下保护层上覆煤岩变形损伤及其预裂增透机理研究

发布时间：2017-10-07 16:29

  本文关键词：下保护层上覆煤岩变形损伤及其预裂增透机理研究

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【摘要】：我国多数煤矿中煤层赋存和开采条件十分复杂,致使下保护层开采卸压增透效果具有很大的差异性和局限性。在一些层间距大、保护层厚度小、层间有关键层存在的煤层中,可能会出现保护效果不足、甚至失效的问题;而且,现有的下保护层开采措施的防突增透效果显现缓慢,不利于煤矿的高效生产。因此,充分掌握下保护层开采过程中扰动区上覆煤岩的变形损伤规律,探索复杂地质条件下保护层开采辅助增透技术,是促进下保护层开采技术大面积推广使用的关键,也是实现煤矿安全高效绿色生产的保障。本文以突出煤和煤系地层中典型砂岩为研究对象,以其微细观结构分析为基础,利用宏观力学试验,研究了固-气耦合作用下多种因素对煤体力学特性的影响规律,揭示了复杂采动应力场下突出煤的能量演化特征、损伤渗透特征和砂岩基于声发射技术的变形损伤特征;建立了突出煤渗透率与能量耗散率间关系方程,建立了可反映砂岩变形全过程特征的统计损伤演化模型;利用理论分析和数值模拟方法探讨了多种因素对层状岩石预制裂纹扩展规律的影响;通过数值模拟方法分析了上覆岩层预裂区几何参数和分布参数对被保护煤层卸荷增透效果的影响规律。以上研究内容为探索新的防治煤与瓦斯突出灾害技术奠定了理论和技术基础。通过本文研究,在以下几方面取得一些进展。(1)系统分析了突出原煤的微细观结构特征和强度特征。对比分析了突出原煤与非突出原煤在物质组成、微细观形貌特征和孔隙结构特征上的差异。基于煤岩声发射产生机理和缺陷分布规律的假设,建立了突出原煤单轴压缩条件下的损伤演化模型。(2)以突出型煤为试验材料,研究了围压、瓦斯压力和加载速率对突出煤力学特性的影响。试验表明围压能够抑制煤体变形、提高煤体强度,瓦斯压力降低了煤体的有效应力,而加载速率对含瓦斯突出煤的力学强度的改变存在一个阀值。此外,围压作用下含瓦斯突出煤的变形存在塑性硬化特征,并建立了以内摩擦角和内聚力表征的硬化系数与含瓦斯突出煤塑性应变的定量关系。(3)开展了系列含瓦斯突出煤的分阶段加卸载试验。分析了突出煤在复杂扰动应力场中的力学特性、渗透特征和能量演化规律,揭示了含瓦斯突出煤卸荷恒压段的蠕变变形特征,提出用能量耗散率来描述煤样渗透特性的变化规律,并建立了不同卸荷条件下煤样渗透率与能量耗散率间的函数关系。(4)研究分析了煤系地层中典型砂岩在复杂采动应力场下的变形损伤特征和剪切破坏规律。基于统计损伤理论和D-P破坏准则,建立了可反映砂岩变形全过程特征的统计损伤演化模型;基于声发射技术,分析了砂岩多步剪切试验过程中的损伤演化过程,揭示了砂岩在不同加载速率下的声发射绝对能量概率密度函数均符合幂定律分布,并利用最大似然估计方法得到了砂岩绝对能量幂定律分布的临界指数。(5)采用弹性力学和断裂力学理论分析了预制裂纹起裂与扩展的力学机制,建立了平面应力条件下裂纹的开裂角与裂纹初始尺寸、构件受力情况、裂隙角度和断裂韧度之间的关系。并利用数值模拟方法进行了含预制裂纹的层状岩石三点弯曲试验,分析了预制裂纹的几何参数、分布参数和层状岩石的组分、结构以及外部加载速率等因素对预制裂纹的穿层扩展规律以及层状岩石的变形破坏规律的影响。(6)采用Flac3D数值模拟软件对比分析了采用上覆岩层预裂技术与否对被保护煤层应力卸荷量、竖向膨胀变形量和卸荷范围的影响规律,研究了预裂区几何参数和分布参数设置对被保护煤层卸荷增透效果的影响规律,为下保护层开采过程中采用上覆岩层预裂辅助增透技术提供了理论指导。
【关键词】：下保护层 煤岩体 采动应力场 损伤 增透技术
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD713
【目录】：

• 中文摘要3-5
• 英文摘要5-11
• 1 绪论11-25
• 1.1 研究背景与意义11-13
• 1.2 国内外研究现状13-21
• 1.2.1 含瓦斯煤力学特征研究13-14
• 1.2.2 含瓦斯煤渗透特性研究14-17
• 1.2.3 煤岩裂隙扩展机理研究17-18
• 1.2.4 保护层开采范围及辅助增透技术研究18-21
• 1.2.5 研究进展评述21
• 1.3 研究内容及思路21-25
• 1.3.1 主要研究内容21-22
• 1.3.2 研究方法及技术路线22-25
• 2 突出煤物理力学特征研究25-43
• 2.1 突出煤微细观结构特征25-36
• 2.1.1 成分分析25-27
• 2.1.2 表观形貌特征27-29
• 2.1.3 孔隙特征29-36
• 2.2 单轴压缩条件下突出煤声发射特征研究36-42
• 2.2.1 试验过程36-37
• 2.2.2 声发射演化特征分析37-39
• 2.2.3 基于声发射的损伤演化模型39-42
• 2.3 本章小结42-43
• 3 突出煤三维固－气耦合力学特征研究43-63
• 3.1 固-气耦合作用下含瓦斯煤有效应力原理43-45
• 3.2 含瓦斯突出煤力学特性试验准备45-50
• 3.2.1 试样制作45-48
• 3.2.2 试验设备48
• 3.2.3 试验方案48-49
• 3.2.4 试验过程49-50
• 3.3 不同影响因素下含瓦斯突出煤力学特征分析50-56
• 3.3.1 不同围压条件下突出煤力学特征分析50-52
• 3.3.2 不同瓦斯压力条件下突出煤力学特征分析52-54
• 3.3.3 不同加载速率条件下突出煤力学特征分析54-56
• 3.4 含瓦斯突出煤塑性硬化特征研究56-61
• 3.5 本章小结61-63
• 4 采动应力场下突出煤能量演化及渗透特征研究63-81
• 4.1 试验方案63-64
• 4.2 不同加卸载路径下突出煤力学特征分析64-72
• 4.2.1 应力-应变曲线特征分析64-68
• 4.2.2 卸荷段突出煤的变形特征68-70
• 4.2.3 恒压段突出煤的流变特征70-72
• 4.3 分阶段卸荷过程中能量变化特征分析72-75
• 4.4 不同加卸载路径下突出煤渗透特征分析75-79
• 4.5 本章小结79-81
• 5 采动应力场下砂岩变形及损伤特征研究81-107
• 5.1 三轴应力状态下砂岩变形特征及损伤本构模型研究81-91
• 5.1.1 不同围压条件下砂岩三轴压缩试验准备81-82
• 5.1.2 砂岩三轴压缩试验结果分析82-87
• 5.1.3 基于Weibull分布的砂岩全应力应变过程损伤软化模型87-91
• 5.2 多步剪切条件下砂岩力学特征分析91-106
• 5.2.1 基于声发射技术的砂岩多步剪切试验方法91-94
• 5.2.2 试验结果分析94-106
• 5.3 本章小结106-107
• 6 层状岩石预制裂纹扩展规律研究107-133
• 6.1 采场上覆岩层裂隙分类107-109
• 6.2 预制裂纹起裂与扩展的断裂力学分析109-114
• 6.2.1 裂纹起裂准则109-112
• 6.2.2 岩石裂纹扩展角的断裂力学分析112-114
• 6.3 层状岩石预制裂纹扩展规律数值模拟研究114-131
• 6.3.1 RFPA软件简介114
• 6.3.2 数值模拟方案114-116
• 6.3.3 各因素对预制裂纹穿层扩展规律分析116-131
• 6.4 本章小结131-133
• 7 上覆岩层预裂区参数对被保护煤层卸荷增透效果数值模拟133-161
• 7.1 下保护层开采上覆岩层水力预裂技术原理133-135
• 7.2 计算模型的地质概况135-137
• 7.3 模型建立137-139
• 7.4 数值模拟方案设计及被保护层卸荷增透效果评价方法139-141
• 7.4.1 数值模拟方案设计139-141
• 7.4.2 被保护层卸荷增透效果评价方法141
• 7.5 数值模拟结果分析141-160
• 7.5.1 上覆岩层有无预裂区的卸荷增透效果分析141-151
• 7.5.2 预裂区宽度对被保护煤层的卸荷增透效果影响151-154
• 7.5.3 预裂区高度对被保护煤层的卸荷增透效果影响154-157
• 7.5.4 预裂区间距对被保护煤层的卸荷增透效果影响157-160
• 7.6 本章小结160-161
• 8 结论与展望161-163
• 8.1 主要结论161-162
• 8.2 创新点162
• 8.3 后续研究工作及展望162-163
• 致谢163-165
• 参考文献165-177
• 附录177-178
• A 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录177
• B 作者在攻读博士学位期间授权的专利177-178
• C 作者在攻读博士学位期间获得的奖励178
• D 作者在攻读博士学位期间负责或参与的科研项目178

【参考文献】

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本文编号：988894