动静载荷耦合作用下煤层裂隙生成规律研究

煤层裂隙是控制煤层瓦斯抽放率的主要地质因素，井下煤层裂隙主要受地质因素、采掘工程条件等影响，综合应用瓦斯地质学、岩石动力学、断裂力学和损伤力学等理论和方法，以河南平顶山矿区、山西晋城矿区等为主要研究区。在煤层原生结构和构造裂隙发育研究基础上，结合对矿井采掘工程的卸压裂隙研究，将地质因素、工程因素和冲击载荷作用方式多种因素耦合作用下的煤层裂隙生成机理进行模拟实验研究，探讨井下煤层在多种因素共同作用下裂隙生成规律，为低透气性煤层改性及瓦斯抽放提供理论和方法。

瓦斯抽放在矿井灾害防治和瓦斯资源开发利用中发挥着重要作用，煤层裂隙是控制瓦斯抽放效果的主要地质因素，在煤层构造裂隙和采动裂隙发育研究基础上，将聚能定向断裂爆破理论引入煤层深孔爆破，综合考虑地质构造、地应力、瓦斯压力、煤层物理力学性质、载荷作用方式等多种因素，研究动静载荷耦合作用下煤体裂隙发育特征及对透气性的影响。将爆炸载荷作用过程分为爆炸冲击波作用阶段、应力波作用阶段和爆生气体压力作用阶段，聚能装药有利于爆炸能量沿聚能方向聚集并在煤体内形成初始定向裂隙，爆炸载荷综合作用促进裂隙在较大范围内扩展，瓦斯压力和煤体初始损伤有利于增大裂隙范围，提高了煤层透气性。此外针对坚硬难垮落顶板特点，采用深孔聚能爆破技术，建立了聚能爆破岩石断裂力学模型，分析了聚能流侵彻、应力波拉伸和爆生气体气楔作用定向切割使顶板弱化的原理，为深孔聚能爆破控制坚硬难垮落顶板提供了理论依据。在理论分析的基础上，为探讨动静载荷作用下的煤体力学行为以及裂隙扩展机理，应用非线性动力分析有限元软件ANSYS/LS-DYNA对地应力和爆炸载荷耦合作用下煤体致裂过程进行数值模拟，并对裂隙分区特征进行研究。结果表明，地应力造成不同方向煤体裂隙发育的差异，聚能爆破聚能效应导致煤体力学性质在聚能方向发生显著变化，在聚能方向上煤体粉碎区范围相对较小，而裂隙扩张半径明显大于非聚能方向。针对低透气性煤层聚能爆破增透技术参数问题，研究了聚能爆破煤体致裂影响因素，通过控制爆破孔装药系数、封孔可靠性和爆破作用次数等参数，提高煤层爆破增透效果和爆破过程的安全性。将深孔聚能爆破应用于高瓦斯低透气性煤层增透和坚硬顶板弱化现场实验，结果表明，煤层深孔聚能爆破增透效果显著，爆破影响区平均瓦斯流量为爆破前的2.3倍，而且保证了爆破过程的安全。聚能爆破弱化了坚硬顶板，缩小了回采工作面初次来压步距，使顶板冒落面积减少近30%。聚能爆破为矿井瓦斯抽放和解决采空区顶板大面积悬顶提供了技术支持。