采掘影响下煤岩应力-损伤-渗流特性研究及应用

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1、ChinaUniversityofMining&Technology,Beijing博士学位论文采掘影响下煤岩应力-损伤-渗流特性研究及应用学院：资源与安全工程学院学号：TBP120102063作者：张民波学科专业：安全科学与工程导师：朱红青2015年6月中图分类号：TD712密级：单位代码：11413博士学位论文中文题目：采掘影响下煤岩应力-损伤-渗流特性研究及应用英文题目：Stress-Damage-SeepageCharacteristicsofCoalundertheInfluenceofMiningandTh

2、eirApplication作者：张民波学号：TBP120102063学科专业：安全科学与工程研究方向：瓦斯灾害防治导师：朱红青职称：教授论文提交日期：2015年4月14日论文答辩日期：2015年6月8日学位授予日期：2015年6月24日中国矿业大学（北京）摘要多年来，煤炭在我国能源消费结构中所占比重一直保持在70%以上，使得许多煤矿提高采掘速率和进入深部开采是必然的发展趋势，这将使得煤矿发生煤与瓦斯灾害事故的概率进一步增加，严重威胁到矿工的生命安全和矿山的经济效益。而煤与瓦斯灾害事故是在采掘影响下煤岩应力、损伤和渗透

3、率三者不断演化的结果，因此采用岩石力学、损伤力学、渗流力学和热力学等基本理论对煤岩应力、损伤和渗透率的演化关系进行研究有助于了解煤与瓦斯灾害事故的发生机理，进而采取针对性的技术手段使三者的演化过程向抑制煤与瓦斯灾害事故的方向转变。基于上述分析，本文的主要研究内容如下：（1）采掘影响下煤岩应力分布的基本特征，并采用FLAC3D软件分别对回采面和掘进面开挖至不同距离和不同开挖速率时的应力分布特征进行了数值模拟分析。（2）以采掘应力路径为基础，采用含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服控制渗流试验装置进行了不同初始围压、不同加载速率、不

4、同含水率和不同围压卸载速率条件下的渗流试验。（3）基于热力学定律，研究了煤岩在不同试验条件下的能量演化规律，并采用累积耗散能定义了损伤变量，研究了损伤演化的数学模型，分析了损伤与渗透率的演化规律。（4）研究如何采用煤层高压注水技术和超前瓦斯排放孔技术改变采掘工作面前方煤岩应力、损伤和渗流的演化关系向抑制煤与瓦斯灾害事故的方向转变。采掘影响下煤岩的应力变化是导致损伤和渗透率不断演化的根本条件，而煤岩的应力分布随着开挖距离和开挖速率的不同具有不同的集中程度和卸压程度，回采工作面以峰峰集团大淑村矿172103工作面为研究对象

5、，数值分析了开挖至30m、60m和90m以及回采速率为2m/步、4m/步、6m/步和8m/步时的煤岩应力分布特征。数值模拟结果显示：随着回采距离的增加，工作面前方应力集中范围和集中程度均增加，其中竖直应力集中程度最大，倾向应力集中程度次之，走向应力集中程度最小，三个方向的应力集中在一定范围内的叠加将会加剧煤岩破坏程度，这将容易诱导煤与瓦斯灾害事故的发生。随着回采速率的增加，工作面前方应力集中范围和集中程度均增加，其中竖直应力的集中程度越大，但倾向应力和走向应力的变化受开挖速率的影响较小。煤巷掘进中煤岩应力分布特征的数值

6、模拟以172103掘进工作面为研究对象，数值分析了开挖至9m、18m和27m以及掘进速率为1m/步、3m/步、5m/步和7m/步时的煤岩应力分布特征。数值模拟结果显示：随着掘进距离和掘进速率的增加，工作面前方和上下帮位置的竖直应力集中程度和集中范围增加，工作面前方倾向应力集中程度和集中范围增加，对走向应力的变化趋势影响较小，走向应力始终处于卸压状态。由采掘影响下煤岩应力分布特征的数值分析结果和现场实际情况可得，回采工作面的防突措施应以消除工I作面前方煤岩的应力集中为主，而掘进工作面的防突措施要以消除工作面前方的应力集中

7、和降低瓦斯含量两者为主。采掘影响下工作面前方存在竖直应力升高和水平应力降低以及竖直应力和水平应力降低的两种力学路径，以此力学路径为基础设计了不同初始围压、不同含水率和不同加载速率下的加轴压卸围压的渗流试验，以及围压不同卸载速率下的轴压和围压同时卸载的渗流试验。加卸载条件下的试验结果表明：随着初始围压的增加，煤样的三轴破坏强度随之增加，煤样破坏后，瓦斯流量瞬间增加幅度越大，且破坏时脆性越强，抵抗外部变形能力越强；煤样含水率越高，煤样的三轴强度越低，在屈服阶段失去抵抗外部载荷所产生破坏的能力越快，且塑性变形增强，脆性破坏减

8、弱，瓦斯流量增加越小；加载速率越大，煤样的三轴破坏强度越大，煤样破坏后，瓦斯流量瞬间增加幅度较小，抵抗外部变形能力相对较强，不容易产生整体失稳以及变形程度较小。轴压和围压同时卸载条件下的渗流试验结果表明：煤样破坏过程激烈，应力-应变曲线经历一段近似平台阶段以后将发生破坏，且卸载速率越高，煤样脆性破坏越强，瓦斯流量瞬间增加幅度越小，