【摘要】：隨淺部煤炭資源開采殆盡,煤炭開發(fā)將不斷走向地球深部,千米級深部煤炭資源開采將逐漸成為資源開發(fā)新常態(tài);而深部煤炭大規(guī)模高強度開采導(dǎo)致的頂板劇烈來壓、高能級礦震等動力擾動現(xiàn)象越來越多,且經(jīng)歷高強度應(yīng)力集中峰值的采動圍巖在煤層開采后將形成強烈的卸荷效應(yīng),加之地應(yīng)力水平增加伴隨的巖溶水壓升高等因素誘發(fā)的強擾動特征越來越突出,特別是在深部水文地質(zhì)條件復(fù)雜條件下,由于地應(yīng)力和巖溶水壓增大,使得深部巖體結(jié)構(gòu)的有效應(yīng)力升高,驅(qū)動煤巖體內(nèi)原生裂隙、節(jié)理發(fā)生損傷、擴展變形、失穩(wěn)破裂或貫通,極易導(dǎo)致劇烈來壓、底板高承壓水突水等高能級、大體量的工程災(zāi)害頻發(fā)。因此,針對深部開采大埋深、高應(yīng)力、高水壓、強擾動等導(dǎo)致的重大難題,深入研究深部地應(yīng)力環(huán)境以及工程擾動影響下的采動底板裂隙巖體破裂機制及模型,提出利于深部安全高效低生態(tài)損害開采的控制技術(shù),從而為我國深部煤炭資源獲取提供強力支持,對指導(dǎo)深部礦井安全生產(chǎn)及預(yù)防重大工程災(zāi)害事故具有重要意義。本文綜合運用理論分析、數(shù)值模擬、實驗室試驗及現(xiàn)場實測等多種研究方法,以深部煤炭開采過程中的強擾動作用為主線,系統(tǒng)分析了深部開采基本頂巖梁失穩(wěn)對底板的擾動破壞作用,借助彈塑性力學(xué)、卸荷巖體力學(xué)等理論對深部開采底板巖體的破壞模式、裂隙擴展破裂機制、卸荷損傷破裂的強擾動危險性及工程尺度效應(yīng)進行了詳細的探究,取得的主要結(jié)論和創(chuàng)新性成果如下:(1)深部強擾動底板裂隙巖體破壞行為及破壞模式(1)基于深部開采強擾動底板破壞及采場礦壓顯現(xiàn)特征,分析了基本頂劇烈來壓將導(dǎo)致底板巖體的非均勻破壞行為;結(jié)合現(xiàn)場微震監(jiān)測,獲得了深部開采底板巖體的破裂行為:動載擾動期間采空區(qū)頂?shù)装逍纬闪艘詨毫拜S線形式為主的卸荷優(yōu)勢破裂帶;采場超前實體煤側(cè)頂?shù)装逡阅芰縀_J5×10~3J的低能級微震事件為主,而采空區(qū)側(cè)以E_J5×10~3J的高能級微震事件為主;頂板高能級微震事件總數(shù)與底板微震事件總數(shù)正相關(guān)。(2)結(jié)合基本頂巖梁結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的動載擾動作用,將深部開采底板破壞模式劃分為加載破壞模式和卸荷反彈破壞模式兩種。根據(jù)基本頂巖梁失穩(wěn)的結(jié)構(gòu)形式,基于塑性鉸理論分別建立了基本頂初次失穩(wěn)、懸臂梁結(jié)構(gòu)失穩(wěn)及砌體梁結(jié)構(gòu)失穩(wěn)底板加載破壞模型,應(yīng)用能量原理探討了基本頂結(jié)構(gòu)失穩(wěn)對煤壁端部和采空區(qū)觸矸區(qū)域底板的加載破壞作用,獲得了采空區(qū)側(cè)基本頂巖梁梁端破斷位置距煤壁的距離,并指出動載擾動時處于基本頂巖梁梁端的煤壁端部和采空區(qū)觸矸區(qū)域底板將形成明顯的端部效應(yīng)區(qū)和觸矸效應(yīng)區(qū)�；诘装鍓毫拜S線定義了底板應(yīng)力的卸荷反彈作用,建立了基本頂巖梁結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的底板卸荷反彈破壞模型;動載擾動作用下,位于基本頂巖梁梁端的煤壁端部及觸矸區(qū)域應(yīng)力增高,并不斷向底板深部傳遞導(dǎo)致底板壓力拱及卸荷反彈區(qū)變化,卸荷應(yīng)力及卸荷破壞深度增加,底板變形量增加,裂隙擴展破裂程度加劇。(3)應(yīng)用彈性理論推導(dǎo)出了作用于煤壁端部及觸矸區(qū)域的擾動應(yīng)力和動載擾動下底板的最大破壞深度,得出了基本頂來壓與底板破壞深度的關(guān)系:來壓步距越大,動載擾動作用于煤壁端部及觸矸區(qū)域底板的擾動應(yīng)力越大;受直接頂及矸石墊層壓縮量影響,底板應(yīng)力非線性增長;隨基本頂來壓步距增大,底板破壞深度先增加后趨于穩(wěn)定;頂板劇烈來壓等動載擾動的周期性造成了底板破壞的周期性。(2)深部開采底板煤巖體裂隙擴展破裂機制及模型(1)根據(jù)底板應(yīng)力分布及3DEC數(shù)值模擬,在基本頂巖梁失穩(wěn)擾動下,采場底板垂直應(yīng)力分布形成了明顯的端部效應(yīng)區(qū)、卸荷區(qū)及觸矸效應(yīng)區(qū),建立了底板裂隙擴展破裂模型,細化了底板應(yīng)力及裂隙擴展破裂分區(qū),根據(jù)分區(qū)應(yīng)力大小給出了對應(yīng)的裂隙擴展類型,并應(yīng)用三軸滲流試驗、現(xiàn)場地質(zhì)雷達探測進行了驗證。(2)在端部效應(yīng)區(qū)根據(jù)垂直應(yīng)力σ_1大小劃分了底板裂隙的變形擴展階段,給出了裂隙產(chǎn)生摩擦滑動、自相似擴展及失穩(wěn)擴展變形的臨界應(yīng)力,其分別為σ_(1(0))、σ_(1(c))及σ_(1(cc))。當(dāng)σ_1σ_(1(0))時,底板巖體處于彈性階段;當(dāng)σ_(1(0))σ_1σ_(1(c))時,原生裂隙摩擦滑動變形;σ_(1(c))σ_1σ_(1(cc))時,裂隙自相似擴展;σ_(1(cc))σ_1時,裂隙失穩(wěn)擴展,部分裂隙卸載變形并造成底板巖體局部損傷劣化;當(dāng)動載擾動強度導(dǎo)致σ_1峰值超過煤巖體極限強度時,以壓縮閉合變形為主,失穩(wěn)擴展裂隙部分閉合。(3)在卸荷區(qū)根據(jù)σ_1卸荷水平將裂隙擴展破裂劃分為卸荷至水平應(yīng)力σ_3、零或拉應(yīng)力階段,分別給出了σ_1卸荷至σ_3反向滑移、σ_1卸荷至零或拉應(yīng)力產(chǎn)生彎折失穩(wěn)擴展和張開貫通的臨界應(yīng)力條件。當(dāng)擾動強度增大時,裂隙反向滑移的臨界應(yīng)力增大,而σ_1卸荷范圍增大進一步加劇了反向滑移變形;當(dāng)σ_1卸荷至零或拉應(yīng)力時,由于動載擾動下卸荷起點提高,加之已歷經(jīng)次生裂隙及反向滑移擴展,裂隙將以彎折失穩(wěn)擴展和張開貫通擴展為主。同時,擾動強度越大,底板端部應(yīng)力越大,卸荷起點越高,滿足底板裂隙失穩(wěn)擴展的應(yīng)力條件越多,越利于裂隙擴展。(4)結(jié)合巖體滲流特征分析了深部高承壓水的滲透擴展作用:在端部效應(yīng)區(qū)當(dāng)σ_1σ_(1(cc))時,有效應(yīng)力σ_(ne)增大,擾動加載滲透系數(shù)K減小;當(dāng)σ_1σ_(1(cc))時,次生裂隙失穩(wěn)擴展導(dǎo)致裂隙數(shù)量增加,K增大;當(dāng)擾動強度增大至底板應(yīng)力大于煤巖體極限強度時,K減小。而在卸荷區(qū),卸荷起點越高,裂隙巖體有效卸荷量越大,卸荷滲透系數(shù)K′越大,當(dāng)卸荷至一定值時K′突變增加;且擾動強度越大,K′的突變深度越深,當(dāng)K′突變增加的巖層深度大于隔水層厚度時將誘發(fā)底板突水。(3)深部強擾動底板裂隙破裂貫通模式(1)應(yīng)用二維相似材料模型開展了深部開采底板巖體裂隙擴展破裂的演化過程試驗,將開采卸荷作用下底板裂隙的擴展貫通劃分為傾斜裂隙貫通模式和近似垂直裂隙貫通模式兩種。傾斜裂隙貫通模式的主裂隙傾斜擴展演化,分支裂隙向采空區(qū)方向擴展,直至與煤系地層水平層理斜交;而近似垂直裂隙貫通模式的主裂隙近似垂直,分支裂隙發(fā)育長度較短,且與水平層理溝通較少。(2)隨加載擾動強度增加,分支裂隙不斷發(fā)育,且優(yōu)先溝通原生裂隙,并不斷向深部擴展,直至裂隙貫通;隨裂隙擴展程度增加,裂隙網(wǎng)絡(luò)分形維數(shù)增加;底板裂隙發(fā)育的優(yōu)勢角度為50~85°,并由主裂隙傾角決定;近似垂直裂隙貫通模式時優(yōu)勢角度更集中,多在70~82°,而傾斜裂隙貫通模式則較分散;同時,主裂隙傾角越大,分支裂隙越少,越不易溝通水平層理。(4)深部開采底板巖體卸荷損傷破裂模型及強擾動危險性(1)運用3DEC計算分析了深部開采底板巖體卸荷損傷的強擾動特征:隨采深增加,深部巖體卸荷起點及卸荷應(yīng)力增加,卸荷量降低;隨垂直應(yīng)力卸荷量增加,卸荷速率非線性增加,卸荷量越大,卸荷速率越快;采深越大,卸荷速率增加越快,其突變時的卸荷量越低;隨垂直應(yīng)力卸荷量增大,巖體垂直位移量增加,并最終導(dǎo)致失穩(wěn)突變;深部巖體較小的卸荷量即可致嚴重損傷破壞。(2)基于卸荷理論建立了底板巖體卸荷損傷破裂模型,推導(dǎo)了裂隙巖體卸荷擴展破裂條件,提出了底板巖體卸荷損傷擾動分區(qū),并根據(jù)卸荷量將底板垂向自上而下依次劃分為卸荷破壞區(qū)、卸荷擴展區(qū)和卸荷滲透區(qū),結(jié)合承壓水的滲透擴展作用評價了底板裂隙損傷破裂的擾動危險性,提出了相應(yīng)的圍巖控制技術(shù)。結(jié)果表明:隨卸荷量增大,損傷因子指數(shù)增長;采深越大,底板巖體損傷破裂程度越嚴重;隨裂隙傾角增大,裂隙擴展破裂所需卸荷量增大;水平應(yīng)力卸荷量越大越利于裂隙擴展破裂;水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力比值越小,越易造成底板裂隙擴展貫通。(5)深部開采底板煤巖損傷破裂工程尺度效應(yīng)及注漿加固工程應(yīng)用(1)結(jié)合斷裂力學(xué)理論,分析了動載擾動強度及采深的工程尺度效應(yīng),得出:隨擾動強度增大,應(yīng)力集中系數(shù)峰值增加;隨開采深度增加,應(yīng)力峰值增加,但應(yīng)力集中系數(shù)減小;裂隙傾角、開采擾動或卸荷作用可致裂隙近場應(yīng)力方向變化或偏轉(zhuǎn),并引起裂隙巖體的破壞強度和應(yīng)力集中程度變化。(2)以底板巖體最大位移量及卸荷量為主計算分析了不同工程尺度下底板裂隙煤巖的損傷破裂程度:隨動載擾動強度增強,底板巖體垂直應(yīng)力卸荷量增加;隨隨機裂隙層位距底板距離增加,底板巖體鼓起量與垂直應(yīng)力卸荷量先增大后降低,當(dāng)隨機裂隙位于底板隔水層的中深部時,底板巖體的損傷破裂程度最嚴重。(3)提出了底板定向鉆孔配合穿層鉆孔相結(jié)合的注漿加固工程應(yīng)用技術(shù),現(xiàn)場工程應(yīng)用有效降低了底板裂隙巖體卸荷的突水?dāng)_動危險性。
【圖文】：

底鼓量 1.0m 左右(a) 巷道底鼓 (b) 承壓水導(dǎo)致支架控制手柄變形 (c) 采場底板突水圖1.3 深部開采底板工程問題Fig. 1.3 Engineering problems of floor in deep coal mining同時，深部開采的強擾動特征也提高了工程災(zāi)害頻度和量級，并導(dǎo)致深部煤巖體突發(fā)性的、無前兆的失穩(wěn)破裂特性。據(jù)此可知，，深部資源賦存的地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜、地應(yīng)力升高、巖體破裂嚴重、涌水加劇等因素帶來的一系列問題，使得不同工程活動方式誘發(fā)的高應(yīng)力和高量級的災(zāi)害更加凸顯，巖體的非線性破壞行為更加凸顯，高地應(yīng)力力學(xué)環(huán)境作用更加凸顯，對深部資源開采提出了嚴峻挑戰(zhàn)。1.1.3 選題意義當(dāng)前，深部開采的基礎(chǔ)理論研究遠遠滯后于工程實踐，并導(dǎo)致現(xiàn)場工程活動普遍存在盲目性，開采效率低，安全性差，開采成本高等突出問題。因此，論文基于國家重點研發(fā)計劃項目“深部巖體力學(xué)與開采理論”子課題之一“深部煤礦安全綠色開采理論與技術(shù)”（項目編號：2016YFC0600708）

迪凳?K1、K2為主繪制的世界各國的地應(yīng)力分布總體狀況圖2.1 可知，隨巖層埋藏深度的增加，K1、K2逐漸減小并趨于 1，在 1500m 以淺受構(gòu)造應(yīng)力影響 K1、K2離散范圍大；而當(dāng)埋深在 1500～3500m 時，K1、K2分布較為集中，基本在系數(shù) 1 附近變化；而在 3500m 以深時，K1、K2基本趨于 1。1000 1500 20000.51.01.52.02.53.03.50深度/m0K=41/H+0.4K=104/H+0.9K=673/H+1.3實測地應(yīng)力回歸曲線500圖 2.1 世界各國地應(yīng)力分布總體狀況[6]2.2 中國沉積巖地應(yīng)力分布規(guī)律[274]Fig. 2.1 Insitu stress distribution in the world Fig. 2.2 Ground stress in sedimentary rocks of China而根據(jù)中國沉積巖平均水平主應(yīng)力 σh，av（K1、K2的平均值）與垂直主應(yīng)力 σv比值 σh，av/σv隨埋藏深度變化圖 2.2[206]分析知：中國的沉積巖地層地應(yīng)力分布特征與圖 2.1 具有相似性
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TD745


本文編號：2711815