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煤岩体破坏机理与冲击倾向性研究

高振秋  
【摘要】:随着浅部煤矿资源的开采逐渐枯竭,煤矿开采深度的持续增加,随之而来的灾害问题越来越严重。尤为代表的是深部煤矿的大量开采过程中,在矿井的巷道中预留的各种煤柱,这些煤柱的功能是对巷道起到支撑。如果煤柱的稳定性受到影响,那么造成的灾难将难以想象。煤柱主要是由煤体和岩体两部分组成,二者结合后的力学特性会影响到煤柱的整体稳定性。煤矿冲击矿压事故发生频率越来越高,严重威胁了我国煤矿生产行业的发展。从本质上来讲,岩爆的发生必须满足三个要素:强度条件(煤岩体所受应力超过其自身强度,煤岩体发生破坏),能量条件(煤岩体有积聚和突然释放能量的能力),煤岩体本身含有冲击倾向特性(当受外部荷载作用下,煤岩体具有脆性破坏的能力)。冲击倾向性是一个充分条件,没有煤岩体的突然破坏,冲击矿压现象就不会发生。但是因为煤岩体具有不同于单体岩石的力学特性,因此将煤与岩石作为一个组合体来进行研究对于预测和防治冲击矿压具有重要作用。本文使用RFPA对不同倾角、不同组合方式、不同围压煤岩体的冲击失稳破坏进行模拟:采用单轴和三轴载荷作用下,对不同倾角界面模型的强度与声发射现象进行分析,以探索不同煤岩倾角与围压相互作用下对冲击破坏的影响;选用不同组合条件下单轴和三轴载荷作用下的煤岩体,对煤岩体的破坏机制进行分析,并利用计算结果中的冲击能量指数和声发射能量释放特点对冲击倾向性进行深入研究。研究得到的结果表明:(1)在岩层厚度和围压对煤岩整体稳定性的研究中发现,随着岩层厚度与围压值的增加,组合体峰值强度与残余强度升高,声发射的能量峰值提高,煤岩体的脆性破坏与冲击倾向性增强。(2)基于数值模拟分析得到的结果,煤岩体的破坏主要发生在煤体内部,单轴压缩下以剪切破坏为主,裂纹形状为V型;常规三轴压缩下以剪切破坏和挤压破碎为主,裂纹形状主要为M型。(3)围压的提高降低了煤岩体的脆性破坏程度,顶板-煤体和顶板-煤体-底板的抗压强度逐渐趋近,说明围压对强度的影响程度超过了组合方式。(4) 由冲击能量指数和声发射演化规律可知,相同围压下顶板-煤体的冲击倾向性比顶板-煤体-底板的冲击倾向性更强。(5)模拟结果发现煤岩体的声发射能量特性与抗压强度呈现相同的变化规律,倾角越大,冲击破坏的危险性越低,界面滑移破坏的危险性越高。(6)通过分别模拟倾角与围压对煤岩体变形破坏时强度的影响,得到:煤岩体倾角越小、围压越大,煤岩体的抗压强度越大。相同围压下,倾角越大,煤岩体抗压强度降低的速率越快,煤岩体在高地应力大倾角下抗压强度大小主要由围压来决定。(7)在应用数值分析软件RFPA模拟不同倾角的试验中发现了,含有倾角煤岩体的破坏模型以45°倾角为界限,分为压剪破坏和界面滑移破坏两种,当a45°时,煤岩体呈现压剪破坏特征;当α≥45°时,破坏模式转变为以煤岩交界面的滑移破坏为主。


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