深部煤岩真三轴力学响应特性及复合动力灾害研究

摘要

随着我国浅部煤炭资源的逐渐枯竭，煤炭开采深度增加不断深入地壳，随之而来的开采环境也呈现出高地应力、高瓦斯压力、高温等特点。深部开采伴随着构造应力、采矿诱导应力显现明显，应力状态呈现出明显的各向异性(σ1>σ2>σ3)煤岩力学、渗流特性也表现出较浅部更加复杂的特性。此外，随着开采环境的恶化，深井煤矿复合动力灾害频发。本文主要基于真三轴试验系统，针对煤岩及复合煤岩进行了系列真三轴力学、渗流、复合动力灾害研究，揭示了中主应力、应力Lode角对煤岩变形、强度、破坏、渗透率影响的规律，提出了考虑应力Lode影响的塑性屈服准则和经验渗透率公式；详细分析了应力、煤-岩厚度比例等对层状复合煤岩力学及渗流特性的影响，并在此基础上推导了复合煤岩的强度、渗透率公式；开展了系列深部煤岩复合动力灾害试验，探究了应力、加载速率、顶底板对动力致灾过程的影响。基于广义平面应变理论建立了真三轴应力下钻孔围岩塑性区模型，揭示了钻孔卸压减灾机理。本文的主要研究成果总结如下：　　1)：开展了系列煤岩力学试验，结果表明：煤岩强度随着中间主应力的增大而先升高后降低，且始终高于其常规三轴压缩强度。煤岩裂纹特征应力均随着中间主应力的增大而先增大后减少。煤岩试样破坏后形成近似平行于中间主应力而与最小主应力成一定倾角的断裂面。断裂面角度随中间主应力的增大而逐渐增大。　　2)：进行了砂岩试样的等p等q试验，得到了π平面的屈服轨迹。系统比较了几种常用真三轴强度准则的适用性和准确性，结果表明本文砂岩试样的真三轴强度符合修正Lade准则(MLC)，而线性Mogi准则可较好表征原煤的强度。　　3)：煤岩真三轴渗流实验结果表明，在最小、中间主应力一定时，砂岩和煤的渗透率总是随着最大主应力的增加而降低。同样，当最小和最大主应力相同时，中间主应力的增加也会带来有效渗透率的降低。此外，原煤、砂岩试样的渗透率和归一化渗透率在最大主应力相同时，其变化程度随侧向压力(σ2或σ3)的增加而减小。在此基础上，得到了考虑应力各向异性影响的真三轴渗透率模型。　　4)：应力Lode角对煤岩变形、渗流、强度特性均有较大的影响，应力Lode角的变化使岩石产生了不可恢复的塑性变形。应力方位和气体流动方向对煤岩渗流特性的影响巨大。沿气体流动方向渗透率的升序如下：与σ1，σ2和σ3平行。随着应力Lode角θσ的增加，渗透率在气流平行于σ1或σ3的方向上逐渐增加，并在平行于σ2的方向上逐渐降低。　　5)：在层状复合煤岩真三轴试验中，层状复合煤岩的强度均高于纯煤，但低于纯砂岩。另外，复合煤岩的强度随着砂岩层厚度的增加而增加。根据实验结果，提出了由第一和第三当量主应力不变量表示的新强度准则。由于协同变形，层状复合煤岩比纯砂岩和煤具有更强的塑性变形能力。　　6)：在复合煤岩渗流实验中，渗透率总是随着主应力的增加而降低。随着中间主应力或最小主应力的增加，煤岩渗透率的降低率逐渐减小。系统分析了层状复合煤岩的真实有效应力，并得出了在真实三轴应力条件下复合煤岩的主应力关系。提出了一种考虑煤-岩相互作用的层状复合煤岩渗透率模型(TCP)。该模型可以较好地区分不同主应力对渗透率的影响。　　7)：扰动复合动力灾害是具有冲击灾害与煤与瓦斯突出共存和耦合效应的动力现象。应力、加载速率、顶底板对复合动力灾害的致灾过程有显著影响。试验发现，随着中间主应力的增加，复合动力灾害的烈度表现出先增加后减小的规律。复合动力灾害中的碎片弹射表现出明显的空间分选特征。在高速率加载模式下，煤样的切线模量和载速率呈现出明显的正相关关系，而强度与加载速率则呈对数线性关系。另一方面，随着加载速率的增加，宏观裂缝的数量和岩爆坑的体积也随之增加。顶底板在动力灾害中主要起到前期储存大量弹性能，后期传递弹性能加剧煤体的破坏，此外还起到提高煤岩系统整体强度和弹性能储能极限的作用，使动力灾害现象更加剧烈。　　8)：基于广义平面应变理论与多屈服面模型，建立了真三轴应力条件下钻孔围岩塑性区模型。系统分析了钻孔方位、偏应力、中间主应力、钻孔半径等对围岩塑性区的影响。在此基础上，进行了钻孔卸压试验，揭示了深部煤矿卸压减灾、防灾机制，并提出了合理的优化措施。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文主要研究内容及技术路线

2 真三轴应力条件下深部煤岩力学特性

2.1 试验准备及仪器

2.2 中间主应力对煤岩力学特性影响

2.3 等p等b加载路径下煤岩真三轴力学特性影响

2.4 应力Lode角对煤岩真三轴力学特性影响

2.5 本章小结

3 真三轴应力条件下深部煤岩渗流特性研究

3.1 试验原理及方案

3.2 煤岩真三轴渗流规律

3.3 煤岩真三轴渗透率模型

3.4 本章小结

4 真三轴应力条件下复合煤岩力学及渗流特性研究

4.1 试验准备及方案

4.2 层状复合煤岩单轴力学特性

4.3 层状复合煤岩真三轴力学特性

4.4 层状煤岩真三轴强度关系及破坏机理

4.5 层状复合煤岩真三轴渗流特性

4.6 层状复合煤岩渗透率模型

4.7 本章小结

5 真三轴应力条件下深部复合动力灾害研究

5.1 试验准备及方案

5.2 中间主应力对复合动力灾害影响

5.3 加载速率对复合动力灾害影响

5.4 顶底板对复合动力灾害影响

5.5 深部煤矿复合动力灾害机理分析

5.6 本章小结

6 钻孔围岩真三轴应力塑性区及卸压减灾机理

6.1 钻孔围岩应力状态

6.2 真三轴钻孔围岩塑性区特性

6.3 含气煤样钻孔卸压防灾、减灾试验研究

6.4 钻孔卸压减灾、防灾机理及工程应用

6.5 本章小结

7 结论与展望

7.1 本文的研究成果及结论

7.2 本文主要研究成果

7.3 后续研究工作及展望

参考文献

附录A

附录B

附录C

C1. 作者在攻读博士学位期间发表的学术论文

C2. 作者在攻读博士学位期间参与的科研项目

C3. 作者在攻读博士学位期间申请的专利

C4. 作者在攻读博士学位期间获得的奖励

C5. 学位论文数据集

致谢