基于能量耗散的软硬互层采动裂隙演化规律实验研究.doc

基于能量耗散的软硬互层采动裂隙演化规律实验研究随着我国煤矿开采深度及强度的不断增加,煤层瓦斯灾害随之加强,加之煤层瓦斯赋存的“三高三低”特征,使得单一抽采瓦斯方法的治理效果不甚理想,利用煤层开采后卸压抽采瓦斯,是我国煤矿瓦斯治理的重要方向。本文系统评述了采动裂隙演化及破断规律、岩石裂隙定量描述分形计算、岩体变形失稳能量分析等诸多成果,认为从能量角度分析采动裂隙演化过程,是定量描述采动裂隙演化及分布机制的关键。本文选择典型岩样,根据煤层开采过程中煤岩体的力学行为,通过实验室实验研究了单轴循环加载、加载速率、围压、高径比、岩性等条件下岩体变形破坏过程中弹性能密度、耗散能密度变化规律,得到了岩体变形破坏过程中的能量耗散规律,据此构建了基于能量耗散的损伤本构方程,对软硬互层岩体受拉、压应力状态下软硬互层岩体积聚能量进行分析,建立了基于可释放能量的软硬互层岩体破坏准则,以此分析了软硬互层覆岩的破坏类型,受压时,软岩层先于邻近硬岩层发生破坏,而受拉时,软硬互层岩体以形成离层裂隙为主。通过物理相似模拟实验及FLAC3D数值模拟,分析煤层开采后裂隙发展及分布形态、应力分布、声发射特征随软硬互层厚度比变化曲线,得到软硬互层对采动裂隙演化及分布规律、应力分布、声发射特征的影响规律,随岩性的增强,采动影响范围逐渐减小,而影响强度增大。通过理论分析,结合物理相似模拟实验及数值分析结果,对岩层自重、上部岩层施加的垂直作用力、层间摩擦力及层间粘结力产生的滑动阻力分布状态进行分析,得到岩层破断后悬伸长度,结合各岩层力学状态及几何尺寸,确定工作面达到一定推进距后岩层破断高度,优化了椭抛带数学模型,进而得到软硬互层条件下采动裂隙分布形态的数学方程。基于物理相似模拟实验及数值分析结果,从能量耗散角度分析了采动裂隙演化过程,确定了岩层破断后岩块长度、形成裂隙条数、裂隙密度及裂隙分形维数水平分布方程,定量研究了采空区裂隙密度及裂隙分形维数分布规律,得到软硬互层条件下覆岩采动裂隙分布特征。利用微震监测系统及钻孔窥视仪对山西和顺天池能源有限责任公司301工作面开展现场工业性试验,分析微震事件随着工作面推进三维空间分布规律、钻孔内裂隙尺寸分布规律,确定采动裂隙分布形态及特征,进一步验证了软硬互层岩体采动裂隙演化及分布规律,同时,将其应用于现场,指导高抽巷抽采瓦斯。本文引入分形维数系数,得到其计算方程,定量研究了软硬互层岩体采动裂隙分布特征,优化了椭抛带数学模型,得到软硬互层岩体采动裂隙分布形态数学方程,从能量角度结合岩石的力学行为,揭示了软硬互层覆岩采动裂隙演化机理,为卸压抽采瓦斯技术的实施提供更为准确的数据支撑,为实现煤与瓦斯安全共采提供一定的理论基础。