【摘 要】
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煤体的采掘活动是复杂的加卸载力学过程,会破坏初始地应力平衡,导致煤矿动力灾害的发生,制约煤矿的安全高效开采。矿井巷道掘进后,围岩应力状态发生改变,部分煤岩体发生塑性破坏,在应力重新趋于平衡的过程中,围岩卸压区内部将产生大量裂隙。由于围岩卸荷强度劣化使得煤体力学参数与常规力学实验获得的参数有所差异,考虑围岩的卸荷强度劣化更符合其应力演化过程,故使用常规力学实验获取煤体力学参数分析巷道围岩塑性区宽度,
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煤体的采掘活动是复杂的加卸载力学过程,会破坏初始地应力平衡,导致煤矿动力灾害的发生,制约煤矿的安全高效开采。矿井巷道掘进后,围岩应力状态发生改变,部分煤岩体发生塑性破坏,在应力重新趋于平衡的过程中,围岩卸压区内部将产生大量裂隙。由于围岩卸荷强度劣化使得煤体力学参数与常规力学实验获得的参数有所差异,考虑围岩的卸荷强度劣化更符合其应力演化过程,故使用常规力学实验获取煤体力学参数分析巷道围岩塑性区宽度,会导致结果不准确。为准确获得煤体卸荷条件下巷道围岩塑性区宽度,以祁南煤矿7228工作面机巷为背景,首先开展力学实验准确获得煤的强度参数,再结合理论分析、FLAC 3D数值模拟、COMSOL数值模拟的方法进行松软煤体卸荷强度劣化的巷道围岩塑性区宽度研究,同时采用了多种测定方法相结合的手段在现场进行测定,验证理论分析结果的可靠性。本文主要结论如下:（1）巷道开挖使围岩初始应力重新分布,围岩应力为垂向应力增加,水平应力降低的演化过程,确定围压卸载、轴压加载为煤体力学实验力学路径,利用祁南煤矿72煤制备型煤试样开展了6组不同围压下常规三轴加载实验和6组不同围压下的峰前卸围压实验,研究了不同应力路径下煤样的强度参数、强度变形特性和破坏形式。随着围压的增加,煤样的峰值强度和弹性模量均不断增大,且逐渐由脆性向延性转变,卸荷条件下煤样表现出更强的脆性特征。常规三轴加载路径下煤样的内聚力为1.92MPa,峰前卸围压路径下煤样的内聚力为1.69MPa,下降了11.98%。（2）利用FLAC 3D数值仿真软件,在14种不同工况下,对7228机巷开挖塑性区模拟,研究了自重应力、构造应力以及煤体强度对巷道围岩塑性区宽度变化的影响规律。随着自重应力增加,塑性区宽度呈增加趋势,变化速率先大后小;构造应力对巷道围岩塑性区宽度影响呈反比关系,变化速率平缓。考虑松软煤体卸荷强度劣化后,整体上看自重应力与构造应力对巷道围岩塑性区宽度影响规律相同,但在相同工况条件下塑性区宽度普遍增加,增加速率随自重应力增加而先减小后增加,随构造应力增加先增大后减小。开挖巷道时,径向应力卸载、切向应力增加,选取松软煤体峰前卸围压实验中获取的煤体参数进行模拟,即考虑松软煤体卸荷强度劣化结果更加符合实际。（3）在祁南煤矿7228工作面机巷进行塑性区宽度现场测定实验,统计地应力监测装置在距巷壁不同深度的监测结果发现,6m、9m、12m处垂向应力峰值大小分别为17.59MPa、16.4MPa、13.8MPa。钻屑量最大值出现在4～5m取屑区间为4.77Kg;钻屑粒径分布在4～6m取屑区间内小粒径占比最高,达40%左右。松软煤体卸荷强度劣化的巷道弹塑性二次应力分布模拟结果更符合钻屑量与钻屑粒径分布规律以及各监测点应力数值大小关系,确定巷道围岩塑性区宽度约为5m。运用COMSOL数值模拟软件对巷道开挖后两侧的瓦斯流动行为进行模拟,得到巷道开挖后瓦斯压力与瓦斯含量随距巷道壁的距离变化关系。通过现场实验测得,煤层残余瓦斯可解吸量均小于0.14m~3/t、钻屑解吸指标Δh2在30Pa上下波动,与COMSOL数值模拟测定的巷道围岩塑性区内瓦斯经过抽采后得到了充分释放的结果一致。该论文共有图76幅,表14个,参考文献67篇。
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