采动空间围岩应力监测技术及应用研究

摘要

随着我国煤矿开采深度及强度不断增加,采动空间围岩应力分布变化越来越复杂,由采动围岩应力引起的煤岩失稳现象也日趋严重。采动围岩应力实时监测研究,有助于深入分析并揭示采动空间围岩应力的分布及演化规律,从而为准确预测预防冲击地压等煤岩动力灾害提供技术支持。针对现有应力计与煤岩体耦合困难,本文建立了应力计与钻孔周围煤岩体耦合力学模型;揭示了应力计与煤岩体耦合力学机理;开发了能够与煤岩体良好耦合的采动应力实时监测系统;运用该系统并结合FLAC3D等技术研究了采动空间围岩应力时空分布及其演化规律;在此基础上,提出了采掘空间采动应力临界梯度预警技术及方法,并在现场得到验证和应用。本文主要研究成果如下:
　　(1)建立了应力计与钻孔周围煤岩体耦合力学模型,揭示了应力计与煤岩体耦合力学机理,为确定应力计合理初承力及实现应力计与煤岩体的最佳耦合提供理论依据。
　　(2)发明了采动应力实时监测技术及方法,开发了采动应力实时监测系统,该系统中应力计能够与钻孔周围煤岩体自适应良好耦合,且可实现单向、双向及三向应力实时监测,并能与KJ系统进行联网运行,实现对应力数据的同步实时传输、存储与处理;提出了按照一定角度组合应力感应探头,监测以钻孔轴心为法线的平面中两个主应力大小及方向变化的方法。
　　(3)应用采动应力实时监测系统对梁北煤矿11061软煤孤岛综采工作面动压区应力进行了监测研究,并结合FLAC3D数值模拟、电磁辐射及支护阻力监测技术,综合分析了采动空间围岩应力的时空分布及演化规律。结果表明:11061软煤孤岛工作面煤体中采动应力以垂直方向为主,影响范围及变化量相对水平应力较大;煤壁前方卸压带宽度约为6m,采动影响距离约为120m,相对一般综采工作面偏大;相邻采空区叠加应力在倾向产生双应力峰值,小的应力峰值距巷帮约为6～8m,大的应力峰值距巷帮约为17m。
　　(4)提出了采掘空间采动应力临界梯度预警技术,该技术包含采动应力、钻屑量、电磁辐射、支护阻力指标,并在11061工作面进行了验证和应用。结果表明:在煤岩体物理性质、地质条件及应力状态相同条件下,随着空间应力梯度的增大,巷道片帮、变形等矿压显现程度及频率明显增大;通过爆破卸压等技术可降低煤岩体空间采动应力梯度,及时释放因围岩采动应力变化积聚的弹性能,能够有效预防煤岩动力灾害。
　　本论文有图77幅,表8个,参考文献192篇。

目录

封面

声明

致谢

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪论

1.1 选题的目的与意义（Purpose and Significance of the Selected Topic）

1.2 国内外研究现状（Research Status at Home and Abroad）

1.3 拟解决的关键问题（Key Issues Need to be Solved）

1.4 主要研究内容及研究方法（Main Research Contents and Approach）

2 采动应力监测技术及装备

2.1 应力计与煤岩体耦合分析(Coupling Analysis of Stressometer and Coal and Rock Mass)

2.2 采动应力实时监测装备设计(Design of Real-time Mining Stress Monitor Equipment)

2.3 不同介质对监测结果的影响研究(Studies of the Monitor Result Influenced by Different Medium)

2.4 压力管线对监测结果的影响研究(Studies of the Monitor Result Influenced by Pressure Line Pipe)

2.5监测应力与主应力方向的相关性研究(Studies of the Relativity of Monitor Stress and Principal Stress Direction)

2.6 本章小结(Brief Summary)

3 采动空间围岩应力分布特征及规律实测研究

3.1 采动应力分布影响因素分析(Studies of the Influencing Factors of Mining Stress Distribution)

3.2 河南梁北煤矿地应力实测(Actual Measurement of Mining Stress of LiangBei Coal Mine in HeNan)

3.3 河南梁北矿 11061 工作面采动应力监测(Mining Stress Monitor of 11061 Working Face of LiangBei Coal Mine in HeNan)

3.4 采动空间电磁辐射分布规律(EMR Distribution Law in Mining Space)

3.5 工作面液压支架工作阻力变化规律(Working Resistance Change Law of Hydraulic Support in Working Face)

3.6 本章小结(Brief Summary)

4 采动空间围岩应力分布特征及规律模拟研究

4.1 引言(Introduction)

4.2 FLAC3D 模拟软件说明(State of the FLAC3D Simulation Software)

4.3 11061 工作面采动应力分布及演化研究(Studies of the Distribution and Evolution of Mining Stress Monitor in 11061 Working Face)

4.4 本章小结(Brief Summary)

5 基于空间采动应力梯度的预警技术及应用

5.1 空间采动应力临界梯度预警技术(Warning Technology of Mining Space Stress Critical Gradient)

5.2 空间采动应力临界梯度预警指标(Warning Index of Mining Space Stress Critical Gradient)

5.3 基于空间采动应力梯度的煤岩失稳预警(Warning of Coal and Rock Instability Based on Mining Space Stress Gradient)

5.4 空间采动应力梯度控制及效果检验 (Control and Validity Check of Mining Space Stress Gradient)

5.5 本章小结(Brief Summary)

6 结论与展望

6.1 结论(Conclusions)

6.2 主要创新点(Main Innovation Points)

6.3展望(Prospects)

参考文献

作者简历

学位论文原创性声明

学位论文数据集