例,分析了复合动力灾害的特点和影响因素。统计分析结果得出复合动力灾害具有冲击地压和煤与瓦斯突出的双重特点,通常发生在地质结构比较复杂、煤层埋深较大的区域,灾害发生时容易诱发瓦斯爆炸等次生灾害;影响复合动力灾害的主要因素有煤岩体应力、煤层瓦斯、煤岩体性质等。对原煤试件进行了有效围压为零的类单轴压缩试验,研究了瓦斯压力对煤岩体力学性质和冲击倾向性的影响。试验结果表明,随着瓦斯压力的增大,煤岩体的抗压强度降低,弹性模量减小,峰值应变减小,冲击倾向性减小;瓦斯对煤岩体力学性质和冲击倾向性的影响随着瓦斯压力的增大而逐渐变弱。根据灾害孕育发生过程中能量释放的主体和形式,将煤岩瓦斯动力灾害分为冲击地压、突出诱导冲击型复合动力灾害、冲击诱导突出型复合动力灾害、煤与瓦斯突出四种类型。分析了冲击地压和煤与瓦斯突出复合动力灾害的统一发生机理。基于复合动力灾害的统一发生机理建立了复合动力灾害的数学模型,给出了模型的定解条件,以圆形巷道为例,对冲击地压、煤与瓦斯突出复合动力灾害进行了解析分析,推导出了复合动力灾害临界煤岩体应力的表达式,分析了冲击地压和煤与瓦斯突出的诱发转化机理。提出了将钻头温差、钻杆扭矩、钻屑量等指标相结合的钻屑多指标监测冲击地压、煤与瓦斯突出复合动力灾害的方法。分析了钻头温差指标和钻杆扭矩指标监测复合动力灾害的原理,推导出了钻头温差、钻杆扭矩的表达式。自主研发了复合动力灾害钻屑多指标监测设备,建立了钻屑多指标测试试验系统,试验研究了钻头温差指标和钻杆扭矩指标的变化规律,并将测试结果与钻屑量的测试结果进行了对比分析。研究结果表明:在其余试验条件相同的情况下,钻头温差和钻杆扭矩均随着煤岩体应力的增大而增大;最大钻头温差、钻头温差变化速率、钻杆扭矩均与煤岩体应力基本呈线性递增关系;钻头温差指标和钻杆扭矩指标与钻屑量指标的变化规律具有较好的一致性。以平顶山煤业(集团)有限责任公司八矿为工程背景,分别在巷道和工作面对钻屑多指标监测复合动力灾害技术进行了现场应用。通过打钻过程中的钻头温差、钻杆扭矩和钻屑量指标,判断了工作面前方煤体卸压区、应力集中区和原岩应力区的分布情况。论文通过SPSS软件的回归分析方法初步确定了平煤集团八矿戊9-10-12160工作面钻头温差的临界指标为33.0℃,钻杆扭矩的临界指标为37.0N·m。
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