掘巷影响下积水采空区隔水煤体损伤破坏规律及失稳致灾机理研究

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老空水害是影响矿井安全生产的重要因素之一。而同层老空突水事故在老空水害事故中占比很大。研究同层老空突水孕灾机理,完善防治基础对老空水害的治理具有重要意义。本文以巷道掘进诱发同层老空突水为背景,选取积水采空区与掘进巷道迎头之间的隔水煤体作为研究对象,综合采用理论分析、试验研究、数值模拟和相似模拟的手段对掘巷影响下采空区隔水煤体损伤破坏规律及致灾机理进行了全面研究,主要研究成果如下:(1)通过对山西省同层老空突水典型事故案例的分析,根据老空积水空间的差异将巷道掘进引发的同层老空突水分为采空区积水型和老巷积水型两大类。运用岩体极限平衡理论和突变理论对两种积水类型的隔水煤体尺寸进行了理论分析,提出了相应的计算方法。将巷道迎头与老空积水之间的隔水煤体划分为巷道掘进扰动塑性区、弹性核区、老空开挖扰动塑性区。结合不同区域隔水煤体所处的应力环境和积水环境特点,分析了影响隔水煤体损伤劣化的主要因素。(2)靠近积水采空区一侧的隔水煤体近似处于轴向压缩的一维应力状态,针对采空区积水高度的不同,从基础研究的角度出发,开展了不同浸水高度(0%、25%、50%、75%、100%)煤体的单轴压缩试验,探究了水分的非均匀分布对煤体损伤破坏的影响规律。随着浸水高度的增加,局部浸水煤体的强度呈现逐步增大的趋势,浸水25%高度的煤体强度最低。在损伤破坏过程中,局部浸水煤体存在明显的非均匀变形特性,引入非均匀变形系数对浸水煤体的非均匀变形程度进行量化分析,发现浸水25%高度的煤体非均匀变形程度最大,非均匀变形加剧了煤体的损伤破坏。(3)针对积水采空区一侧煤体存在裂隙发育的情况,为探究含水率与裂隙角度对隔水煤体损伤破坏的影响,开展了不同含水率预制裂隙煤体单轴压缩损伤破坏试验。研究得到,随着含水率的增加,煤体的峰值强度和弹性模量都逐渐降低;随着角度增加,煤体弹性模量逐渐增大,峰值强度先减小后增大,预制裂隙角度为30°时,强度最低。相较于含水率,裂隙角度对煤体裂纹扩展的影响更为显著。基于数字图像相关技术和声发射监测技术,研究了不同含水率预制裂隙煤体在变形过程中的多参量响应特征,探讨了含水率和裂隙角度对含裂隙煤体损伤破坏的影响机制,揭示了预制裂隙煤体破坏过程中声发射b值与表面应变场的协同演化规律。(4)位于中部弹性核区的煤体受到两侧煤体的限制,近似处于三向受压的应力状态。针对这部分煤体可能承受水压力、围岩静载和扰动载荷的多源应力情况,开展了不同水压力、扰动载荷作用下的含裂隙煤体三轴压缩破坏试验,探究了水压、扰动载荷对裂隙煤体的损伤劣化机制。研究得到,随着水压的增大,裂隙煤体强度逐渐降低;煤体的三轴压缩强度随角度增加呈现先减小后增大的趋势,其中预制裂隙角度为30°时强度最小。扰动荷载对煤体的损伤程度与预制裂隙角度表现出明显的相关性,随着预制裂隙角度的增加,损伤程度先增加后减小。扰动荷载进一步诱使煤体内部微裂纹萌生和扩展,使得煤体整体破坏形态更加破碎。(5)选取同层采空区积水威胁下的巷道掘进作为具体的工程背景,概化出同层积水采空区影响下巷道掘进的地质模型,构建了相应的三维流固耦合数值模型及物理相似模型。从工程尺度上,模拟分析了巷道掘进过程中隔水煤体失稳破坏演化过程。研究得到,随着巷道掘进,隔水煤体尺寸逐渐减小的过程中,塑性区发育、渗流场扩展、集中应力的演化具有高度的相关性。最后综合研究成果提出了隔水煤体稳定性监测预警技术思路,对采空区突水灾害的预防提供一定有益参考。
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