厚煤层综采覆岩破断及裂隙演化机理三维大型物理模拟研究

发布时间：2020-03-26 05:15

【摘要】：随着煤矿开采条件日益复杂,矿井瓦斯事故灾害时常发生,给行业和社会造成了较严重的影响。本文针对煤矿瓦斯治理工作中存在的瓦斯抽采效率低下问题,以典型厚煤层综采为研究条件,主要采用三维大型物理模拟的研究方法,并结合力学实验、数值计算、理论分析等方法,系统探究了厚煤层综采覆岩破断及裂隙演化机理,进行了现场验证,指导了瓦斯抽采实践,为类似条件下的瓦斯治理工作提供了参考。论文的主要研究内容及成果如下:(1)基于声发射特征参数,通过损伤力学分析,建立了相似材料压缩破坏过程损伤演化模型,采用力学实验结合声发射测试手段,探究了相似材料压缩破坏过程损伤特性及损伤时空演化特征,进一步探讨了裂隙参数对相似材料损伤演化的影响规律。(2)依据相似材料损伤破坏特性研究成果,揭示了相似材料损伤(破坏)声发射(微震)机制,依托自主研发的煤与瓦斯共采三维物理模拟综合实验系统,设计并构建了三维大型相似材料模型损伤(破坏)高频微震监测系统及高清钻孔窥视系统,并分析了三维物理相似模拟采动裂隙微震监测辨识机制。(3)基于典型厚煤层综采工作面地质条件,通过三维大型物理相似模拟实验,分析了工作面开采过程覆岩空间微震事件动态分布特征及微震参数变化特征,并探讨了采动覆岩裂隙分布钻孔窥视结果,得到了三维大型物理模拟条件下,厚煤层综采覆岩活动及裂隙演化规律。(4)建立了厚煤层综采三维数值计算模型,模拟分析了采动覆岩破坏分布及演化特征、应力分布及变化特征、位移分布及变化特征,进而获得了三维条件下厚煤层综采覆岩活动及卸压范围分布特征。(5)依据力学实验、物理模拟和数值分析研究成果,通过理论分析,揭示了厚煤层综采节理裂隙覆岩失稳破断机制,分析了厚煤层综采覆岩破断及裂隙分布特征,建立了采动岩体裂隙参数与微震特征参数耦合模型。(6)依托典型厚煤层综采工作面,建立了工作面微震监测系统,通过分析采空区覆岩微震事件空间动态分布特征,得到了采动覆岩破断及裂隙演化特征,与物理模拟和数值分析结果进行了对比分析,并验证了厚煤层综采覆岩失稳破断及裂隙分布演化机理,根据微震监测结果,设计并布置了工作面高位钻孔及走向高抽巷抽采卸压瓦斯。研究最终揭示的厚煤层综采覆岩破断与裂隙演化机理,在典型矿井工作面瓦斯灾害治理工作中得到了较好的验证和应用,工作面瓦斯抽采措施实施后,达到了较好的采空区卸压瓦斯抽采效果,确保了工作面的安全高效回采,为类似条件下的煤与瓦斯共采提供了指导和参考。
【图文】：

动力灾害,多场耦合,模拟实验系统,力学实验

洞室群模型实验［４８］。逡逑山东大学的李术才、张强勇等研发了三维地质力学实验系统［４９，５％该装置最大模型逡逑尺寸为４ｍｘ３ｍｘ６ｍ邋（图１．１），将该系统应用于隧道的三维地质力学模型实验研宄，反逡逑映了隧道围岩的应力变形状态，，研宄成果为隧道工程设计和施工提供了有效指导和参逡逑考，该系统适用于矿山、能源和交通等领域的岩土模型实验研宄［５１］。逡逑重庆大学的尹光志教授等［５２］利用自主研制的多场耦合煤矿动力灾害大型模拟实验逡逑系统（图１．２），开展了煤层开采三维应力模拟实验，探究了覆岩活动规律、裂隙分布逡逑形态及应力演化特征等规律。逡逑图１．１三维地质力学实验系统［４９］逦图１．２多场耦合煤矿动力灾害大型模拟实验系统［５２］逡逑中国矿业大学研发了真三轴巷道平面模型实验系统，模型尺寸为ｌｍｘｌｍｘ0．２ｍ，实逡逑现了模型６面受力的施加，且３个方向加载力可调，最大施加应力为ｌＯＭｐａ，并模拟研逡逑宄了矿井巷道的失稳破坏机制［５３］。逡逑太原理工大学建立的大型三维固流耦合模拟实验系统，整体尺寸为３ｍｘ２ｍｘ２ｍ，利逡逑用该系统对矿井采区带压开采进行了三维模拟，研究了覆岩位移和应力变化规律，分析逡逑了影响覆岩活动的主要因素

立体模拟,堆体,实验台,实验系统

合围岩局部化变形演化规律及失稳特征。逡逑李树刚教授［６２，６３］主持研制了煤与瓦斯共采小型三维物理模拟实验台逡逑（１．２ｍｘ0．７ｍｘ0．８ｍ），如图１．４，并采用应力监测、声发射监测等手段，探宄了煤层开逡逑采过程中采动应力分布和覆岩破坏规律。逡逑图１．３大型组合堆体立体模拟实验系统［５６］图１．４煤与瓦斯共采小型三维物理模拟实验台［６２］逡逑由以上国内外对三维物理模拟实验的研宄现状可以看出，国内外研宄学者在岩土、逡逑隧道、矿山等不同领域，研发了相应的三维物理模拟实验平台，构建了不同尺度的三维逡逑物理模型，并采用位移监测、声发射特征监测、钻孔窥视等手段，探宄了不同条件下三逡逑维物理模型的失稳破坏特征，较好地指导了工程实践。逡逑１．２．３采场覆岩活动及裂隙演化机理研究现状逡逑国内外学者采用理论分析、物理模拟、数值计算和现场实测等方法，对采场覆岩活逡逑动及裂隙演化机理进行了大量的研宄。Ｗ．Ｈａｃｋ和Ｇ．Ｇｉｕｉｔｚｅｒ等人提出了压力拱理论［６４，６５］，逡逑分析了工作面围岩支承压力的由来，并探讨了工作面支架压力远小于上覆岩层重量的原逡逑因。Ｋ．Ｓｔｏｋｅ提出了悬臂梁理论［６４
【学位授予单位】：西安科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD823.253

【参考文献】