夹矸-煤组合结构破坏失稳机理研究

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夹矸赋存加剧了煤层结构复杂性,改变了煤岩结构物理力学参数,从而导致采场矿压显现异常化。论文围绕“煤层-夹矸-煤层”组合结构,借助理论分析、室内试验、数值模拟及工程实践等手段,对夹矸-煤组合结构破坏失稳机理、宏细观参量演化规律和前兆信号特征以及多因素影响机制等内容进行了系统研究。建立了基于摩尔-库伦准则及临空复杂力学条件下夹矸-煤组合结构破坏失稳力学模型,提出了组合结构破坏失稳力学判据。结果表明:夹矸-煤组合结构破坏失稳与接触面条件及力学环境有关,当接触面条件及力学环境无法满足滑移判据条件时,结构失稳表现为煤岩体破碎失稳;当仅一个接触面满足滑移判据条件时,结构失稳表现为单一接触面滑移破碎失稳,当两个接触面均满足滑移判据条件时,结构失稳表现为双接触面滑移破碎失稳。另外,动载扰动可改变主应力大小、方向及接触面摩擦性质,从而促进组合结构失稳,同时可改变结构失稳形式。借助单轴压缩试验及颗粒流数值模拟,研究了夹矸-煤组合结构的破坏失稳机理,提出了组合结构的主要失稳形式。结果表明:煤岩破碎失稳主要由接触面剪切作用及煤岩高度比差异造成的应力集中导致;单一接触面滑移破碎失稳主要由接触面滑移剪切作用、煤岩高度比差异及滑移扭转造成的应力集中导致;双接触面滑移破碎失稳主要由接触面滑移剪切作用导致。另外,动载扰动促进了组合结构的变形破坏及接触面滑移,加速了结构的失稳。基于声发射数据监测及数值模拟参量追踪,揭示了夹矸-煤组合结构破坏失稳变形、裂隙发育及应力分布演化规律和组合结构的动力失稳特征,指出单一接触面滑移(粘滑)破碎时的“低应力条件下高能量释放”特征。根据参量演化规律,提出组合结构失稳过程中的应力响应、裂隙发育及能量释放主要经历稳定-开始出现不稳定-短暂稳定-失稳4个阶段,同时,基于失稳前的蓄能过程提出组合结构失稳前兆信号特征:1)应力波动、裂隙发育及能量释放减缓;2)声发射事件b值由高值迅速降低;3)断层总面积出现相对低值。提出了夹矸-煤组合结构失稳强度多因素影响机制,指出组合结构失稳强度主要受到接触面倾角、接触面粗糙度、应力加载速度、煤岩体强度以及动载前初始静载应力水平、动载频率及幅值等因素的影响,其中,接触面倾角、应力加载速度及动载扰动对组合结构失稳强度影响作用较大。基于赵楼煤矿1307冲击危险工作面强矿震事件及7301强冲击危险工作面夹矸赋存区开采微震参量特征,验证了夹矸区煤矸接触面破断滑移的致灾机理及其前兆信号特征,并提出了冲击危险工作面夹矸赋存区冲击地压防治方法。该论文有图149幅,表17个,参考文献208篇。
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