復雜環(huán)境下煤巖體耦合致裂基礎與應用研究.pdf

1、復雜條件下特厚煤層綜放開采的關鍵是提高頂煤冒放性、降低煤巖體應力集中。注水和爆破作為煤巖體致裂有效的手段得到廣泛使用。煤巖體結構及其材質的天然復雜性導致煤巖體耦合致裂問題是一個涉及煤/巖-裂隙-水-爆生氣體多介質互相作用的復雜過程。研究固-液耦合體的耦合致裂機制、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意義和工程應用價值。
　　論文以復雜環(huán)境下急傾斜煤巖體的耦合致裂為背景，采用理論分析、巖石力學實驗、數(shù)值模擬、神經(jīng)網(wǎng)絡、

2、現(xiàn)場監(jiān)測和工業(yè)試驗相結合的方法開展研究。取得的主要成果有：
　　(1)急傾斜煤層開采環(huán)境與應力條件復雜。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害頻發(fā)的影響，開采環(huán)境與應力條件復雜。
　　(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，對于某

3、些嚴格控制爆破擾動的工程需將微觀裂紋納入到考慮范圍內。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特性有關，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度劣化的評估指數(shù)。尺寸效應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系，獲得了滲透水壓與試件強度和峰值荷載的表達式。
　　(4)揭示了耦合致裂的致裂機制。耦合致裂的本質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。引入強度劣化率f作為評估耦合致裂效果的指標，并給出了耦合致裂技術實施時裂紋的擴展準則，獲得了耦合致裂主要參數(shù)與強度劣化程度f的關系。實現(xiàn)了煤

5、體整體-散體的等效轉化，獲得了等效耦合致裂效果的離散元細觀參數(shù)，建立了不同強度煤體和放出率間的關系、耦合致裂參數(shù)與放出率的關系，垮放試驗表明散體介質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度，還可降低整體的應力水平，減小應力分布梯度。
　　(5)完成了煤巖體耦合致裂技術的應用與效果的定量化評估。以復雜環(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現(xiàn)巖體卸壓的耦合致裂方案，采用神經(jīng)網(wǎng)絡完成了煤