采动力学与岩层控制关键理论及工程应用

研究岩体采动力学响应和岩层控制技术对促进煤炭安全高效开采、保障能源稳定供给具有重要意义,是实现煤炭资源科学开采的理论基础。矿山岩体灾害(围岩变形、冲击地压等)频发,其形成-演化-发生全过程与采动力演化分布、岩层运动、开采扰动和能量演化密切相关。基于实用矿山压力控制理论,提出并阐述了采场岩层控制进展与控制准则,建立了定量分析的力学模型和设计方法,发展了针对性的岩体灾害控制技术,并创新研制了配套试验研究装备。采动力学与岩层控制理论将岩层控制分为采场岩层控制和巷道围岩控制;提出控制或利用采动岩层运动改变致灾条件,给出“给定变形”和“限定变形”准则;调控“3S”因素准则(围岩应力环境、围岩结构属性、围岩支护结构)改变围岩自稳能力。以岩体灾害控制为目标,提出了以“应力主控”为核心的释能主控技术;建立了岩体灾害控制大小原理和弱面判据(安全系数K、冲击危险性系数U);研发了采场矿压机械模拟试验系统、采动力试验系统和蠕变及动力扰动冲击加载试验系统,实现了实验室尺度还原采动力作用下岩体变形-破裂-运动过程,为研究采动力作用下岩体力学响应提供了试验装备;分别从采场岩层控制、地质软岩巷道控制、工程软岩巷道控制及冲击地压控制4个方向进行了工程案例研究,相关研究成果在工程应用中得到了验证。

基于不同开采方式的煤岩采动力学特性实验研究

随着煤炭资源的深部开采,由深部复杂应力环境和开采扰动引发的岩爆、围岩大变形等地质灾害问题愈发频繁,亟需系统性探究不同初始环境下煤岩常用开采方式的采动力学行为及能量演化特征。为此,该文设计了不同开采方式采动试验路径,在常规三轴试验仪器上实现了煤岩不同开采方式的采动力学试验,从而揭示了煤岩不同开采方式下采动力学行为及能量演化特征。实验表明,相比常规三轴压缩变形特性,煤岩在采动条件下仅产生少量的体积压缩,扩容现象更早产生也更加显著;按照保护层开采、放顶煤开采和无煤柱开采的顺序,煤岩采动变形逐渐增大,煤岩采动破坏模式从张拉剪切破坏向单纯的剪切破坏发展变化,逐渐趋向于三轴压剪破坏形式,伴随的能量数值也越大,采动影响更加剧烈;随深度的增加,煤岩开采中伴随的能量增加,采动破损程度逐渐增大,煤岩开采的安全稳定性问题随之突出,开采难度也随之提高。这些实验研究结果为煤炭资源的安全高效开采提供了一定借鉴和指导。

不同开采条件下采动力学行为研究

通过分析3种典型开采条件下(放顶煤开采、无煤柱开采与保护层开采)工作面支承压力分布规律,揭示了采动影响下工作面前方煤体支承压力峰值大小及位置的采动力学特征,获得工作面前方煤体所承受的采动力学应力环境条件,据此进一步开展了不同开采条件下煤体采动力学行为的实验研究。通过升高轴向应力的同时降低围压的方式来模拟长壁工作面前方垂直应力和水平应力,获得了3种典型开采条件下煤体破坏全过程的采动力学行为和应力集中系数,以及不同开采条件下煤体破坏时的支承压力、水平应力、变形等的差异,同时揭示了工作面前方煤体的采动力学行为与开采条件的关系。

不同加载速率下煤岩采动力学响应及破坏机制

研究煤岩在不同加载模式与不同加载速率下采动力学响应及破坏机制对认清煤矿动力灾害本质具有指导意义。基于塔山煤样,先后设计与开展了单轴拉伸与压缩、常规三轴及采动力学试验。获得了不同加载模式下煤样的力学特征参量和变形破坏特性。进一步对比分析了常规三轴试验与采动力学试验煤样变形特征的差异。得到煤样破坏前吸收能量密度随着轴向加载速率的关系,揭示了应力偏量是造成试样破坏强度和吸收能量密度提高的原因,是破坏产生的本质原因,但其受控于围压的临界值,及煤样损伤发生具有的时间效应。建立了采动力学条件下考虑加卸载过程中材料损伤的煤岩黏弹性模型屈服准则,包含有效体积应力的影响、应力差的影响、轴向加载速率的影响及围压卸载速率的影响,新的黏弹性模型屈服准则可以很好地解释加卸载速率引起的材料屈服强度变化。

不同推进速度下煤岩体采动力学行为响应特征与控制

为获得不同推进速度下煤岩体的采动力学行为特征,通过轴压和围压分别模拟不同推进速度下垂直应力、水平应力,采用增轴压降围压的方式模拟煤岩体的采动力学行为,同时采用数值模拟和工程实践相结合的方法对不同推进速度下煤岩体的采动力学行为进行研究。结果表明:在围压卸载速率相同的条件下,随着轴压加载速率(推进速度)的增加,煤体的峰值强度、轴向应变和横向应变呈增大趋势,在峰值阶段产生了较大的轴向应变和横向应变,呈现出一定的延性,破坏形式具有塑性特征;在轴向加载和围压卸载的综合作用下,煤体体积一直处于膨胀变形状态,围压的卸载加速了煤体损伤破坏的进程,煤体破坏时的峰值应力和体积扩容受控于围压卸载的程度,控制轴压加载速率和围压卸载程度可控制煤体破坏时的峰值应力和体积变形。生产实践中,应结合煤岩体的采动力学行为特征,确定合理的推进速度并加以控制,以保证回采巷道与采场围岩的稳定性。

不同卸载速率下煤岩采动力学响应试验研究

深刻认识采动应力路径下岩体力学响应的卸载速率效应,是科学界定实际工作面推进最优速率的重要基础。基于平煤矿区煤岩初始地应力环境,定量分析了千米级赋存深度煤岩保护层开采条件下应力演化特征,展开更为符合真实应力状态的不同卸载速率下煤岩体力学行为试验测试;同时,与未考虑采动试验结果进行对比分析。研究结果表明:1)常规三轴压缩试验,试样强度受卸载速率影响较小,在卸载速率为1-4 MPa/min时,强度并无明显变化;达到5 MPa/min时,强度才有明显的上升,约为115 MPa。2)随卸载速率增加,采动过程中煤岩体强度呈现先下降后上升再下降的趋势;卸载速率为1和4 MPa/min时,煤岩体强度达到最大,其峰值应力约为64 MPa,较卸载速率3 MPa/min时提高了12%。3)低卸载速率下试件内部的微小裂隙可以充分发育、扩展,试样裂隙密度随卸载速率增加呈减小趋势,其中,卸载速率为1 MPa/min的试样裂隙密度约为卸载速率为5 MPa/min时的1.61倍,适当降低开采速度可提高瓦斯抽采效率。4)考虑采动影响的不同卸载速率下,煤岩不仅在卸载前期出现体积压缩,在破坏阶段还出现了体积膨胀,这与未考虑采动影响的煤岩卸载全过程始终处于压缩状态有明显区别,且采动煤岩强度更小,破损程度更大。研究成果可为类似地质条件开展保护层开采设计奠定一定的理论基础。

综放工作面顺序放煤采动力学分析

为研究综放工作面顺序放煤下的围岩受力特征及采动力学记录,对煤厚为11m的顺序放煤工序进行了数值模拟,结果表明,对于11m厚煤岩顺序放煤,顶煤下部的竖向应力值均大于煤岩上部和中部的竖向应力,顶煤中部应力分布较为均一,为顶煤高度方向应力最小的部位,从顶煤应力云图及应力状态分布曲线可以得到,顶煤下部是煤岩应力增幅最大的部位。

温度对采动作用下含瓦斯原煤力学和变形的影响

以原煤为研究对象,利用"含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置",开展温度对采动作用下含瓦斯煤力学特性的影响研究.研究表明:1)在相同初始围压、气压和温度下,与恒定围压相比,卸围压煤样屈服段缩短,峰值应力和对应的轴向应变降低,横向应变速率增大,侧向膨胀系数和变形模量的演化进程加速;2)在相同初始围压和气压下,随温度升高,卸围压煤样强度降低,峰值应力处各应变均减小,侧向膨胀系数和变形模量均增大;3)高温环境下,煤岩发生失稳破坏和瓦斯突出的危险性变大,对采煤工作面巷道支护和瓦斯突出防治提出了更高的要求.

采动岩体能量释放及灾变机制研究

岩石硐室开挖或巷道掘进过程中,材料的采动力学行为取决于应力场的真实转换过程,是对应力场的真实响应,区别于材料本征力学行为。由此,设计采动力学试验,依据开挖过程中煤岩体支承压力与水平应力响应过程,从理论上与传统常规三轴试验材料本征力学行为结果对比,讨论采动力学行为下应变软化过程能量释放特性及突发性。进一步对地应力在能量存储的构成进行讨论,认为采动力学试验破坏所需要的能量远小于传统试验,合理解释煤岩体发生动力破坏的机制,浅部也有可能发生动力破坏,高地应力是能量聚集的主导因素,是发生动力破坏的必要条件而非充分条件。