【摘要】：為了分析實施水力割縫、沖孔等水力化卸壓增透技術后的煤層在煤巷掘進中發(fā)生的煤壁片幫、打鉆卡鉆等問題,采用物理相似模擬結合顆粒流軟件PFC數值模擬的方法,模擬分析了圍壓條件下切槽煤層內部應力、裂隙的動態(tài)演化過程,探討了煤層切槽后的損傷破壞特征。結果表明:煤層內有多個切槽分布時,相鄰切槽端出現(xiàn)應力集中且煤體損傷發(fā)育,而切槽面上下側煤體的卸壓作用顯著;隨著切槽厚度的增大,切槽面卸壓效果增強,煤體易損傷變形,孔隙率隨之顯著增大。煤層內切槽會增強煤體應力場和裂隙場的不均一性,切槽端和邊界處應力集中使煤體不穩(wěn)定,設計合理的切槽尺寸是降低煤巷打鉆與巷道維護難度的有效方法。
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圖片說明： 物理相似模擬和顆粒流PFC數值模擬方法，模擬分析了圍壓下切槽煤體的應力、損傷演化過程，直接論證了切槽煤體應力嘗裂隙場的分布特征，以客觀揭示水力割縫、沖孔煤層的應力損傷。1切槽煤層損傷演化的物理模擬1.1相似模型設計相似模擬試驗是以相似理論為基礎的模型試驗技術，是一種用于對理論研究結果進行分析和比較的有效手段［18］。由于裂隙擴展在實際中監(jiān)測很困難，試驗中通過監(jiān)測煤體中的應力演化與數值模擬相結合進行分析。古漢山礦1603工作面二1煤層埋深約400m，煤層厚度約5m，相似模擬模型設計如圖1所示。模型中分別設計大切槽、中等切槽和小切槽3種，3種切槽的長度×寬度均為400mm×100mm，切槽的厚度分別為60、40和20mm;每種切槽均設計2條，通過預先在設計位置埋設長方形鋼盒子實現(xiàn)，試驗時將鋼盒抽出后形成切槽，相鄰切槽的兩端距離均為100mm。采用動靜態(tài)應變儀監(jiān)測預埋的土壓力盒傳感器監(jiān)測應力變化，土壓力盒主要布置于切槽之間和切槽上下方，包括煤層與頂底板交界處，具體尺寸設計如圖1所示。X－2型土壓力傳感器;2—預制切槽;B、M、U為傳感器編號圖1煤層內切槽相似模擬模型設計ig.1Simulationmodeldesignofcoalseamslotting模型五面受限制，通過模型上方液壓油缸加載應力。煤層、頂底板巖層的相似材料容重與實際巖體的比為1∶10，幾何相似比按1∶10設計，由相似第一定律式可知，應力相似比為1∶100。液壓油缸壓力σ0與壓板壓力σz的關系見式(1):σz=πr2σ0/a2(1)式中:r為油缸半徑;a為正方形加載壓板邊長。根據經驗公式σ=γH，γ為容重，在煤層埋深H約400m時，地應力約為10MPa，即相似模擬中的σz為0.1MPa。根據加載油缸的半徑為6mm，壓板邊長為46mm，可以推算油缸壓力
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圖片說明： 2015年第12期煤炭科學技術第43卷1450kg/m3，球－球接觸模量為0.8GPa，顆粒剛度比為1.0，顆粒間摩擦因數為0.5。顆粒與顆粒之間采用平行粘接，煤層內的顆粒粘接模量為0.8GPa，法向與切向應力均值均為4MPa，法向與切向應力標準偏差均為0.01MPa。頂底板巖層的參數設置相同，其粘接強度是煤層的5倍。為了模擬圍壓限制條件，對模型的四面墻設置限制條件，模型的顆粒分布如圖3a所示;在煤體中按照圖3b所示的布置方式挖槽，并進行模型初始平衡。為了記錄切槽周圍煤體的損傷變化，設計直徑為100mm的損傷參數考察單元體，如圖3b所示。數值計算中在豎直方向上按一恒定速度進行加載，模型的側墻采用伺服控制，保持恒定的圍壓條件。數值計算步長為15萬步，分別對8萬、12萬和15萬步的模型粒子結構，顆粒接觸力、裂紋分布進行記錄，并對每個單元體內的參數進行記錄。PFC中定義了描述顆粒間相互接觸情況的配位數，計算中可以通過記錄單元體配位數的變化分析煤體損傷破壞的程度。圖3顆粒流模型及切槽分布Fig.3Particleflowmodelandslotsdistribution2.2煤層損傷演化分析模型粒子結構、應力和裂隙分布如圖4所示，隨著加載步長的增大，大切槽周圍先發(fā)生變形位移，顆粒向槽中運移填充，，切槽周圍煤體變形顯現(xiàn)，切槽空間縮小;模型中小切槽和中等切槽區(qū)域應力顯現(xiàn)，相鄰切槽間應力集中顯著，隨著計算步長增大，大切槽和中等切槽區(qū)域應力降低，而小切槽區(qū)域應力集中一直很大;相鄰切槽間煤體的裂紋發(fā)育，應力加載初期，大切槽和中等切槽區(qū)域裂紋發(fā)育，隨著加載時長增加，大切槽周圍裂紋擴展不顯著，但張拉破裂明顯增多，中等切槽周圍裂紋增多，以剪破裂為主，小切槽周圍裂紋增多并向頂底板擴展，切槽邊界煤體裂紋發(fā)育顯著。小切槽周圍A、B單
【作者單位】： 煤炭科學技術研究院有限公司安全分院;煤炭資源高效開采和潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學研究總院);中國礦業(yè)大學安全工程學院;
【基金】：國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973計劃)資助項目(2011CB201206) 國家科技重大專項資助項目(2011ZX05040-001,2011ZX05063-009) 國家自然科學基金青年基金資助項目(51444006)
【分類號】：TD712.6;TD353

【參考文獻】

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本文編號：2514166