【摘要】：為了分析實(shí)施水力割縫、沖孔等水力化卸壓增透技術(shù)后的煤層在煤巷掘進(jìn)中發(fā)生的煤壁片幫、打鉆卡鉆等問題,采用物理相似模擬結(jié)合顆粒流軟件PFC數(shù)值模擬的方法,模擬分析了圍壓條件下切槽煤層內(nèi)部應(yīng)力、裂隙的動態(tài)演化過程,探討了煤層切槽后的損傷破壞特征。結(jié)果表明:煤層內(nèi)有多個(gè)切槽分布時(shí),相鄰切槽端出現(xiàn)應(yīng)力集中且煤體損傷發(fā)育,而切槽面上下側(cè)煤體的卸壓作用顯著;隨著切槽厚度的增大,切槽面卸壓效果增強(qiáng),煤體易損傷變形,孔隙率隨之顯著增大。煤層內(nèi)切槽會增強(qiáng)煤體應(yīng)力場和裂隙場的不均一性,切槽端和邊界處應(yīng)力集中使煤體不穩(wěn)定,設(shè)計(jì)合理的切槽尺寸是降低煤巷打鉆與巷道維護(hù)難度的有效方法。
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圖片說明： 物理相似模擬和顆粒流PFC數(shù)值模擬方法，模擬分析了圍壓下切槽煤體的應(yīng)力、損傷演化過程，直接論證了切槽煤體應(yīng)力嘗裂隙場的分布特征，以客觀揭示水力割縫、沖孔煤層的應(yīng)力損傷。1切槽煤層損傷演化的物理模擬1.1相似模型設(shè)計(jì)相似模擬試驗(yàn)是以相似理論為基礎(chǔ)的模型試驗(yàn)技術(shù)，是一種用于對理論研究結(jié)果進(jìn)行分析和比較的有效手段［18］。由于裂隙擴(kuò)展在實(shí)際中監(jiān)測很困難，試驗(yàn)中通過監(jiān)測煤體中的應(yīng)力演化與數(shù)值模擬相結(jié)合進(jìn)行分析。古漢山礦1603工作面二1煤層埋深約400m，煤層厚度約5m，相似模擬模型設(shè)計(jì)如圖1所示。模型中分別設(shè)計(jì)大切槽、中等切槽和小切槽3種，3種切槽的長度×寬度均為400mm×100mm，切槽的厚度分別為60、40和20mm;每種切槽均設(shè)計(jì)2條，通過預(yù)先在設(shè)計(jì)位置埋設(shè)長方形鋼盒子實(shí)現(xiàn)，試驗(yàn)時(shí)將鋼盒抽出后形成切槽，相鄰切槽的兩端距離均為100mm。采用動靜態(tài)應(yīng)變儀監(jiān)測預(yù)埋的土壓力盒傳感器監(jiān)測應(yīng)力變化，土壓力盒主要布置于切槽之間和切槽上下方，包括煤層與頂?shù)装褰唤缣�，具體尺寸設(shè)計(jì)如圖1所示。X－2型土壓力傳感器;2—預(yù)制切槽;B、M、U為傳感器編號圖1煤層內(nèi)切槽相似模擬模型設(shè)計(jì)ig.1Simulationmodeldesignofcoalseamslotting模型五面受限制，通過模型上方液壓油缸加載應(yīng)力。煤層、頂?shù)装鍘r層的相似材料容重與實(shí)際巖體的比為1∶10，幾何相似比按1∶10設(shè)計(jì)，由相似第一定律式可知，應(yīng)力相似比為1∶100。液壓油缸壓力σ0與壓板壓力σz的關(guān)系見式(1):σz=πr2σ0/a2(1)式中:r為油缸半徑;a為正方形加載壓板邊長。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式σ=γH，γ為容重，在煤層埋深H約400m時(shí)，地應(yīng)力約為10MPa，即相似模擬中的σz為0.1MPa。根據(jù)加載油缸的半徑為6mm，壓板邊長為46mm，可以推算油缸壓力
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圖片說明： 2015年第12期煤炭科學(xué)技術(shù)第43卷1450kg/m3，球－球接觸模量為0.8GPa，顆粒剛度比為1.0，顆粒間摩擦因數(shù)為0.5。顆粒與顆粒之間采用平行粘接，煤層內(nèi)的顆粒粘接模量為0.8GPa，法向與切向應(yīng)力均值均為4MPa，法向與切向應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)偏差均為0.01MPa。頂?shù)装鍘r層的參數(shù)設(shè)置相同，其粘接強(qiáng)度是煤層的5倍。為了模擬圍壓限制條件，對模型的四面墻設(shè)置限制條件，模型的顆粒分布如圖3a所示;在煤體中按照圖3b所示的布置方式挖槽，并進(jìn)行模型初始平衡。為了記錄切槽周圍煤體的損傷變化，設(shè)計(jì)直徑為100mm的損傷參數(shù)考察單元體，如圖3b所示。數(shù)值計(jì)算中在豎直方向上按一恒定速度進(jìn)行加載，模型的側(cè)墻采用伺服控制，保持恒定的圍壓條件。數(shù)值計(jì)算步長為15萬步，分別對8萬、12萬和15萬步的模型粒子結(jié)構(gòu)，顆粒接觸力、裂紋分布進(jìn)行記錄，并對每個(gè)單元體內(nèi)的參數(shù)進(jìn)行記錄。PFC中定義了描述顆粒間相互接觸情況的配位數(shù)，計(jì)算中可以通過記錄單元體配位數(shù)的變化分析煤體損傷破壞的程度。圖3顆粒流模型及切槽分布Fig.3Particleflowmodelandslotsdistribution2.2煤層損傷演化分析模型粒子結(jié)構(gòu)、應(yīng)力和裂隙分布如圖4所示，隨著加載步長的增大，大切槽周圍先發(fā)生變形位移，顆粒向槽中運(yùn)移填充，，切槽周圍煤體變形顯現(xiàn)，切槽空間縮小;模型中小切槽和中等切槽區(qū)域應(yīng)力顯現(xiàn)，相鄰切槽間應(yīng)力集中顯著，隨著計(jì)算步長增大，大切槽和中等切槽區(qū)域應(yīng)力降低，而小切槽區(qū)域應(yīng)力集中一直很大;相鄰切槽間煤體的裂紋發(fā)育，應(yīng)力加載初期，大切槽和中等切槽區(qū)域裂紋發(fā)育，隨著加載時(shí)長增加，大切槽周圍裂紋擴(kuò)展不顯著，但張拉破裂明顯增多，中等切槽周圍裂紋增多，以剪破裂為主，小切槽周圍裂紋增多并向頂?shù)装鍞U(kuò)展，切槽邊界煤體裂紋發(fā)育顯著。小切槽周圍A、B單
【作者單位】： 煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院;煤炭資源高效開采和潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭科學(xué)研究總院);中國礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院;
【基金】：國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2011CB201206) 國家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2011ZX05040-001,2011ZX05063-009) 國家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(51444006)
【分類號】：TD712.6;TD353

【參考文獻(xiàn)】

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【共引文獻(xiàn)】

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【相似文獻(xiàn)】

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本文編號：2514166