区段承载煤柱损伤演化及失稳机制的多尺度研究

The stability evaluation of the section coal pillar is one of the important problems in the coal mining. The physical and mechanical properties of coal are inevitably affected by the multi-scale characteristics of its aperture and fracture size. It is a new method to evaluate the stability of coal pillar based on the damage evolution processes of coal microstructures. This project will study the contact form of coal matrix, quantity, size and distribution law of coal matrix coal matrix block body and original fractures by means of micro experimental test techniques, establish a mathematical model for quantitatively evaluating the morphology and characteristics of the coal body, explore the dynamic evolution mechanisms of the structure generation and extension with theoretical analyses, analysis the macro destruction process caused by micro structure damage with triaxial compressive test and acoustic emission monitoring test and reveal its mechanism, establish the constitutive model of coal containing damage and develop related numerical simulation programs, study the influence of micro structure damage on the distribution of stress and displacement field of the coal pillar and establish the mechanical relation between the micro structural damage and the macroscopic instability, determine the bearing capacity of coal pillar and form the stability evaluation criterion of coal pillar based on the microstructure damage evolution mechanism, and provide the theoretical basis for the coal pillar design.

区段承载煤柱的稳定性评价是井工煤矿科学开采所面临的重要问题之一。煤体孔径大小及裂隙发育存在不同尺度，且必然影响煤体物理力学性质，基于煤体细观结构损伤演化过程确定煤柱承载能力是评价煤柱稳定性的新手段。本项目借助细观实验测试技术研究煤体基质间接触形式、煤体基质块体及原生裂隙的形态、数量、尺寸、分布规律等特征；建立定量评价煤体细观结构形态与特征的数学模型；采用理论分析方法探究煤体细观损伤结构生成、扩展的动态演化机理；结合三轴压缩实验及声发射监测实验，对煤体细观结构损伤动态演化导致变形破坏的宏观过程进行分析研究，揭示煤体细观损伤导致宏观破坏的力学机制；建立煤体含损伤本构模型，并开发相关数值模拟分析程序；研究细观结构损伤对承载煤柱应力场及位移场的影响规律，建立承载煤柱细观结构损伤与宏观失稳特征的力学联系；确定煤柱承载能力，形成基于煤体细观结构损伤演化机制的煤柱稳定性评价准则，为煤柱留设提供理论基础。

区段承载煤柱的留设对采准巷道的保护起到了关键作用，针对逐渐向深部转移的煤炭开采活动而言，复杂的应力环境造成了煤层自身结构的变化，按照现有的承载煤柱留设尺寸计算公式缺乏一定的科学依据与合理性，造成大量煤炭资源损失或煤柱失稳与破坏。因此，通过细观尺度探究煤体内部空间的微缺陷结构分布与扩展规律，构建符合真实赋存环境的煤体本构关系，对合理协调工程尺度煤柱尺寸与稳定性评价意义重大。.本项目在实验室宏观、细观及现场工程等多尺度条件下开展了煤体结构的二维、三维定量表征与损伤演化规律研究。（1）探明了煤体基质间的接触形式、煤体基质块体及原生裂隙的形态、数量、尺寸、分布规律等特征，揭示了煤体既有的孔裂隙等微缺陷结构在加载作用下的动态力学行为、空间表征与体重构；（2）建立了评价煤体细观结构形态与特征的数学定量模型，揭示了煤体细观损伤导致宏观破坏的力学机制，建立了考虑煤体含损伤的本构模型，通过嵌入含损本构模型的数值模拟结果，真实、有效地反映了考虑含损情况的实验室煤体破坏特征及工程尺度煤柱应力分布及塑性区演化规律；（3）基于现有的工程尺度煤柱强度经典计算公式，结合构建的考虑煤体细观损伤的本构模型，将修正后的工程尺度煤柱强度公式计算结果与经典公式计算结果对比分析，形成了基于煤体细观结构损伤演化机制的承载煤柱稳定性评价准则。.项目执行期间，发表学术论文15篇，其中SCI论文10篇，EI论文3篇，北大核心论文2篇，授权国家实用新型专利3项，获得2021年中国煤炭工业科学技术奖二等奖1项；培养硕士研究生3名，参加学术会议6次，完成了项目研究内容，达到了预期研究目标。