损伤煤岩破裂机理及裂隙演化规律研究

来源 :中国矿业大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:soul566
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经过长期开采,浅部煤炭资源日益枯竭,煤矿开采深度逐年增加,面临的地质环境越来越复杂。巷道围岩含有不同程度的初始损伤,受到强烈的采动影响后,巷道经常出现大变形。有效控制含不同程度初始损伤巷道围岩的变形已成为亟待解决的问题。本文综合运用实验室试验、理论分析、数值模拟和现场试验的研究方法,以控制损伤围岩变形为研究目标,从宏细观角度研究了不同损伤煤体三轴及真三轴裂隙演化规律及破裂机制,建立不同损伤煤体真三轴应力应变本构模型,结合大佛寺矿地质条件,深入分析了锚杆支护参数对锚杆间围岩裂隙演化的影响。(1)采用能量法对煤样的初始损伤变量进行定义,研究增幅、恒幅和分段循环加卸载下煤样的损伤演化规律,根据此规律制作了含不同初始损伤程度的煤样。采用AE手段监测循环加卸载试验过程中煤样的声发射信息,分析了立方体煤样的声发射规律。研究表明随初始损伤程度的增大,煤样的弹性模量和三轴抗压强度下降,峰后曲线也由跌落时的脆性,逐渐转化为分阶段跌落和缓慢下降的延性。(2)基于横向应变和体积应变法,采用常规三轴压缩试验,分析了不同围压下不同初始损伤程度煤体裂纹特征应力。研究表明煤样裂纹萌生阈值和损伤阈值均随围压的增大非线性增加。随着煤样初始损伤程度的增加,裂纹萌生应力值随之出现线性增长裂纹损伤应力值线性减小。(3)基于能量密度和瞬时泊松比法,采用真三轴压缩试验,分析了不同中间主应力下不同初始损伤程度煤样特征应力。发现随着中间主应力的增加,裂纹萌生应力值呈非线性变化。随着中间主应力增加,裂纹萌生应力值逐渐增加,说明σ2在一定程度上抑制了裂纹的萌生。当中间主应力达到20MPa时,裂纹萌生应力开始减小,因为当σ2超过特定值后,会在试样内部产生拉应力,促进裂纹的萌生。随着煤样损伤程度的增加,裂纹萌生应力值呈现非线性减小趋势,裂纹损伤应力值呈现先增加后减小的非线性变化趋势。(4)基于细观统计损伤理论,假设煤样内部微元强度服从Weibull概率分布,建立含初始损伤煤样的损伤演化方程。引入Drucker-Prager强度准则衡量微元强度,根据煤样裂纹损伤效应,考虑煤样裂隙萌生前和萌生后两个阶段,建立了能够准确描述在真三轴压缩下不同损伤程度煤样的统计损伤本构模型。根据室内试验获取的应力-应变曲线峰值点的几何特征,推导了煤样损伤本构模型参数的理论表达式。将室内试验得到的参数代入到该本构模型中,获取不同围压下不同损伤程度煤样的理论应力-应变曲线,该曲线与试验曲线吻合程度较好,说明该本构模型能够较好地反映真三轴条件下不同损伤程度煤样的应力-应变关系。(5)基于颗粒离散元方法,从细观角度揭示了不同中间主应力下不同初始损伤程度煤样的真三轴压缩破坏特征。利用机器学习算法,建立获取颗粒流数值模型细观力学参数的神经网络。发现随着中间主应力的增加,模型裂隙倾向相对频率分布玫瑰图差异性逐渐增加,力链最大接触力下降。中间主应力增加时,储能极限逐渐升高,而当中间主应力增大到20MPa时的,储能极限反而下降。随着煤样初始损伤程度的增加,倾向在170°~190°和10°~350°之间的裂隙分布概率逐渐增加,煤样储能极限不断下降。(6)基于大佛寺矿地质条件建立了考虑煤层底板等高线的数值模型,研究了在不同工作面采动影响下,不同底板标高和走向的巷道围岩变形位移及应力分布规律。通过连续-离散耦合数值模型,从工程尺度分析了锚杆的止裂效应。发现提高锚杆支护密度、锚杆长度和预紧力能抑制巷道围岩内剪切裂隙和张拉裂隙的生成。增加锚杆支护密度和长度对张拉裂隙的抑制更为明显,而增大锚杆预紧力对剪切裂隙的抑制更为明显。基于以上结论提出的支护方案,有效地控制了多重采动影响下巷道围岩变形。该论文有图113幅,表25个,参考文献210篇。
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