坚硬厚煤层分区域扰动破坏机理及弱化方法

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1、ChinaUniversityofMining&Technology,Beijing博士学位论文坚硬厚煤层分区域扰动破坏机理及弱化方法作者：赵健健学院：资源与安全工程学院学号：TBP150101025学科专业：采矿工程导师：张勇2018年6月中图分类号：TD313单位代码：11413密级：公开博士学位论文中文题目：坚硬厚煤层分区域扰动破坏机理及弱化方法英文题目：Failuremechanismofhardthickcoalundervarioustypesofdisturbanceatthefro

2、ntofminingface作者：赵健健学号：TBP150101025学科专业：采矿工程研究方向：矿山压力与岩层控制导师：张勇职称：教授论文提交日期：2018年3月29日论文答辩日期：2018年6月7日学位授予日期：2018年6月25日中国矿业大学（北京）本论文由国家重点研究发展项目资助《深部岩体力学与开采理论》DeepRockMechanicsandMiningTheory项目编号：2016YFC0600708摘要摘要厚煤层综放开采是厚煤层安全高效开采的主要方法之一。综放开采时顶煤的充分破碎是提

3、高顶煤回收率的关键。已有研究表明，支承压力区煤体裂隙的发育程度对顶煤的破碎块度影响较大，且不同强度煤体在采动应力作用下呈现出不同的演化模式。支承压力区煤体的裂隙发育与煤体所受轴向、侧向应力大小及作用路径也有较大关系。为此，论文基于忻州窑矿11&12#坚硬煤层，运用理论、数值模拟和试验等方法，研究了坚硬顶煤经历“原岩应力区预裂弱化-支承压力区扰动-支架控顶区升降扰动”全过程中的破坏机理，主要从以下几方面开展了工作：（1）通过现场调研，在实验室进行煤样单轴压缩试验，并总结了前人对忻州窑矿岩石力学参数和

4、地应力的研究结果，确定论文研究采用的煤体力学参数为单轴抗压强度29.29MPa、弹性模量26.9GPa、泊松比0.23，确定8935工作面的地应力在10MPa左右。（2）结合以往坚硬煤层弱化的实践经验，预裂爆破的方法对坚硬煤体的弱化具有较好的效果。但由于缺乏相关的理论支撑，爆破方案主要通过观测顶煤放出效果适当改进，没有形成科学的优化方法。论文基于有限元动力分析方法引入爆破产生的压力p与煤体孔隙率α关系为基础的p-α状态方程描述爆破应力与材料体应变的关系，采用累计塑性应变Δε与最终失效应变εp的比值

5、表示损伤变量，描述煤体裂隙扩展，考虑了材料在动态压、拉作用下的应变率效应，对煤体在动载下的力学响应分段表示为弹性阶段、应变硬化阶段和损伤软化阶段，运用位移不连续方法，构建了应力波反射与透射效应的节理面模型，基于此，建立了煤体爆破损伤模型，并设置了多孔微差爆破模型、不同孔间距爆破模型、不同地应力场爆破模型和含节理面爆破模型，并提出了爆破破碎块度评价方法，研究结果表明：①双孔同时爆破产生的应力波叠加场，能将爆破能量充分用于双孔连线方向的煤体破碎，适用于切缝爆破、光面爆破等工程；双孔延时爆破能使爆破能量

6、分散于双孔间更大范围，促使孔间岩体产生较均匀分布的裂隙，有利于孔间岩体均匀破碎，适用于煤岩体爆破破碎工程。不同孔间距的延时爆破能导致孔间岩体形成不同的破碎块度，可根据工程需要通过理论或试验的方法确定合理的孔间距。②垂直于爆破应力波传播方向的节理面对应力波传播有阻碍作用，阻碍效果随节理数量增多而增强，传播应力较大时，在节理面的反射应力波易导致节理面前方煤体产生拉伸破坏；应力波传播方向与节理面平行时，应力波易导致裂隙沿节理端部扩展。应力波在正交节理交叉点产生的反射应力波相互叠加易使交叉点附近煤体破坏，

7、穿透节理面的应力波叠加作用易使裂隙沿交叉点往远处扩展。I中国矿业大学（北京）博士学位论文③对三角形、四边形、四边形+中心空孔的布孔方案三种爆破方式下煤体破碎块度进行统计，发现三角形、四边形的布孔方式有利于孔间岩体均匀破碎，小块度占岩体总体积的95%以上；四边形+中心空孔的布孔方案中，空孔起到裂隙导向的作用，在爆破孔与空孔连接线以外的区域破碎块度较大，因此，该方案适用于控制爆破工程。研究成果为煤矿开采中煤体爆破方案优化提供了理论支撑。④对于双向等压原岩应力场，爆破产生的径向裂隙长度及数量随地应力增加

8、而减小，爆破裂隙沿炮孔径向仍均匀分布；对于双向不等压应力场，爆破裂隙趋向于沿最大主应力方向扩展，而沿最小主应力方向裂隙长度趋于减小。对含节理面模型，爆破裂隙优先趋于沿节理面方向扩展。（3）在总结放顶煤采场支承压力分布规律的基础上，运用弹塑性力学、断裂力学理论，对采场前方裂隙萌生、发育到失稳扩展的力学条件进行了分析，阐述了采场前方裂隙发育过程。理论分析表明，采场前方煤体裂隙发育与其所承受的最大主应力σ1、最小主应力σ3有关，二者交互变化对裂隙的扩展和裂隙数量有较大影响。根据煤体在峰后