深部强扰动底板裂隙岩体破裂机制及模型研究

发布时间：2020-06-13 22:07

【摘要】：随浅部煤炭资源开采殆尽,煤炭开发将不断走向地球深部,千米级深部煤炭资源开采将逐渐成为资源开发新常态;而深部煤炭大规模高强度开采导致的顶板剧烈来压、高能级矿震等动力扰动现象越来越多,且经历高强度应力集中峰值的采动围岩在煤层开采后将形成强烈的卸荷效应,加之地应力水平增加伴随的岩溶水压升高等因素诱发的强扰动特征越来越突出,特别是在深部水文地质条件复杂条件下,由于地应力和岩溶水压增大,使得深部岩体结构的有效应力升高,驱动煤岩体内原生裂隙、节理发生损伤、扩展变形、失稳破裂或贯通,极易导致剧烈来压、底板高承压水突水等高能级、大体量的工程灾害频发。因此,针对深部开采大埋深、高应力、高水压、强扰动等导致的重大难题,深入研究深部地应力环境以及工程扰动影响下的采动底板裂隙岩体破裂机制及模型,提出利于深部安全高效低生态损害开采的控制技术,从而为我国深部煤炭资源获取提供强力支持,对指导深部矿井安全生产及预防重大工程灾害事故具有重要意义。本文综合运用理论分析、数值模拟、实验室试验及现场实测等多种研究方法,以深部煤炭开采过程中的强扰动作用为主线,系统分析了深部开采基本顶岩梁失稳对底板的扰动破坏作用,借助弹塑性力学、卸荷岩体力学等理论对深部开采底板岩体的破坏模式、裂隙扩展破裂机制、卸荷损伤破裂的强扰动危险性及工程尺度效应进行了详细的探究,取得的主要结论和创新性成果如下:(1)深部强扰动底板裂隙岩体破坏行为及破坏模式(1)基于深部开采强扰动底板破坏及采场矿压显现特征,分析了基本顶剧烈来压将导致底板岩体的非均匀破坏行为;结合现场微震监测,获得了深部开采底板岩体的破裂行为:动载扰动期间采空区顶底板形成了以压力拱轴线形式为主的卸荷优势破裂带;采场超前实体煤侧顶底板以能量E_J5×10~3J的低能级微震事件为主,而采空区侧以E_J5×10~3J的高能级微震事件为主;顶板高能级微震事件总数与底板微震事件总数正相关。(2)结合基本顶岩梁结构失稳的动载扰动作用,将深部开采底板破坏模式划分为加载破坏模式和卸荷反弹破坏模式两种。根据基本顶岩梁失稳的结构形式,基于塑性铰理论分别建立了基本顶初次失稳、悬臂梁结构失稳及砌体梁结构失稳底板加载破坏模型,应用能量原理探讨了基本顶结构失稳对煤壁端部和采空区触矸区域底板的加载破坏作用,获得了采空区侧基本顶岩梁梁端破断位置距煤壁的距离,并指出动载扰动时处于基本顶岩梁梁端的煤壁端部和采空区触矸区域底板将形成明显的端部效应区和触矸效应区。基于底板压力拱轴线定义了底板应力的卸荷反弹作用,建立了基本顶岩梁结构失稳的底板卸荷反弹破坏模型;动载扰动作用下,位于基本顶岩梁梁端的煤壁端部及触矸区域应力增高,并不断向底板深部传递导致底板压力拱及卸荷反弹区变化,卸荷应力及卸荷破坏深度增加,底板变形量增加,裂隙扩展破裂程度加剧。(3)应用弹性理论推导出了作用于煤壁端部及触矸区域的扰动应力和动载扰动下底板的最大破坏深度,得出了基本顶来压与底板破坏深度的关系:来压步距越大,动载扰动作用于煤壁端部及触矸区域底板的扰动应力越大;受直接顶及矸石垫层压缩量影响,底板应力非线性增长;随基本顶来压步距增大,底板破坏深度先增加后趋于稳定;顶板剧烈来压等动载扰动的周期性造成了底板破坏的周期性。(2)深部开采底板煤岩体裂隙扩展破裂机制及模型(1)根据底板应力分布及3DEC数值模拟,在基本顶岩梁失稳扰动下,采场底板垂直应力分布形成了明显的端部效应区、卸荷区及触矸效应区,建立了底板裂隙扩展破裂模型,细化了底板应力及裂隙扩展破裂分区,根据分区应力大小给出了对应的裂隙扩展类型,并应用三轴渗流试验、现场地质雷达探测进行了验证。(2)在端部效应区根据垂直应力σ_1大小划分了底板裂隙的变形扩展阶段,给出了裂隙产生摩擦滑动、自相似扩展及失稳扩展变形的临界应力,其分别为σ_(1(0))、σ_(1(c))及σ_(1(cc))。当σ_1σ_(1(0))时,底板岩体处于弹性阶段;当σ_(1(0))σ_1σ_(1(c))时,原生裂隙摩擦滑动变形;σ_(1(c))σ_1σ_(1(cc))时,裂隙自相似扩展;σ_(1(cc))σ_1时,裂隙失稳扩展,部分裂隙卸载变形并造成底板岩体局部损伤劣化;当动载扰动强度导致σ_1峰值超过煤岩体极限强度时,以压缩闭合变形为主,失稳扩展裂隙部分闭合。(3)在卸荷区根据σ_1卸荷水平将裂隙扩展破裂划分为卸荷至水平应力σ_3、零或拉应力阶段,分别给出了σ_1卸荷至σ_3反向滑移、σ_1卸荷至零或拉应力产生弯折失稳扩展和张开贯通的临界应力条件。当扰动强度增大时,裂隙反向滑移的临界应力增大,而σ_1卸荷范围增大进一步加剧了反向滑移变形;当σ_1卸荷至零或拉应力时,由于动载扰动下卸荷起点提高,加之已历经次生裂隙及反向滑移扩展,裂隙将以弯折失稳扩展和张开贯通扩展为主。同时,扰动强度越大,底板端部应力越大,卸荷起点越高,满足底板裂隙失稳扩展的应力条件越多,越利于裂隙扩展。(4)结合岩体渗流特征分析了深部高承压水的渗透扩展作用:在端部效应区当σ_1σ_(1(cc))时,有效应力σ_(ne)增大,扰动加载渗透系数K减小;当σ_1σ_(1(cc))时,次生裂隙失稳扩展导致裂隙数量增加,K增大;当扰动强度增大至底板应力大于煤岩体极限强度时,K减小。而在卸荷区,卸荷起点越高,裂隙岩体有效卸荷量越大,卸荷渗透系数K′越大,当卸荷至一定值时K′突变增加;且扰动强度越大,K′的突变深度越深,当K′突变增加的岩层深度大于隔水层厚度时将诱发底板突水。(3)深部强扰动底板裂隙破裂贯通模式(1)应用二维相似材料模型开展了深部开采底板岩体裂隙扩展破裂的演化过程试验,将开采卸荷作用下底板裂隙的扩展贯通划分为倾斜裂隙贯通模式和近似垂直裂隙贯通模式两种。倾斜裂隙贯通模式的主裂隙倾斜扩展演化,分支裂隙向采空区方向扩展,直至与煤系地层水平层理斜交;而近似垂直裂隙贯通模式的主裂隙近似垂直,分支裂隙发育长度较短,且与水平层理沟通较少。(2)随加载扰动强度增加,分支裂隙不断发育,且优先沟通原生裂隙,并不断向深部扩展,直至裂隙贯通;随裂隙扩展程度增加,裂隙网络分形维数增加;底板裂隙发育的优势角度为50~85°,并由主裂隙倾角决定;近似垂直裂隙贯通模式时优势角度更集中,多在70~82°,而倾斜裂隙贯通模式则较分散;同时,主裂隙倾角越大,分支裂隙越少,越不易沟通水平层理。(4)深部开采底板岩体卸荷损伤破裂模型及强扰动危险性(1)运用3DEC计算分析了深部开采底板岩体卸荷损伤的强扰动特征:随采深增加,深部岩体卸荷起点及卸荷应力增加,卸荷量降低;随垂直应力卸荷量增加,卸荷速率非线性增加,卸荷量越大,卸荷速率越快;采深越大,卸荷速率增加越快,其突变时的卸荷量越低;随垂直应力卸荷量增大,岩体垂直位移量增加,并最终导致失稳突变;深部岩体较小的卸荷量即可致严重损伤破坏。(2)基于卸荷理论建立了底板岩体卸荷损伤破裂模型,推导了裂隙岩体卸荷扩展破裂条件,提出了底板岩体卸荷损伤扰动分区,并根据卸荷量将底板垂向自上而下依次划分为卸荷破坏区、卸荷扩展区和卸荷渗透区,结合承压水的渗透扩展作用评价了底板裂隙损伤破裂的扰动危险性,提出了相应的围岩控制技术。结果表明:随卸荷量增大,损伤因子指数增长;采深越大,底板岩体损伤破裂程度越严重;随裂隙倾角增大,裂隙扩展破裂所需卸荷量增大;水平应力卸荷量越大越利于裂隙扩展破裂;水平应力与垂直应力比值越小,越易造成底板裂隙扩展贯通。(5)深部开采底板煤岩损伤破裂工程尺度效应及注浆加固工程应用(1)结合断裂力学理论,分析了动载扰动强度及采深的工程尺度效应,得出:随扰动强度增大,应力集中系数峰值增加;随开采深度增加,应力峰值增加,但应力集中系数减小;裂隙倾角、开采扰动或卸荷作用可致裂隙近场应力方向变化或偏转,并引起裂隙岩体的破坏强度和应力集中程度变化。(2)以底板岩体最大位移量及卸荷量为主计算分析了不同工程尺度下底板裂隙煤岩的损伤破裂程度:随动载扰动强度增强,底板岩体垂直应力卸荷量增加;随随机裂隙层位距底板距离增加,底板岩体鼓起量与垂直应力卸荷量先增大后降低,当随机裂隙位于底板隔水层的中深部时,底板岩体的损伤破裂程度最严重。(3)提出了底板定向钻孔配合穿层钻孔相结合的注浆加固工程应用技术,现场工程应用有效降低了底板裂隙岩体卸荷的突水扰动危险性。
【图文】：

底鼓量 1.0m 左右(a) 巷道底鼓 (b) 承压水导致支架控制手柄变形 (c) 采场底板突水图1.3 深部开采底板工程问题Fig. 1.3 Engineering problems of floor in deep coal mining同时，深部开采的强扰动特征也提高了工程灾害频度和量级，并导致深部煤岩体突发性的、无前兆的失稳破裂特性。据此可知，，深部资源赋存的地质环境复杂、地应力升高、岩体破裂严重、涌水加剧等因素带来的一系列问题，使得不同工程活动方式诱发的高应力和高量级的灾害更加凸显，岩体的非线性破坏行为更加凸显，高地应力力学环境作用更加凸显，对深部资源开采提出了严峻挑战。1.1.3 选题意义当前，深部开采的基础理论研究远远滞后于工程实践，并导致现场工程活动普遍存在盲目性，开采效率低，安全性差，开采成本高等突出问题。因此，论文基于国家重点研发计划项目“深部岩体力学与开采理论”子课题之一“深部煤矿安全绿色开采理论与技术”（项目编号：2016YFC0600708）

迪凳?K1、K2为主绘制的世界各国的地应力分布总体状况图2.1 可知，随岩层埋藏深度的增加，K1、K2逐渐减小并趋于 1，在 1500m 以浅受构造应力影响 K1、K2离散范围大；而当埋深在 1500～3500m 时，K1、K2分布较为集中，基本在系数 1 附近变化；而在 3500m 以深时，K1、K2基本趋于 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实测地应力回归曲线500图 2.1 世界各国地应力分布总体状况[6]2.2 中国沉积岩地应力分布规律[274]Fig. 2.1 Insitu stress distribution in the world Fig. 2.2 Ground stress in sedimentary rocks of China而根据中国沉积岩平均水平主应力 σh，av（K1、K2的平均值）与垂直主应力 σv比值 σh，av/σv随埋藏深度变化图 2.2[206]分析知：中国的沉积岩地层地应力分布特征与图 2.1 具有相似性
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD745


本文编号：2711815