李春元等:深部開採砌體梁失穩擾動底板破壞力學行為及分區特徵

2021-01-21 煤炭學報


李春元1,2，張　勇2，左建平1，唐世界3，劉世峰3


1. 中國礦業大學(北京)  力學與建築工程學院；2. 中國礦業大學(北京)  共伴生能源精準開採北京市重點實驗室；3. 河南能源化工集團  焦煤煤業趙固(新鄉)能源有限公司


深部開採的強擾動附加屬性導致底板煤巖破壞加劇,易溝通底板承壓水導升帶而誘發突水災害,故研究砌體梁失穩擾動底板破壞的力學行為可為實現礦山巖層控制提供重要的理論基礎。


根據彈塑性力學理論分析了深部開採砌體梁失穩擾動底板破壞的動載源特徵,基於壓力拱及損傷力學理論研究了砌體梁失穩擾動底板壓剪破壞和卸荷破壞的力學行為,應用離散元軟體計算分析了不同採深下砌體梁失穩擾動底板的應力變化及變形破壞行為,結合採動力學全過程應力-應變曲線獲得了深部開採底板強擾動破壞的分區特徵,並應用深部開採微震監測數據進行了驗證。


結果表明:砌體梁失穩後,梁端煤壁端部及觸矸區域底板應力增高並形成了塑性屈服區和觸矸破壞區,兩者之間則形成了壓力拱形式的卸荷破壞區。


隨採深增加,底板塑性屈服區和觸矸破壞區的壓應力增量及卸荷破壞區的卸荷反彈力不斷增大,並使得底板巖體最大變形量在採深700m以淺時近似線性增加,而採深700 m 以深的深部開採卻表現為非線性突變增長。


深部開採高圍壓造成底板壓應力峰值及卸荷反彈力非線性增加,促使了擾動巖體由淺部脆性向深部延性的轉變,並導致其強擾動破壞的分區範圍擴大,變形破壞深度增加,深部開採底板的非線性強擾動破壞行為在底板淺部最突出。



作者簡介

李春元，男，1986年11月8日生，河南永城人，博士，註冊安全工程師，現為中國礦業大學（北京）力學與建築工程學院師資博士後。主要從事深部煤炭安全高效開採、礦山壓力與巖層控制等研究工作，參與973計劃/國家重點研發計劃子任務2項、省部級重點實驗室開放課題1項，校企聯合橫向課題10餘項，曾榮獲中國煤炭工業協會科技進步三等獎。在《煤炭學報》、《巖土工程學報》、《巖土力學》等國內外學術刊物上發表論文10餘篇。

研究方向

礦山壓力及控制及工程力學

主要成果

致力於深部煤炭安全高效開採、礦山壓力與巖層控制、採動裂隙演化及災害防治技術研究，建立了基於卸荷巖體理論的深部底板裂隙巖體卸荷損傷破壞模型，研究了基本頂失穩與頂底板裂隙擴展破壞的關係，提出了採空區瓦斯宏觀流動通道的高位鑽孔抽採技術，取得了多項創新性成果，為煤礦高效、安全生產提供了一定技術支持。



砌體梁失穩擾動底板破壞力學模型



巖石試件壓剪破壞演化示意



底板卸荷應力分解示意



塑性屈服前巖石試件卸荷破壞演化過程



塑性屈服後巖石試件卸荷破壞演化過程



砌體梁失穩後底板垂直應力分布



塑性屈服區底板應力增量特徵



卸荷破壞區底板卸荷反彈力變化特徵



觸矸破壞區底板應力增量特徵



塑性屈服區底板壓縮變形特徵



卸荷破壞區底板反彈變形特徵



觸矸破壞區底板壓縮變形特徵



不同區域底板應力-變形曲線特徵



深部開採底板強擾動破壞分區模型



沿煤層走向採場頂底板微震事件分布



推進不同距離時頂底板微震事件數量特徵



沿煤層走向微震事件分布與採場相對位置剖面[23]

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