復(fù)雜環(huán)境下煤巖體耦合致裂基礎(chǔ)與應(yīng)用研究.pdf

1、復(fù)雜條件下特厚煤層綜放開采的關(guān)鍵是提高頂煤冒放性、降低煤巖體應(yīng)力集中。注水和爆破作為煤巖體致裂有效的手段得到廣泛使用。煤巖體結(jié)構(gòu)及其材質(zhì)的天然復(fù)雜性導(dǎo)致煤巖體耦合致裂問題是一個涉及煤/巖-裂隙-水-爆生氣體多介質(zhì)互相作用的復(fù)雜過程。研究固-液耦合體的耦合致裂機(jī)制、效果優(yōu)化和煤體離散化的微觀參數(shù)制取等有著重要的科學(xué)意義和工程應(yīng)用價值。
　　論文以復(fù)雜環(huán)境下急傾斜煤巖體的耦合致裂為背景，采用理論分析、巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、

2、現(xiàn)場監(jiān)測和工業(yè)試驗(yàn)相結(jié)合的方法開展研究。取得的主要成果有：
　　(1)急傾斜煤層開采環(huán)境與應(yīng)力條件復(fù)雜。急傾斜煤層頂板巖體裂隙發(fā)育不顯著，整體較為致密，易產(chǎn)生重力坍塌等動力災(zāi)害問題。工作面還面臨特厚煤層的有效弱化、堅硬頂板巖石的卸壓難題，涉及到采掘工作面相遇期間的應(yīng)力集中、歷史上小煤窯采煤情況不明、硫化氫氣體以及動力災(zāi)害頻發(fā)的影響，開采環(huán)境與應(yīng)力條件復(fù)雜。
　　(2)煤體冒放性的提高主要與爆破致裂產(chǎn)生的宏觀裂隙區(qū)有關(guān)，對于某

3、些嚴(yán)格控制爆破擾動的工程需將微觀裂紋納入到考慮范圍內(nèi)。爆炸后形成的壓碎區(qū)、裂隙區(qū)與炸藥性能及被爆體的物理力學(xué)特性有關(guān)，壓碎區(qū)半徑和裂隙區(qū)半徑各自與炸藥半徑的比值并不會隨著炸藥半徑的增大而增大，但壓碎區(qū)和裂隙區(qū)半徑隨裝藥量的增加而加大。
　　(3)確定了評估注水致裂強(qiáng)度劣化的評估指數(shù)。尺寸效應(yīng)的存在使得試件破壞水壓呈上升趨勢，破壞水壓和試件半徑R/鉆孔半徑r呈現(xiàn)出較好的相關(guān)性，隨著試件所需破壞范圍的加大要求水壓愈大。在滲透水壓作用下

4、試件破壞所需荷載減小，滲透水壓較大，較早的對試件頂部產(chǎn)生破壞。掌握了注水致裂的劣化指數(shù)Y表征與滲透水壓的關(guān)系，獲得了滲透水壓與試件強(qiáng)度和峰值荷載的表達(dá)式。
　　(4)揭示了耦合致裂的致裂機(jī)制。耦合致裂的本質(zhì)是爆炸形成的爆生氣體和沖擊波共同在已軟化的煤巖體中傳播，耦合致裂效果大于兩者的簡單疊加。引入強(qiáng)度劣化率f作為評估耦合致裂效果的指標(biāo)，并給出了耦合致裂技術(shù)實(shí)施時裂紋的擴(kuò)展準(zhǔn)則，獲得了耦合致裂主要參數(shù)與強(qiáng)度劣化程度f的關(guān)系。實(shí)現(xiàn)了煤

5、體整體-散體的等效轉(zhuǎn)化，獲得了等效耦合致裂效果的離散元細(xì)觀參數(shù)，建立了不同強(qiáng)度煤體和放出率間的關(guān)系、耦合致裂參數(shù)與放出率的關(guān)系，垮放試驗(yàn)表明散體介質(zhì)流理論較適用于低位放頂煤的開采。耦合致裂不僅可以降低被爆炸體的強(qiáng)度，還可降低整體的應(yīng)力水平，減小應(yīng)力分布梯度。
　　(5)完成了煤巖體耦合致裂技術(shù)的應(yīng)用與效果的定量化評估。以復(fù)雜環(huán)境下急斜特厚煤巖體的耦合致裂為背景，制定了提高煤體冒放性和實(shí)現(xiàn)巖體卸壓的耦合致裂方案，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)完成了煤