基于能量耗散的软硬互层采动裂隙演化规律实验研究

发布时间：2017-12-22 10:25

  本文关键词：基于能量耗散的软硬互层采动裂隙演化规律实验研究　出处：《西安科技大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

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【摘要】：随着我国煤矿开采深度及强度的不断增加,煤层瓦斯灾害随之加强,加之煤层瓦斯赋存的“三高三低”特征,使得单一抽采瓦斯方法的治理效果不甚理想,利用煤层开采后卸压抽采瓦斯,是我国煤矿瓦斯治理的重要方向。本文系统评述了采动裂隙演化及破断规律、岩石裂隙定量描述分形计算、岩体变形失稳能量分析等诸多成果,认为从能量角度分析采动裂隙演化过程,是定量描述采动裂隙演化及分布机制的关键。本文选择典型岩样,根据煤层开采过程中煤岩体的力学行为,通过实验室实验研究了单轴循环加载、加载速率、围压、高径比、岩性等条件下岩体变形破坏过程中弹性能密度、耗散能密度变化规律,得到了岩体变形破坏过程中的能量耗散规律,据此构建了基于能量耗散的损伤本构方程,对软硬互层岩体受拉、压应力状态下软硬互层岩体积聚能量进行分析,建立了基于可释放能量的软硬互层岩体破坏准则,以此分析了软硬互层覆岩的破坏类型,受压时,软岩层先于邻近硬岩层发生破坏,而受拉时,软硬互层岩体以形成离层裂隙为主。通过物理相似模拟实验及FLAC3D数值模拟,分析煤层开采后裂隙发展及分布形态、应力分布、声发射特征随软硬互层厚度比变化曲线,得到软硬互层对采动裂隙演化及分布规律、应力分布、声发射特征的影响规律,随岩性的增强,采动影响范围逐渐减小,而影响强度增大。通过理论分析,结合物理相似模拟实验及数值分析结果,对岩层自重、上部岩层施加的垂直作用力、层间摩擦力及层间粘结力产生的滑动阻力分布状态进行分析,得到岩层破断后悬伸长度,结合各岩层力学状态及几何尺寸,确定工作面达到一定推进距后岩层破断高度,优化了椭抛带数学模型,进而得到软硬互层条件下采动裂隙分布形态的数学方程。基于物理相似模拟实验及数值分析结果,从能量耗散角度分析了采动裂隙演化过程,确定了岩层破断后岩块长度、形成裂隙条数、裂隙密度及裂隙分形维数水平分布方程,定量研究了采空区裂隙密度及裂隙分形维数分布规律,得到软硬互层条件下覆岩采动裂隙分布特征。利用微震监测系统及钻孔窥视仪对山西和顺天池能源有限责任公司301工作面开展现场工业性试验,分析微震事件随着工作面推进三维空间分布规律、钻孔内裂隙尺寸分布规律,确定采动裂隙分布形态及特征,进一步验证了软硬互层岩体采动裂隙演化及分布规律,同时,将其应用于现场,指导高抽巷抽采瓦斯。本文引入分形维数系数,得到其计算方程,定量研究了软硬互层岩体采动裂隙分布特征,优化了椭抛带数学模型,得到软硬互层岩体采动裂隙分布形态数学方程,从能量角度结合岩石的力学行为,揭示了软硬互层覆岩采动裂隙演化机理,为卸压抽采瓦斯技术的实施提供更为准确的数据支撑,为实现煤与瓦斯安全共采提供一定的理论基础。
【学位授予单位】：西安科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TD712.61

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本文编号：1319265