煤矿高应力巷道岩爆孕育过程试验研究

发布时间：2020-08-25 15:23

【摘要】：煤矿高应力巷道岩爆孕育过程及主要影响因子作用机制对深部动力灾害巷道围岩稳定性控制问题具有至关重要的意义。围绕煤矿高应力巷道岩爆孕育机理及其发生过程这一关键科学问题,自主研发试验系统和试验材料,通过36组(144块)三维及29组(116块)二维模型试验再现了煤矿高应力岩体岩爆的发生、发展全过程,综合采用数字照相量测技术、声发射监测、应力应变监测手段,研究了煤矿高应力岩体岩爆的孕育机理、灾变过程、发生条件、分级标准及预测方法,主要获得以下成果和结论:(1)自主研制了由围压盒、弹性储能结构及模拟开挖装置组成的“煤矿高应力巷道岩爆模拟试验系统”,解决了试验中刚性试验机因油路供油不及时造成的应力断路问题,可实现岩爆孕育及灾变全过程等刚度能量补充;发明了适用于岩爆试验模拟的弹脆性类岩石材料(专利号:201510466941.9);成功再现了4种不同物理力学特性类岩石材料的岩爆现象。(2)通过36组的高应力巷道开挖模拟试验,获得了3种弹塑性和1种弹脆性类岩石材料灾变发展演化全过程。4种类岩石材料岩爆发展演化全过程均包含静力、动静组合、动力破坏三种形态;定义了灾害烈度因子Ψ|(_1,_2),提出基于块体弹射速度和烈度因子的双指标岩爆分级判定准则;发现应力初始水平和应力调整速率对材料的破坏发生机理和破坏过程的影响都不是独立的,交互作用形成不同阶段的结构重塑过程;提出了结构重塑完成准则,揭示了冲击能系数小于1的岩体发生岩爆动力灾害的本质。(3)通过29组自由空间效应二维模拟试验,研究自由空间围岩结构承载特性及空间释能特征,获得了防治岩爆动力灾害发生的自由空间最有利断面形状、尺度、位置、构成形式及分布原则。(4)研究了岩性、加载速率及初始应力水平的交互作用对材料岩爆动力灾害孕育及破坏演化过程中的等效破坏强度、起爆能量密度、等效弹性(压缩)模量、灾变过程变形模量、烈度因子等因素变化特征的影响,揭示了三种类型岩爆孕育及致灾机理。(5)将极速学习机方法模型引入岩爆预测领域,以材料冲击能系数、初始应力水平和加载速率作为输入因素,36组试验结果为分析样本,预测岩爆是否发生及等级划分,预测结果表明极速学习机方法模型能够发现训练数据集的内在特征,模型输出可准确进行预测。(6)提出了冲击型岩爆巷道“自由空间时空尺度调控”稳定控制理念。现场应用试验表明:在煤柱开挖卸压孔形成自由空间并限制工作面回采速度可有效降低煤柱受载应力调整速率,防止冲击型岩爆的发生。
【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】：TD322.4
【图文】：

技术路线图,技术路线

1 绪论及致灾机理。（4）通过不同自由空间尺度、断面形状、位置、构成形式及分布原则模拟试验研究不同自由空间特征条件下的围岩结构承载特性及空间释能特征，获得防治岩爆动力灾害发生的自由空间最有利断面形状、尺度、位置、构成形式及分布原则。（5）以材料冲击能系数、初始应力水平和加载速率作为输入因素，36 组试验结果为输入分析样本建立基于极速学习机方法的岩爆预测模型，预测岩爆是否发生及等级划分。（6）通过数值模拟研究不同工作面回采速率对研究区煤柱应力变化规律的影响规律，确定将加载速率作为模型试验主要因素的科学依据。结合研究成果，提出冲击型岩爆巷道稳定控制技术，选取典型冲击型岩爆灾害巷道作为工业性试验巷道，验证研究成果的适用性。详细技术路线见图 1-1。

自由空间,岩体

由自由面形成的封闭空间，因此岩体中的所有工程结构物甚至裂隙、裂缝自由空间。工程结构物，大尺寸如巷道、硐室等，中等尺寸如卸压孔、瓦斯抽采孔等节理、裂隙等，均可视为不同尺度的自由空间。任何新形成的自由空间均统的扩展和延伸，任一自由空间也可以视为无数个较小自由空间构成的硐室群、采场巷道群、巷道断面形状、相邻巷道扰动、不同巷道交岔、巷工作面回采速率确定、停采线确定、预留煤柱宽度确定、卸压孔(巷)位置工程问题均可用图 2-1 的自由空间拓扑关系来描述，可认为所有人工形成元结构通过 6 种关系形成较大范畴的自由空间系统，任何新形成的自由空间系统的扩展和延伸，任一自由空间也可以视为无数个较小自由空间构成自由空间的研究涉及到构成、尺度、形状等多种因素。作为岩体破坏最小力学上可以描述为长轴无限大于短轴的椭圆，同时可以截取为无数长轴等元，由于圆形结构与其它结构相比具有较高的力学稳定性，且易于加工最不利原则，在试验中模拟模型的自由空间结构均采用圆形结构（研究形外）。

钠基膨润土，200 目 1000 目。相似材料的制备分两个阶段进行，第一阶段主要通过试验结果分析各组分对于、弹性模量、光洁度、色泽等方面的影响；第二阶段对第一阶段的组分的水平差分析，回归获取较为合理的配合比再次进行配合比试验。每组配比浇制试件 10 个，养护完毕后选择 5 个进行单轴压缩试验，剔除不合剩余数据进行均值处理消除离散性影响。.3 相似材料确定相似模拟材料试件的测试试验为获取弹性模量、降模量、单轴抗压强度等物理中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室的DNS100伺服试验机压缩试验，试件直径 50mm，高度 100mm，按照《岩石试验方法标准》（GB50218定对试件进行精细加工，试件直径沿高度误差小于 0.3mm 断面垂直轴线且垂差低于 0.25°，不平整度小于 0.02mm，不平行度误差小于 0.005mm 加载采用位控制，加载速率 0.5mm/min。

【参考文献】