冲击载荷下深部蠕变煤岩体损伤演化特征与失稳灾变机理研究

In deep coal mines, the surrounding coal and rock of roadway behaves obvious creep characteristics. When affected by different type of impacting loads such as rock burst, blasting engineering etc., the creep coal and rock prone to deformation rate increases or even sudden destruction and other dynamic disasters. Therefore, it is necessary to explore and clarify the failure mechanism of creep coal and rock under the impact load, which is the key to solve the design problems of deep roadway against the impacting loads. The project intends to start from the micro-damage analysis and will be studied using the comprehensive methods of coal and rock dynamic experiments, microscopic damage detection, kinetic theory analysis and computer simulation. The research contents include the internal damage development law of creep coal and rock mass subjected to impacting load and the close relationship with macroscopic disturbance deformation; the dynamic response mechanism, sensitivity and the threshold indicator parameters of the creep coal and rock to different magnitudes of impacting loads; the establishment of the damage mechanics model of creep coal and rock and the constitutive relation of creep impact disturbance; the two kinds of failure modes and catastrophic mechanism of deformation rate increases and catastrophic instability of deep roadway affected by impacting disturbance; the mechanical relationship between the supporting strength, anti-impacting parameters of coal-rock mass and energy level of impacting load; the anti-impacting support criteria for deep disturbed roadway. All above of the studies can provide a new research thought and theoretical studying method for the stability control and impacting support design of deep roadway.

深部巷道围岩（煤、岩体）蠕变性较强，受爆破作业、冲击地压等外部扰动载荷影响时易发生变形速率增大甚至突变失稳等动力灾害现象，因此研究阐明蠕变煤岩体在冲击载荷作用下的失稳灾变机理是解决深部巷道抗冲击支护设计难题的关键。本项目拟从微观损伤分析入手，综合运用煤岩动力学实验、微细观损伤探测、动力学理论分析及计算机仿真模拟等研究方法，深入分析蠕变煤岩体受冲击扰动时的内部损伤演化特征以及与宏观扰动变形破坏之间的密切关系；阐明蠕变煤岩体对不同量级冲击载荷的动力响应机制以及敏感度，确定其对冲击扰动敏感的阈值指标参数；建立蠕变煤岩体的损伤力学模型以及蠕变冲击扰动效应的本构关系；进而研究深部受扰动影响巷道的两种变形失稳模式（蠕变速率增大和突变破坏）及其灾变机理，建立支护强度与煤岩体抗冲击指标以及冲击载荷之间的力学关系，提出深部受扰动巷道的抗冲击支护准则，为深部巷道围岩的稳定性控制提供一个新的思路与理论研究方法。

目前，深部岩体工程在动静双重应力场中的力学响应特征以及围岩支护控制已经越来越引起国内外学者的密切关注。当前深部开采矿井中各类冲击载荷普遍存在于井下生产的各个区域，综合研究煤岩体在蠕变状态下的动力冲击响应特征、深入探讨冲击载荷作用下深部蠕变煤岩体的损伤演化特征与巷道围岩的失稳灾变机理成为深部巷道长期稳定性控制及抗冲击设计的关键，具有较为现实的意义。本项目在四年的研究期限内，完成了系列煤岩体试样的蠕变扰动实验研究，分析了蠕变煤岩体对不同量级冲击扰动载荷的敏感区间，得到了应力阈值指标与应变阈值指标两个关键动力学参数；采用CT扫描与计算机数值模拟两种方法综合探究了蠕变煤岩体在冲击载荷作用下的损伤演化规律以及与宏观变形破坏特征之间的相关性；得到了不同量级冲击载荷对蠕变煤岩体损伤发育的影响机制以及煤岩体的破坏机理；建立了深部受扰动巷道围岩的失稳破坏模式，提出了深地动压工程围岩蠕变扰动大变形失稳机制的新认识，确定了不同破坏模式下判据指标参数；以及建立了深部巷道围岩的抗冲击支护准则。. 项目研究成果响应国家向地球深部进军的科技战略号召，积极对接山东省新旧动能转换重大发展方向，针对千米深井工程岩体蠕变扰动大变形控制难题，展开了多量级冲击扰动作用下深部岩体的动力响应特征、蠕变冲击下深部工程围岩应力场动态演变规律及长期灾变机理、深部动压巷道围岩控制准则和控制原理等前沿研究，在深部开采围岩蠕变扰动效应理论与工程应用方面取得了具有国际先进水平的创新性成果。课题研究最大的科学价值在于将岩石蠕变扰动效应这一新的岩石力学理论与深地工程围岩动力灾变控制有效结合起来，突破当前岩石动力学理论不能有效指导深部工程实践的桎梏，为深地空间的安全高效开发利用保驾护航。