采动影响下被保护层煤体宏细观损伤破坏特性研究

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随着煤矿开采深度不断增加,煤与瓦斯突出危险性愈发严重。保护层开采作为一种防治煤与瓦斯突出最经济有效的区域防突措施而被广泛应用于突出矿井近距离煤层群的开采。强烈采动作用打破了周围煤岩体的原岩应力平衡状态,整个应力重分布过程中,煤岩体的变形破坏容易引发巷道失稳问题。研究采动影响下被保护层煤体宏细观损伤破坏特性可为揭示保护层开采卸压防突机理和巷道失稳预警提供有益的数据参考,对后期优化回采设计和巷道布置具有重要的意义。因此,本文以平煤集团某矿的同一煤层一半采取保护层开采,另一半不受保护层开采影响的采煤工作面为研究对象,沿工作面煤层走向,从时空角度进行现场取样,采用实验测试和理论分析相结合的研究方法,研究了采动影响下被保护层煤体的孔隙结构演化、损伤破坏特性和峰值强度及变形特征。取得的主要研究成果如下:(1)基于压汞实验对比分析了采动影响下受保护层开采影响和未受保护层开采影响煤样孔隙结构差异性,获得了采动影响下受保护层开采影响煤样孔隙结构演化规律。受保护层开采影响煤样内部孔隙连通性良好,相比于未受保护层开采影响煤样,中孔和大孔数量增多,孔隙结构复杂程度降低,孔隙率平均提高了59.23%;保护层开采促进了煤体内部的孔隙发育,呈现出微孔发育形成小孔,小孔逐渐向中孔、大孔过渡的一种递增规律。(2)采用CT扫描结合三维重构,展示了采动影响下被保护层煤样立体空间裂隙分布形态,获得了煤体单位体积内(Φ50 mm×100 mm)裂隙体积沿工作面煤层走向分布规律。垂直于节理方向煤样比平行于节理方向煤样受保护层开采扰动影响更大;同时,采动影响下受保护层开采影响煤样裂隙体积平均比未受保护层开采影响煤样增加了73.89%,且沿工作面煤层走向均匀性分布;此外,受保护层开采影响煤样截面裂隙面积平均比未受保护层开采影响煤样增加了57.14%。(3)通过分级循环荷载实验模拟被保护层煤体应力环境,揭示了保护层开采对被保护层煤体峰值强度的作用机制,获得了采动影响下被保护层煤体峰值强度沿煤层走向的分布规律及破坏特征。受保护层开采影响煤样相比于未受保护层开采影响煤样的峰值强度平均降低了13.2%,且沿工作面煤层走向呈现出均匀性分布,而未受保护层开采影响煤样峰值强度沿煤层走向彼此差异显著;受保护层开采影响煤样的体积应变和耗散能平均比未受保护层开采影响煤样分别增加了101.1%和46.56%,发生塑性破坏,而未受保护层开采影响煤样发生脆性破坏。
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