煤岩灾变破坏多尺度力学行为结构效应研究

To understand the key problems of preventing and managing coal and rock burst in coal mining, this project focuses on the damage process of coal and rock burst and the corresponding structure controlling effect of mechanical properties. Using a multi-discipline knowledge including rock mechanics, multi-scale mechanics, permeable mechanics and mining engineering, theoretical and application studies will be conducted for this project. Experimental scale studies and field scale applications will be combining used, and theoretical study and numerical simulations will also be conducted. The sensitivity of different scale of the structure on the evolution of coal and rock burst will be discussed to reveal the structure controlling effect on multi-scale mechanical performances. The change between stress control and structure control will be studied to understand the mechanism of structure control type burst. The sign of structure control type burst will be analysed and the method of prevention and management will be established. This project is helpful for understanding the occurrence and evolution of coal and rock burst, and also provides theoretical foundations for its prevention and management.

针对煤矿煤岩动力灾害防治理论与控制过程中的关键科学问题，围绕煤岩灾变破坏过程中力学行为的结构效应展开理论与应用研究，在岩石力学、多尺度力学、渗流力学和采矿工程等多学科交叉研究基础上，通过实验室尺度的实验与工程尺度现场试验相结合、理论分析与数值试验相结合的方法，探讨煤岩灾变破坏过程中结构演化的跨尺度敏感性，揭示煤岩灾变破坏多尺度力学行为的结构效应；探寻煤岩灾变破坏的应力控制与结构控制转化机制，弄清煤岩灾变破坏的结构控制机制；捕捉结构控制型冲击地压发生的先兆信息，建立结构控制型冲击地压防控方法。丰富煤岩动力灾害发生和孕育机制，为煤矿煤岩动力灾害的防治与控制技术的发展提供理论依据。

项目对国内近年来发生的典型冲击地压事故进行统计与分析，从煤岩赋存结构角度出发分析了冲击地压发生的结构演化规律及应力特征，总结了6种具有典型结构特征的冲击地压类型。从煤体结构效应出发，在实验室尺度下利用伺服试验机、CT扫描对不同类型煤样的力学性质与冲击倾向性进行了研究，利用三维重构技术再现煤样内部原生裂隙，在识别主控裂隙的基础上，对试件进行了加载与波速测试，掌握了煤样结构演化与力学行为。在此基础上，通过借鉴粘滑和超低摩擦效应理论，对厚层沉积煤岩结构失稳机理进行了探究，提出结构失稳的内在机制是煤岩界面摩擦力受到接触压力或界面粗糙度影响而非恒定，非稳定滑移诱发煤体能量瞬时释放进而发生冲击地压，简化回采工作面力学模型，对简支梁模型超低摩擦效应进行了验证。同时借助物理模拟试验系统，对厚层沉积煤岩体采动规律进行了相似模拟，分析了正常回采和切顶回采条件下结构和应力演化规律。最后针对西部矿区典型坚硬厚层顶板的矿井条件，利用高压水力切缝技术对工作面切眼顶板进行压裂，掌握工程尺度下控制顶板结构防治诱发冲击地压的工艺工法，有效减少了大面积来压事件。. 不同冲击倾向性煤岩，原生裂隙结构特征差异显著，且煤岩原生裂隙结构对其力学性质的影响能力及不同力学性质对煤岩裂隙结构的敏感程度均不同。强冲击倾向性煤岩峰前裂隙结构的演化行为更为剧烈，有显著的几何非线性特征，对强冲击倾向性煤岩峰前变形起主控作用的裂隙尺度约为试件尺寸的1/3，对无冲击倾向性煤岩峰前变形起主控作用的裂隙尺度约为试件尺寸的1/5。裂隙结构影响了强冲击倾向性煤岩峰前整个变形过程，但对无冲击倾向性煤岩峰前变形的影响作用却随着加载的进行逐渐降低。煤岩试件强度的样本个性、破坏机制和动态破坏时间均受裂隙结构的影响。建立统计损伤本构模型，提出了裂纹起裂应力的确定方法，讨论了冲击倾向性受裂隙结构的影响，得到了应变型冲击地压能量判据与裂隙结构的关系。