煤层应力状态及煤与瓦斯突出防治研究

本文以矿井动力现象显现为背景,综合采用实验室试验、现场测试、理论分析及数值模拟等研究方法,着重从应力环境入手,探讨了煤与瓦斯突出等矿井动力现象的发生条件、预测方法和防治措施的合理参数。阐述了通过建立现今地质构造模型、地应力测量和数值计算确定煤层及围岩原岩应力的方法。以取决于上覆岩层强度性质的压力角为边界,圈定出充分移动区并建立数学模型,按照影响支承压力分布的采深、压力角、煤体强度和煤层厚度四个主要因素及煤柱宽度组成数十个数值模拟方案。拟合分析数值模拟结果得出了在各种煤层赋存和开采条件下的支承压力特征参数和分布的计算式;给出了构造应力区中煤柱的应力分布规律。通过拟合分析煤样单向抗压强度的尺寸效应实验室试验和基于Weibull 分布的数值试验结果,得出了影响任意煤样强度的两个系数和由标准煤样强度计算原煤强度及煤体强度的回归公式。在多个方案数值模拟的基础上,确定了钻孔卸压的三个基本影响因素,给出了由煤层应力、煤体强度和钻孔有效直径计算钻孔破坏(卸压)半径的表达式。对钻孔突出物理试验和模拟试验结果进行综合分析,得出了发生钻孔突出的临界压力,探讨了压出型煤与瓦斯突出发生的应力条件。将研究成果和模式识别概率预测方法应用于平顶山六矿防突实践,进行了突出危险区域预测,制定了瓦斯抽放和卸压排放钻孔治理措施。