煤岩蠕变损伤机理及工作面临空区段煤柱稳定性研究

发布时间：2020-05-26 12:10

【摘要】：受巷道掘进、工作面开采等多次扰动作用,临空区段煤柱将产生损伤累积效应。同时,临空区段煤柱长期承受上方厚砂岩悬顶结构压力作用,呈现出显著的流变特性,导致临空区段煤柱存在变形大、片帮严重、支护困难等安全隐患,给矿井巷道支护、高产高效等带来了严峻的挑战。本文以小纪汗煤矿临空区段煤柱稳定性为研究背景,综合采用实验测试、理论分析、现场监测、数值模拟等手段,系统地研究了损伤煤样的蠕变特性,考虑初始损伤的分数阶非线性蠕变模型建立,厚砂岩顶板下工作面临空区段煤柱蠕变损伤演化机理等,取得了以下创新性成果:(1)开展了损伤煤样三轴压缩试验,获得了初始损伤变量、加载速率、围压下煤样的三轴应力应变曲线,分析了三种因素对损伤煤样变形、峰值应力、体积扩容、破坏特征的影响,确定了三种因素与损伤煤样峰值应力、扩容应力之间的函数关系式。(2)开展了损伤煤样的三轴蠕变试验,获得了初始损伤变量、加载速率、围压下的蠕变特性曲线,分析了三种因素下损伤煤样蠕变过程中的轴向变形、蠕变破坏应力、变形速率、体积扩容、扩容应力等特征,确定了三种因素与损伤煤样蠕变破坏应力、扩容应力之间的函数关系式。(3)基于分数阶导数的基本概念、基本的流变元件、基本的流变组合元件性质,建立了整数阶非线性黏弹塑性蠕变模型、考虑初始损伤效应的分数阶非线性黏弹塑性蠕变模型,采用梯度下降与高斯-牛顿法结合的数值优化算法对整数阶、分数阶非线性蠕变模型参数进行了识别,并对二者模型的精度与相关性进行了评价,表明分数阶蠕变模型更具优越性。(4)依据小纪汗煤矿11215工作面覆岩赋存、近工作面顶板特征,分析得到了“厚砂岩顶板工作面”的覆岩“O-X”型破断及运动规律,基于工作面强矿压显现特征实测数据,研究了不同阶段的液压支架工作阻力、周期来压步距、动载系数、安全阀开启次数、煤柱的应力场、位移场与损伤破裂演化特征,揭示了临空区段煤柱破坏的外在动力源与内部损伤机制。(5)提出了临空区段煤柱突变失稳判据,建立了非线性分数阶三维蠕变模型,分析了不同初始损伤程度煤柱、不同宽度煤柱、无悬顶结构下煤柱的应力场、位移场、损伤场演化特征,确定了初始损伤低、宽煤柱、无悬顶下煤柱稳定性较好,提出了临空区段煤柱稳定控制方法。
【图文】：

煤柱,煤矿区,围岩结构,悬顶

图 1-1 区段煤柱片帮及巷道变形实拍Figure 1-1 Coal pillar spalling and roadway deformation此类矿井的主要特征为：（1）矿井在前期设计时为了方便井下运输、通风、高产能等，多采用双巷、多巷布置，区段煤柱的留设尺寸多为20m~30m，煤柱好位于临空工作面开采后形成的侧向支撑压力升高区内；（2）区段煤柱往往受巷道掘进、临空工作面采动等多次扰动影响，在本工作面开采前，煤柱边缘一范围内为破碎区，即煤柱已经产生一定的损伤累计效应，本文将其定义为初始伤；（3）工作面顶板多以一层或者多层厚砂岩为主，上一工作面开采后会在区煤柱上方沿着煤层走向及倾向形成大面积悬顶，例如小纪汗煤矿区段煤柱上覆本顶厚度20m，侧向悬顶实测距离为14m；（4）随着工作面的推进，区段煤柱初始损伤、长期采动应力与悬顶载荷的作用，煤柱流变特性显著，加之悬顶结的回转、运动，巷道围岩控制难度明显高于普通综采工作面，严重威胁着工作区段煤柱的稳定性及工作面安全高效。

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图 2-1 现场煤样取芯位置及标准试样加工Figure 2-1 Core location in mine site and standard coal sample processing2.1.2 试验设备现有研究表明[147-149]，煤样力学性质与波速密切相关。为了减少由于煤样本身差异性带来的试验误差，采用 RSM-SY5 智能声波检测仪对加工后的标准煤样进行声波测试，通过声波测试选取波速接近的煤样进行相关力学性能的测试，RSM-SY5 智能声波检测仪如图 2-2 所示。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TD32

【参考文献】