本文關(guān)鍵詞：下保護(hù)層上覆煤巖變形損傷及其預(yù)裂增透機(jī)理研究

  更多相關(guān)文章： 下保護(hù)層 煤巖體 采動應(yīng)力場 損傷 增透技術(shù)

【摘要】：我國多數(shù)煤礦中煤層賦存和開采條件十分復(fù)雜,致使下保護(hù)層開采卸壓增透效果具有很大的差異性和局限性。在一些層間距大、保護(hù)層厚度小、層間有關(guān)鍵層存在的煤層中,可能會出現(xiàn)保護(hù)效果不足、甚至失效的問題;而且,現(xiàn)有的下保護(hù)層開采措施的防突增透效果顯現(xiàn)緩慢,不利于煤礦的高效生產(chǎn)。因此,充分掌握下保護(hù)層開采過程中擾動區(qū)上覆煤巖的變形損傷規(guī)律,探索復(fù)雜地質(zhì)條件下保護(hù)層開采輔助增透技術(shù),是促進(jìn)下保護(hù)層開采技術(shù)大面積推廣使用的關(guān)鍵,也是實現(xiàn)煤礦安全高效綠色生產(chǎn)的保障。本文以突出煤和煤系地層中典型砂巖為研究對象,以其微細(xì)觀結(jié)構(gòu)分析為基礎(chǔ),利用宏觀力學(xué)試驗,研究了固-氣耦合作用下多種因素對煤體力學(xué)特性的影響規(guī)律,揭示了復(fù)雜采動應(yīng)力場下突出煤的能量演化特征、損傷滲透特征和砂巖基于聲發(fā)射技術(shù)的變形損傷特征;建立了突出煤滲透率與能量耗散率間關(guān)系方程,建立了可反映砂巖變形全過程特征的統(tǒng)計損傷演化模型;利用理論分析和數(shù)值模擬方法探討了多種因素對層狀巖石預(yù)制裂紋擴(kuò)展規(guī)律的影響;通過數(shù)值模擬方法分析了上覆巖層預(yù)裂區(qū)幾何參數(shù)和分布參數(shù)對被保護(hù)煤層卸荷增透效果的影響規(guī)律。以上研究內(nèi)容為探索新的防治煤與瓦斯突出災(zāi)害技術(shù)奠定了理論和技術(shù)基礎(chǔ)。通過本文研究,在以下幾方面取得一些進(jìn)展。(1)系統(tǒng)分析了突出原煤的微細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征和強(qiáng)度特征。對比分析了突出原煤與非突出原煤在物質(zhì)組成、微細(xì)觀形貌特征和孔隙結(jié)構(gòu)特征上的差異�；诿簬r聲發(fā)射產(chǎn)生機(jī)理和缺陷分布規(guī)律的假設(shè),建立了突出原煤單軸壓縮條件下的損傷演化模型。(2)以突出型煤為試驗材料,研究了圍壓、瓦斯壓力和加載速率對突出煤力學(xué)特性的影響。試驗表明圍壓能夠抑制煤體變形、提高煤體強(qiáng)度,瓦斯壓力降低了煤體的有效應(yīng)力,而加載速率對含瓦斯突出煤的力學(xué)強(qiáng)度的改變存在一個閥值。此外,圍壓作用下含瓦斯突出煤的變形存在塑性硬化特征,并建立了以內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力表征的硬化系數(shù)與含瓦斯突出煤塑性應(yīng)變的定量關(guān)系。(3)開展了系列含瓦斯突出煤的分階段加卸載試驗。分析了突出煤在復(fù)雜擾動應(yīng)力場中的力學(xué)特性、滲透特征和能量演化規(guī)律,揭示了含瓦斯突出煤卸荷恒壓段的蠕變變形特征,提出用能量耗散率來描述煤樣滲透特性的變化規(guī)律,并建立了不同卸荷條件下煤樣滲透率與能量耗散率間的函數(shù)關(guān)系。(4)研究分析了煤系地層中典型砂巖在復(fù)雜采動應(yīng)力場下的變形損傷特征和剪切破壞規(guī)律。基于統(tǒng)計損傷理論和D-P破壞準(zhǔn)則,建立了可反映砂巖變形全過程特征的統(tǒng)計損傷演化模型;基于聲發(fā)射技術(shù),分析了砂巖多步剪切試驗過程中的損傷演化過程,揭示了砂巖在不同加載速率下的聲發(fā)射絕對能量概率密度函數(shù)均符合冪定律分布,并利用最大似然估計方法得到了砂巖絕對能量冪定律分布的臨界指數(shù)。(5)采用彈性力學(xué)和斷裂力學(xué)理論分析了預(yù)制裂紋起裂與擴(kuò)展的力學(xué)機(jī)制,建立了平面應(yīng)力條件下裂紋的開裂角與裂紋初始尺寸、構(gòu)件受力情況、裂隙角度和斷裂韌度之間的關(guān)系。并利用數(shù)值模擬方法進(jìn)行了含預(yù)制裂紋的層狀巖石三點彎曲試驗,分析了預(yù)制裂紋的幾何參數(shù)、分布參數(shù)和層狀巖石的組分、結(jié)構(gòu)以及外部加載速率等因素對預(yù)制裂紋的穿層擴(kuò)展規(guī)律以及層狀巖石的變形破壞規(guī)律的影響。(6)采用Flac3D數(shù)值模擬軟件對比分析了采用上覆巖層預(yù)裂技術(shù)與否對被保護(hù)煤層應(yīng)力卸荷量、豎向膨脹變形量和卸荷范圍的影響規(guī)律,研究了預(yù)裂區(qū)幾何參數(shù)和分布參數(shù)設(shè)置對被保護(hù)煤層卸荷增透效果的影響規(guī)律,為下保護(hù)層開采過程中采用上覆巖層預(yù)裂輔助增透技術(shù)提供了理論指導(dǎo)。
【關(guān)鍵詞】：下保護(hù)層 煤巖體 采動應(yīng)力場 損傷 增透技術(shù)
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TD713
【目錄】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-11
• 1 緒論11-25
• 1.1 研究背景與意義11-13
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-21
• 1.2.1 含瓦斯煤力學(xué)特征研究13-14
• 1.2.2 含瓦斯煤滲透特性研究14-17
• 1.2.3 煤巖裂隙擴(kuò)展機(jī)理研究17-18
• 1.2.4 保護(hù)層開采范圍及輔助增透技術(shù)研究18-21
• 1.2.5 研究進(jìn)展評述21
• 1.3 研究內(nèi)容及思路21-25
• 1.3.1 主要研究內(nèi)容21-22
• 1.3.2 研究方法及技術(shù)路線22-25
• 2 突出煤物理力學(xué)特征研究25-43
• 2.1 突出煤微細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征25-36
• 2.1.1 成分分析25-27
• 2.1.2 表觀形貌特征27-29
• 2.1.3 孔隙特征29-36
• 2.2 單軸壓縮條件下突出煤聲發(fā)射特征研究36-42
• 2.2.1 試驗過程36-37
• 2.2.2 聲發(fā)射演化特征分析37-39
• 2.2.3 基于聲發(fā)射的損傷演化模型39-42
• 2.3 本章小結(jié)42-43
• 3 突出煤三維固－氣耦合力學(xué)特征研究43-63
• 3.1 固-氣耦合作用下含瓦斯煤有效應(yīng)力原理43-45
• 3.2 含瓦斯突出煤力學(xué)特性試驗準(zhǔn)備45-50
• 3.2.1 試樣制作45-48
• 3.2.2 試驗設(shè)備48
• 3.2.3 試驗方案48-49
• 3.2.4 試驗過程49-50
• 3.3 不同影響因素下含瓦斯突出煤力學(xué)特征分析50-56
• 3.3.1 不同圍壓條件下突出煤力學(xué)特征分析50-52
• 3.3.2 不同瓦斯壓力條件下突出煤力學(xué)特征分析52-54
• 3.3.3 不同加載速率條件下突出煤力學(xué)特征分析54-56
• 3.4 含瓦斯突出煤塑性硬化特征研究56-61
• 3.5 本章小結(jié)61-63
• 4 采動應(yīng)力場下突出煤能量演化及滲透特征研究63-81
• 4.1 試驗方案63-64
• 4.2 不同加卸載路徑下突出煤力學(xué)特征分析64-72
• 4.2.1 應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征分析64-68
• 4.2.2 卸荷段突出煤的變形特征68-70
• 4.2.3 恒壓段突出煤的流變特征70-72
• 4.3 分階段卸荷過程中能量變化特征分析72-75
• 4.4 不同加卸載路徑下突出煤滲透特征分析75-79
• 4.5 本章小結(jié)79-81
• 5 采動應(yīng)力場下砂巖變形及損傷特征研究81-107
• 5.1 三軸應(yīng)力狀態(tài)下砂巖變形特征及損傷本構(gòu)模型研究81-91
• 5.1.1 不同圍壓條件下砂巖三軸壓縮試驗準(zhǔn)備81-82
• 5.1.2 砂巖三軸壓縮試驗結(jié)果分析82-87
• 5.1.3 基于Weibull分布的砂巖全應(yīng)力應(yīng)變過程損傷軟化模型87-91
• 5.2 多步剪切條件下砂巖力學(xué)特征分析91-106
• 5.2.1 基于聲發(fā)射技術(shù)的砂巖多步剪切試驗方法91-94
• 5.2.2 試驗結(jié)果分析94-106
• 5.3 本章小結(jié)106-107
• 6 層狀巖石預(yù)制裂紋擴(kuò)展規(guī)律研究107-133
• 6.1 采場上覆巖層裂隙分類107-109
• 6.2 預(yù)制裂紋起裂與擴(kuò)展的斷裂力學(xué)分析109-114
• 6.2.1 裂紋起裂準(zhǔn)則109-112
• 6.2.2 巖石裂紋擴(kuò)展角的斷裂力學(xué)分析112-114
• 6.3 層狀巖石預(yù)制裂紋擴(kuò)展規(guī)律數(shù)值模擬研究114-131
• 6.3.1 RFPA軟件簡介114
• 6.3.2 數(shù)值模擬方案114-116
• 6.3.3 各因素對預(yù)制裂紋穿層擴(kuò)展規(guī)律分析116-131
• 6.4 本章小結(jié)131-133
• 7 上覆巖層預(yù)裂區(qū)參數(shù)對被保護(hù)煤層卸荷增透效果數(shù)值模擬133-161
• 7.1 下保護(hù)層開采上覆巖層水力預(yù)裂技術(shù)原理133-135
• 7.2 計算模型的地質(zhì)概況135-137
• 7.3 模型建立137-139
• 7.4 數(shù)值模擬方案設(shè)計及被保護(hù)層卸荷增透效果評價方法139-141
• 7.4.1 數(shù)值模擬方案設(shè)計139-141
• 7.4.2 被保護(hù)層卸荷增透效果評價方法141
• 7.5 數(shù)值模擬結(jié)果分析141-160
• 7.5.1 上覆巖層有無預(yù)裂區(qū)的卸荷增透效果分析141-151
• 7.5.2 預(yù)裂區(qū)寬度對被保護(hù)煤層的卸荷增透效果影響151-154
• 7.5.3 預(yù)裂區(qū)高度對被保護(hù)煤層的卸荷增透效果影響154-157
• 7.5.4 預(yù)裂區(qū)間距對被保護(hù)煤層的卸荷增透效果影響157-160
• 7.6 本章小結(jié)160-161
• 8 結(jié)論與展望161-163
• 8.1 主要結(jié)論161-162
• 8.2 創(chuàng)新點162
• 8.3 后續(xù)研究工作及展望162-163
• 致謝163-165
• 參考文獻(xiàn)165-177
• 附錄177-178
• A 作者在攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文目錄177
• B 作者在攻讀博士學(xué)位期間授權(quán)的專利177-178
• C 作者在攻讀博士學(xué)位期間獲得的獎勵178
• D 作者在攻讀博士學(xué)位期間負(fù)責(zé)或參與的科研項目178

【參考文獻(xiàn)】

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