煤层群上行采动坚硬顶板能量释放耗散及其防冲机理研究

摘要

近距离煤层群坚硬顶板条件下，采用上行卸压开采是防治冲击地压的有效手段之一。目前关于裂隙岩体本构模型的研究较少考虑能量耗散的影响，基于能量耗散的初始损伤岩体本构模型尚未建立，对于上行卸压开采防治冲击地压机理的研究主要集中在覆岩应力场、位移场及裂隙发育规律等方面，并没有对煤层群上行开采能量积聚与耗散规律进行系统研究。然而，煤岩体的变形破坏是一种能量驱动下的状态失稳现象，具有强烈的非线性、各向异性和不可逆特征，伴随着各种形式的能量释放与耗散。因此，采用连续介质力学理论与能量理论相结合来研究煤层群上行开采防冲机理是一种有效的方法。本文采用理论分析、室内试验与数值模拟相结合，对煤层群上行开采能量释放与耗散规律及其防冲机理进行了较系统的研究，主要工作如下:
　　(1)以连续介质损伤力学理论为基础，推导了基于能量耗散的初始损伤岩体本构方程，试验揭示了不同岩性岩石循环加卸载时的能量释放与耗散规律，并获得了基于能量耗散损伤变量的演化方程及本构方程中各项参数的取值。
　　(2)推导了初始损伤岩体本构方程的增量差分格式，采用VC++语言实现了初始损伤岩体本构模型在FLAC3D中的开发，采用标准试件的单轴压缩试验验证了本构方程及开发程序的正确性;采用自定义的初始损伤岩体本构模型对煤层群上行开采过程进行模拟计算，揭示了上行开采过程中煤岩系统能量积聚与耗散规律，并获得了层间距、岩性对上行开采过程中能量积聚与耗散的影响。
　　(3)基于评价煤岩石冲击倾向性的冲击能指标，提出了基于损伤的冲击倾向性评价指标，研究了上行开采对煤层冲击倾向性的影响;根据煤体在冲击地压发生过程中所起的作用，将煤体划分为冲击地压阻力区、冲击地压驱动区和无明显影响区，建立了冲击地压发生的能量驱动机理，推导了冲击地压发生的能量判据以及上行开采防治冲击地压的损伤判据。
　　(4)根据大同矿区忻州窑矿和煤峪口矿地质和开采条件，对各煤层的冲击地压损伤判据进行了计算，通过室内试验获得了上行开采时不同煤层的损伤情况，对上行开采防治冲击地压的有效性进行了评价，并得到了现场开采的验证。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题的提出

1．2 国内外研究现状

1．3 主要研究内容及技术路线

2 基于能量耗散的初始损伤岩体本构模型研究

2．1 连续介质损伤力学基础

2．2 基于能量耗散的损伤变量及本构模型研究

2．3 模型参数确定

2．4 本章小结

3 煤层群上行开采能量积聚耗散规律模拟研究

3．1 初始损伤岩体本构模型的差分格式

3．2 初始损伤岩体本构模型数值实现

3．3 煤层群上行开采煤岩系统能量积聚耗散规律模拟研究

3．4 本章小结

4 煤层群上行卸压开采防治冲击地压机理研究

4．1 基于损伤的煤岩冲击倾向性评价方法

4．2 煤层群上行开采防治冲击地压机理

4．3 本章小结

5 现场应用

5．1 工程地质条件概述

5．2 煤层群上行开采防治冲击地压有效性评价

5．3 本章小结

6 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 创新点

6．3 展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间的主要成果