高地应力低透气性煤体爆炸荷载作用下的动态损伤演化及增透机理

Aiming at characteristics of low-permeability coal bed under great strata stress , according to continuum mechanics, damage mechanics and explosion mechanics, damage evolution equation and dynamic constitutive relationship of coal are established at different direction and different strain rate under blasting by using material testing machine, split Hankinson pressure bar(SHPB), light gas gun(LGG), triaxial rock material testing machine, optical microscope. Macroscopic and microscopic cracks evolution influence factors are revealed by above theoretical and experimental study. According to improve computational method of glide plane, large deformation and unit disrupting, law of stress wave propagation and interaction of stress wave and cracks are investigated Field experiments study influence factors of stress wave effecting production、evolution and completing and reveal law of cracks distribution. Based on the investigation, mechanism of crack initiation, development and closure in damaged coal bed under blasting load, and principal controlling factors of crack propagation at different evolution stages are obtained. Reasonable application of the research results, permeability of coal bed can be increased and existing time of coal bed with high permeability state extended after blasting, which provides a scientific basis for maximum drainage of coal bed methane and optimizing explosion parameters.

针对高地应力低透气性煤层，采用霍普金森压杆、岩石三轴材料实验机和扫描电镜等实验手段，依据连续介质力学、损伤力学和爆炸力理论为指导研究爆破扰动下高地应力低透气性煤体的损伤演化规律和不同方向、不同应变率下的动态本构关系，探索爆炸荷载作用下高地应力煤体宏细观裂纹动态损伤影响因素，依据建立的含损伤动态本构模型，通过改进滑移面计算方法和大变形区及单元失效破坏的计算模式，研究爆破载荷作用下应力波在含损伤裂纹的煤体中传播规律，及应力波与裂纹扩展的相互作用。 现场试验研究爆炸应力波的传递对煤体裂隙的产生、发展和终结的影响，得出了爆破扰动下高地应力煤体裂纹分布规律，结合理论分析及数值计算结果，揭示爆破载荷下煤体损伤裂纹萌生、发展和闭合的相关力学特征，找出控制裂纹在各个阶段形成和发展的主要控制因素，为优化煤体爆破参数，提高煤层透气性提供科学依据，实现低透气煤层瓦斯抽采最大化。

随着煤炭资源的不断开采，煤矿生产水平不断向深部转移，冲击地压和煤与瓦斯突出等煤岩动力灾害发生的频度和强度也逐渐增加，针对高地应力低透气性煤层裂纹演化机制和力学行为进行系统研究具有理论和实际价值。. 项目采用理论分析、冲击动力实验、高速摄像技术、数字图像相关方法（DIC）等手段相结合，研究不同煤岩组合体在高应变率作用下的力学特性及损伤机制，在冲击载荷作用下的变形特征分析的基础上，建立了反映煤体在中高应变率条件下，峰值应力前动态应力应变曲线的特性，包含损伤效应和应变率效应的动态本构方程；实验获得的煤体动态应力应变曲线明显不同于静载作用下的应力应变曲线和其他岩石类材料的动态应力应变曲线，煤岩组合体在动态试验中，子弹冲击速度和应变率之间以及与组合体动态抗压强度都存在较好的线性关系，随着应变率的不断升高，组合体的动态弹性模量也不断增大；根据DIC分析结果发现，煤岩组合体在经过前期的不均匀变形后，后期试件内部经过波的多次传播和反射，内部变形趋于均匀，试件整体被压缩，位移量趋于一致，在试件所受载荷继续增加时，由于煤岩组合体中煤的强度小，试件中煤体部分首先开始出现裂纹，并在荷载的持续作用下裂纹逐渐延伸和扩展到岩石中，构成大的裂纹，最终出现试件的整体性破碎，煤岩大体都经历变形均匀阶段，局部变形阶段和整体破碎阶段这三个过程；分析了强动载作用爆炸应力波、爆生气体、煤层瓦斯压力等对煤岩破坏作用，得出炸药在煤体内爆破孔内爆破后，产生应力波和爆生气体，在爆破近区产生压缩粉碎区，形成爆炸空腔，煤体固体骨架发生变形破坏，在爆炸空腔壁上产生长度约为炮孔半径数倍的初始裂隙。现场试验表明，煤层采取动载爆破后，由于煤层透气性增加，瓦斯抽采浓度提高43%，瓦斯抽采纯量增大5.25倍。. 研究成果对高应力低透性煤层裂隙演化和冲击地压发生机理提供了理论支撑，对促进煤矿瓦斯和冲击地压灾害的预测、监控和防治技术的发展有着重要的理论价值和现实指导意义。