【摘要】：多年來,煤炭在我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中所占比重一直保持在70%以上,使得許多煤礦提高采掘速率和進(jìn)入深部開采是必然的發(fā)展趨勢,這將使得煤礦發(fā)生煤與瓦斯災(zāi)害事故的概率進(jìn)一步增加,嚴(yán)重威脅到礦工的生命安全和礦山的經(jīng)濟(jì)效益。而煤與瓦斯災(zāi)害事故是在采掘影響下煤巖應(yīng)力、損傷和滲透率三者不斷演化的結(jié)果,因此采用巖石力學(xué)、損傷力學(xué)、滲流力學(xué)和熱力學(xué)等基本理論對煤巖應(yīng)力、損傷和滲透率的演化關(guān)系進(jìn)行研究有助于了解煤與瓦斯災(zāi)害事故的發(fā)生機(jī)理,進(jìn)而采取針對性的技術(shù)手段使三者的演化過程向抑制煤與瓦斯災(zāi)害事故的方向轉(zhuǎn)變�；谏鲜龇治�,本文的主要研究內(nèi)容如下:(1)采掘影響下煤巖應(yīng)力分布的基本特征,并采用FLAC3D軟件分別對回采面和掘進(jìn)面開挖至不同距離和不同開挖速率時的應(yīng)力分布特征進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。(2)以采掘應(yīng)力路徑為基礎(chǔ),采用含瓦斯煤熱流固耦合三軸伺服控制滲流試驗裝置進(jìn)行了不同初始圍壓、不同加載速率、不同含水率和不同圍壓卸載速率條件下的滲流試驗。(3)基于熱力學(xué)定律,研究了煤巖在不同試驗條件下的能量演化規(guī)律,并采用累積耗散能定義了損傷變量,研究了損傷演化的數(shù)學(xué)模型,分析了損傷與滲透率的演化規(guī)律。(4)研究如何采用煤層高壓注水技術(shù)和超前瓦斯排放孔技術(shù)改變采掘工作面前方煤巖應(yīng)力、損傷和滲流的演化關(guān)系向抑制煤與瓦斯災(zāi)害事故的方向轉(zhuǎn)變。采掘影響下煤巖的應(yīng)力變化是導(dǎo)致?lián)p傷和滲透率不斷演化的根本條件,而煤巖的應(yīng)力分布隨著開挖距離和開挖速率的不同具有不同的集中程度和卸壓程度,回采工作面以峰峰集團(tuán)大淑村礦172103工作面為研究對象,數(shù)值分析了開挖至30m、60m和90m以及回采速率為2m/步、4m/步、6m/步和8m/步時的煤巖應(yīng)力分布特征。數(shù)值模擬結(jié)果顯示:隨著回采距離的增加,工作面前方應(yīng)力集中范圍和集中程度均增加,其中豎直應(yīng)力集中程度最大,傾向應(yīng)力集中程度次之,走向應(yīng)力集中程度最小,三個方向的應(yīng)力集中在一定范圍內(nèi)的疊加將會加劇煤巖破壞程度,這將容易誘導(dǎo)煤與瓦斯災(zāi)害事故的發(fā)生。隨著回采速率的增加,工作面前方應(yīng)力集中范圍和集中程度均增加,其中豎直應(yīng)力的集中程度越大,但傾向應(yīng)力和走向應(yīng)力的變化受開挖速率的影響較小。煤巷掘進(jìn)中煤巖應(yīng)力分布特征的數(shù)值模擬以172103掘進(jìn)工作面為研究對象,數(shù)值分析了開挖至9m、18m和27m以及掘進(jìn)速率為1m/步、3m/步、5m/步和7m/步時的煤巖應(yīng)力分布特征。數(shù)值模擬結(jié)果顯示:隨著掘進(jìn)距離和掘進(jìn)速率的增加,工作面前方和上下幫位置的豎直應(yīng)力集中程度和集中范圍增加,工作面前方傾向應(yīng)力集中程度和集中范圍增加,對走向應(yīng)力的變化趨勢影響較小,走向應(yīng)力始終處于卸壓狀態(tài)。由采掘影響下煤巖應(yīng)力分布特征的數(shù)值分析結(jié)果和現(xiàn)場實際情況可得,回采工作面的防突措施應(yīng)以消除工作面前方煤巖的應(yīng)力集中為主,而掘進(jìn)工作面的防突措施要以消除工作面前方的應(yīng)力集中和降低瓦斯含量兩者為主。采掘影響下工作面前方存在豎直應(yīng)力升高和水平應(yīng)力降低以及豎直應(yīng)力和水平應(yīng)力降低的兩種力學(xué)路徑,以此力學(xué)路徑為基礎(chǔ)設(shè)計了不同初始圍壓、不同含水率和不同加載速率下的加軸壓卸圍壓的滲流試驗,以及圍壓不同卸載速率下的軸壓和圍壓同時卸載的滲流試驗。加卸載條件下的試驗結(jié)果表明:隨著初始圍壓的增加,煤樣的三軸破壞強(qiáng)度隨之增加,煤樣破壞后,瓦斯流量瞬間增加幅度越大,且破壞時脆性越強(qiáng),抵抗外部變形能力越強(qiáng);煤樣含水率越高,煤樣的三軸強(qiáng)度越低,在屈服階段失去抵抗外部載荷所產(chǎn)生破壞的能力越快,且塑性變形增強(qiáng),脆性破壞減弱,瓦斯流量增加越小;加載速率越大,煤樣的三軸破壞強(qiáng)度越大,煤樣破壞后,瓦斯流量瞬間增加幅度較小,抵抗外部變形能力相對較強(qiáng),不容易產(chǎn)生整體失穩(wěn)以及變形程度較小。軸壓和圍壓同時卸載條件下的滲流試驗結(jié)果表明:煤樣破壞過程激烈,應(yīng)力-應(yīng)變曲線經(jīng)歷一段近似平臺階段以后將發(fā)生破壞,且卸載速率越高,煤樣脆性破壞越強(qiáng),瓦斯流量瞬間增加幅度越小,屈服破壞過程越快,變形幅度越大。加卸載力學(xué)路徑下煤樣的破壞形式以剪切破壞為主,而軸壓和圍壓同時卸載條件下煤樣的破壞形態(tài)不僅具有剪切破壞特征,而且具有張剪破壞特征。最后,采用mogi-coulomb準(zhǔn)則,并結(jié)合有效應(yīng)力對不同試驗條件下的煤巖強(qiáng)度破壞進(jìn)行了分析,為預(yù)測煤巖破壞規(guī)律提供了參考價值�；跓崃W(xué)定律,采用能量的觀點對煤巖的變形破壞過程進(jìn)行分析,有助于解釋煤巖變形破壞的本質(zhì)和煤與瓦斯災(zāi)害發(fā)生的能量機(jī)理,也是研究煤巖損傷演化的理論基礎(chǔ)。在加卸載試驗條件下煤巖三軸變形破壞的能量演化規(guī)律表明:煤巖的變形破壞過程是能量不斷演化的過程,在煤樣屈服破壞前,煤體內(nèi)部的總能量以不斷積聚的彈性應(yīng)變能為主,而耗散能處于較低的演化狀態(tài)。當(dāng)煤樣進(jìn)入屈服狀態(tài)以后,彈性應(yīng)變能的增長速率變緩,耗散能的增加速率開始增加,直到煤樣達(dá)到破壞點以后,彈性應(yīng)變能達(dá)到最大值,并開始突然下降,耗散能開始突然增加。當(dāng)初始圍壓越高和加載速率越快時,煤樣內(nèi)部積聚的彈性應(yīng)變能越大,而含水率較高的煤樣破壞時,煤樣內(nèi)部積聚的彈性應(yīng)變能越小。在軸壓和圍壓同時卸載試驗條件下煤巖三軸變形破壞的能量演化規(guī)律表明:在軸壓加載至屈服點的過程中,煤體內(nèi)部的總能量以不斷積聚的彈性應(yīng)變能為主,而耗散能處于較低的演化狀態(tài)。從卸載點開始,彈性應(yīng)變能開始進(jìn)入近似穩(wěn)定階段演化,并且圍壓卸載速率越快,該穩(wěn)定階段持續(xù)時間越短,穩(wěn)定時間與圍壓卸載速率之間服從冪函數(shù)變化關(guān)系�；谀芰糠治龅慕Y(jié)果,通過對比損傷變量的定義方法,采用累積耗散能定義了損傷變量,并得到了損傷演化過程。基于logistic方程建立了損傷演化的數(shù)學(xué)模型,并采用麥夸特法(levenberg-marquardt)+通用全局優(yōu)化法,在非線性擬合軟件1stopt中進(jìn)行擬合分析,擬合結(jié)果表明:建立的數(shù)學(xué)模型能夠較好的描述損傷演化過程。同時研究了損傷與滲透率的耦合關(guān)系,在損傷處于較低的演化階段時,滲透率也處于較低的階段,隨著損傷的不斷累積,直到煤樣產(chǎn)生損傷破壞時,滲透率急劇猛增。當(dāng)初始圍壓越大,煤樣損傷破壞時滲透率急劇增加的幅度越大;當(dāng)含水率和加載速率較高時,煤樣損傷破壞時滲透率急劇增加的幅度越小;在軸壓和圍壓同時卸載過程中,煤樣發(fā)生損傷破壞時,滲透率急劇猛增,且卸載速率越快,滲透率增加的幅度越大,但回彈現(xiàn)象抑制了滲透率的增加幅度。煤與瓦斯動力災(zāi)害事故是煤巖應(yīng)力、損傷和滲流不斷演化的結(jié)果,然而提高采掘速率和向深部開采的趨勢使得三者的演化結(jié)果增加了災(zāi)害事故發(fā)生的概率。因此,必須采取有效的技術(shù)手段改變?nèi)叩难莼^程,預(yù)防災(zāi)害事故的發(fā)生。結(jié)合回采面的防突措施應(yīng)以控制應(yīng)力集中為主和掘進(jìn)面的防突措施應(yīng)以控制應(yīng)力集中和降低瓦斯含量兩者為主的特點,分別對回采面采用煤層高壓注水技術(shù)和對掘進(jìn)面采用超前瓦斯排放孔技術(shù)改變?nèi)叩难莼^程,使演化結(jié)果向抑制災(zāi)害事故發(fā)展的方向轉(zhuǎn)變。在分析了煤層高壓注水防突機(jī)理和結(jié)合現(xiàn)場實際情況的基礎(chǔ)上,研究了煤層高壓注水工藝參數(shù)確定方法。基于能量原理,結(jié)合不同的側(cè)向應(yīng)力系數(shù)確定了注水臨界水壓;采用數(shù)值分析的方法確定了不同注水時間下的煤巖損傷破壞范圍,得到損傷破壞范圍與注水時間之間具有對數(shù)函數(shù)變化關(guān)系,從而確定了注水孔間距�，F(xiàn)場應(yīng)用效果表明:煤層注水后,瓦斯解吸指標(biāo)明顯下降,工作面前方煤體中的部分游離瓦斯得到釋放,回采過程中上隅角和回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛让黠@下降,基本杜絕了瓦斯超限現(xiàn)象�；诰蜻M(jìn)過程中煤巖應(yīng)力分布特征,對掘進(jìn)工作面超前瓦斯排放孔進(jìn)行了設(shè)計,經(jīng)現(xiàn)場應(yīng)用表明,突出預(yù)測敏感指標(biāo)超標(biāo)現(xiàn)象和瓦斯突出動力現(xiàn)象明顯減少,巷道掘進(jìn)安全狀況大大提升,表明現(xiàn)場參數(shù)設(shè)計合理,可為煤巷安全快速掘進(jìn)提供重要保障。本文通過上述理論研究、試驗研究、數(shù)值分析和現(xiàn)場應(yīng)用所具有的創(chuàng)新點如下:(1)以采掘影響下的力學(xué)路徑為基礎(chǔ),研究了原煤試件在加卸載的力學(xué)路徑下,不同初始圍壓、不同加載速率和不同含水率的滲流試驗,以及軸壓和圍壓同時卸載下不同圍壓卸載速率的滲流試驗。并采用mogi-coulomb準(zhǔn)則,結(jié)合有效應(yīng)力對不同試驗條件下的煤巖強(qiáng)度破壞進(jìn)行了分析。(2)基于熱力學(xué)定律,研究了不同試驗條件下煤巖變形破壞的能量演化特征,分析了能量演化和煤與瓦斯突出的關(guān)系�；诶鄯e耗散能定義了煤巖損傷變量和研究了不同試驗條件下煤巖的損傷演化過程,并采用logistic方程建立了損傷演化數(shù)學(xué)模型,分析了損傷與滲透率的演化關(guān)系。(3)針對采掘工作面煤與瓦斯災(zāi)害事故的發(fā)生特點,研究了如何采用煤層高壓注水技術(shù)和超前瓦斯排放孔技術(shù)改變煤巖應(yīng)力、損傷和滲流的演化過程,從而使得三者的演化結(jié)果向抑制事故發(fā)生的方向轉(zhuǎn)變�；谀芰吭斫Y(jié)合不同的側(cè)向應(yīng)力系數(shù)確定了注水臨界水壓。同時,采用數(shù)值分析的方法研究了注水時間與煤巖損傷破壞范圍的關(guān)系,從而確定了注水孔間距�；诓删蜻^程中的煤巖應(yīng)力分布特征,對瓦斯排放孔的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計。
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TD712

【引證文獻(xiàn)】

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1 張民波;呂棟男;卜慶想;;大淑村礦172405工作面煤層注水防突技術(shù)研究及應(yīng)用[J];煤炭技術(shù);2018年04期

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本文編號：2570590