煤层钻孔降倾-控变-耗能防冲机制研究

来源 :辽宁工程技术大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:gaoHolly
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冲击地压是煤炭资源安全开采所面临的严峻考验,煤层钻孔由于具有操作便捷、成本低廉、可快速解危等优点,被视为冲击地压防治的常用措施。但目前煤层钻孔防冲机制的研究主要聚焦于钻孔的卸压作用,忽略了钻孔对煤体的物性改造作用,导致煤层防冲钻孔布置参数与实际工程条件不符,造成煤层钻孔防治有效性低。因此论文采用试验研究、理论分析、数值模拟和现场应用相结合的研究方法,基于煤岩冲击倾向性试验,运用冲击地压扰动响应失稳理论、岩石能量耗散理论、分形理论和定量体视学原理,研究了多类钻孔布置条件下试样的冲击倾向性差异,变形破坏及能量演化特征,揭示了煤层钻孔具有降低煤体冲击倾向、引导和控制煤体变形、增加变形能耗散的作用。并基于冲击地压扰动响应失稳理论,讨论了煤层钻孔对冲击地压启动临界条件的影响规律。在此基础上开展了煤层钻孔防冲现场实践。(1)基于不同钻孔布置试样单轴加载条件下冲击倾向试验结果,分析了钻孔作用下冲击倾向性的演化规律。发现较完整试样,随钻孔排数、列数增多,钻孔试样呈现出应力峰前塑性损伤逐渐增大,峰值强度降低、积聚弹性能减少,峰后破坏耗时延长、耗能提升的趋势,钻孔对试样冲击倾向性具有削弱作用。(2)采用数字散斑相关方法,分析了不同钻孔布置试样变形破坏、变形能密度演化的变化规律。发现钻孔布置方式改变了试样的破裂模式,完整试样由其表面中部形成应变局部化区域,并以该区域为弱面发生最终破裂;单列多排钻孔试样,在钻孔上下侧起裂,产生局部化带,并向上下延伸形成宏观裂隙;双列多排钻孔试样,在同排钻孔间的岩桥内起裂,然后在垂直钻孔间岩桥内的裂隙进一步发育,最终形成纵横及斜交的宏观裂隙。发现钻孔展现出诱导试样提升垂直钻孔方向变形、约束平行钻孔方向变形、增强垂直方向变形、减小体积变形的空间效应。(3)利用声发射监测信息和破碎颗粒特征,分析了不同钻孔布置试样的声发射特征参数变化、声发射事件能量-频次演化特点,破碎颗粒分形维数、破碎颗粒新增表面积与能量输入耗散之间的相关性。发现破碎颗粒分形维数与新增表面积具有良好的负相关性:试样破碎程度越低,分形维数越高,新增表面积越小。峰后能量释放及耗散规律与破碎颗粒新增表面积变化规律一致。钻孔提升了AE事件的活动强度,降低了高能量事件的占比。(4)基于不同钻孔试样加载全过程中的能量演化规律的对比分析表明:钻孔可以降低峰前积聚的应变能,降低峰后单位时间内释放的能量。钻孔还能够降低变形能密度增长速率UV及其峰值Uma x,同时延缓破坏时刻变形能的释放速率URV,且钻孔数越多,变形能密度峰值Uma x及释放速率URV降低幅值越大,使得更不易发生动力破坏。(5)基于冲击地压扰动响应失稳理论并结合试验测试结果,分析钻孔对试样的物性改造作用下冲击地压启动的临界载荷、临界软化区、临界应力指数的变化规律,以及临界条件对单轴抗压强度、冲击能量指数、钻孔行列数的敏感程度。获得相对钻孔列数,钻孔行数的变化对临界载荷、临界软化区、临界应力指数的影响较为显著,并降低了冲击地压发生启动的可能性。(6)针对某矿513工作面具体工程情况,在分析煤体应力及微震监测数据的基础上,发现实施单行钻孔后煤体应力随着时间的增加而重新恢复且具有升高趋势,冲击地压危险未能有效消除。采用数值模拟方法分析了煤层多行钻孔前后巷道围岩及钻孔间应力分布演化特征,发现较单行钻孔布置,多行钻孔布置扩展了应力扰动区域,进而诱导了钻孔附近围岩体产生破坏贯通,煤体应力逐渐降低,使得高应力向钻孔末端转移,降低了围岩体的冲击危险性,实现了钻孔布置的优化。该论文有图66幅,表23个,参考文献128篇。
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