采动作用下复合坚硬顶板破断失稳及预裂弱化特征
李延军
中煤科工西安研究院(集团)有限公司,陕西西安 710077
摘要：采动过程中坚硬顶板破断弹性应变能瞬间释放诱发冲击灾害.特别是在蒙陕矿区,随着开采深度增加,煤层上方存在多层坚硬顶板,其复合作用下顶板结构失稳诱冲机理复杂,导致采场冲击灾害难以控制,威胁矿井生产安全.以纳林河二号矿井31104工作面复合坚硬顶板条件下冲击灾害防治为工程背景,采用理论分析、物理相似模拟试验与现场监测相结合的研究方法,构建了复合坚硬顶板断裂力学模型,分析了复合坚硬顶板结构稳定性特征和矿压显现规律,揭示了复合坚硬顶板破断失稳规律及预裂弱化特征.结果表明:复合坚硬顶板工作面开采初期,下位坚硬顶板易形成悬臂梁结构,其周期性破断形成工作面周期来压,平均来压步距21.2 m,上位坚硬顶板受下部垮落矸石支撑作用,易形成砌体梁结构;工作面推进至一次见方位置时,上位砌体梁结构回转失稳协同下位悬臂梁结构切落失稳,上位、下位坚硬顶板协同运动导致转动惯量增大,破断岩块回转能量迅速升高,造成采空区强矿压现象.复合坚硬顶板预裂弱化后,内部形成大量裂隙,下位坚硬顶板能充分、及时垮落,工作面周期来压步距减小,平均来压步距15.2m,较预裂前减少28.3％,下位坚硬顶板垮落矸石对上位坚硬顶板支撑约束作用减弱,破断岩块回转幅度和能量减小,上位、下位坚硬顶板协同破坏作用得到有效抑制.推进至一次见方位置,复合坚硬顶板预裂后,微震事件总能量和煤体超前应力峰值较预裂前分别降低62.5％和31.5％.现场工程试验表明,复合坚硬顶板预裂后,顶板微震事件总能量、频次和单刀能量分别降低了 62.17％、56.32％和71.92％;工作面平均周期来压步距、来压范围、来压前峰值和来压时峰值降幅分别为53.5％、38.03％、8.63％和5.96％,表明定向水压预裂能有效抑制工作面见方位置强矿压现象.研究成果可为复合坚硬顶板冲击灾害防治提供有益借鉴.
关键词：复合坚硬顶板强矿压砌体梁-悬臂梁结构水压预裂微震能量
分类号：TD327(矿山压力与支护)TD324(矿山压力与支护)
资助基金：国家科技重大专项(2016ZX05045-002)中煤科工集团西安研究院有限公司科技创新基金资助项目(2019XAYZD09)中煤科工集团西安研究院有限公司科技创新基金资助项目(2019XAYMS19)
论文发表日期：2025-06-30
在线出版日期：2025-08-15（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：13( 2909-2921 )
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