含宏观裂隙结构煤体的破坏模式和能量演化特征

With the rapid development of coal mining technology, the depletion of shallow resources and the elimination of outdated production capacity, the problem of rockburst in coal mining will become more and more serious. In view of the energy essence of rockburst in and the important effect of internal structure on coal’s mechanical properties, the project focus on the coal’s fracture damage characteristics and evolution of energy under loading. At first, the model with one-dimensional and two-dimensional crack will be prepared by 3D printing. Using AE and CT to determine the macro-fracture the effect of sample failure mode and energy evolution; based on the coal fracture recognition of different kind of burst-prone, the relationship between coal failure process, energy evolution and macro-fracture dynamic propagation will be researched by the AE and CT analysis. Based on the microseismic, sound monitoring and macro crack recognition of coal in field, the relationship between coal energy evolution and macro-fracture will be proposed. Finally, a comprehensive research put forward based on the results from simple model test, coal sample test and field test. The relationship between macro fracture structure and coal failure mode, energy evolution will be determined. Then mechanism of macro-fracture in coal burst will be illuminated. At las evaluation method of rockburst hazard will be build based on macro-fracture structure of coal. The results deepen the understanding of the mechanism of rockburst and provide the theory for the prevention and control of rock burst.

随着煤炭开采技术快速发展、浅部资源枯竭和落后产能淘汰，煤炭开采中面临的冲击地压问题将越来越严重。鉴于冲击地压的能量本质和煤的内在结构对其力学性质的重要影响，项目围绕含宏观裂隙煤体受载下的破坏特征和能量演化问题，基于3D打印制备的含一维、二维裂隙的类煤体模型加载试验，利用AE和CT确定宏观裂隙对试样破坏模式和能量演化的影响；对不同冲击倾向煤样裂隙识别的基础上，基于AE、CT分析煤样破坏过程、能量演化与宏观裂隙动态扩展的关系；基于微震、地音监测和煤体宏观裂隙识别，研究工程条件下煤体能量演化与宏观裂隙结构之间的关系。最后综合简单模型试验、真实煤样试验和现场工程试验3个方面研究结果，确定宏观裂隙结构与煤体破坏模式、能量演化之间的关系，阐明宏观裂隙在煤体突发性破坏中的作用机制，在此基础上建立基于宏观裂隙结构的冲击地压危险性评估方法。研究成果深化关于冲击地压发生机制的认识，为冲击地压防治提供理论基础。

冲击地压是能量的大量释放的现象，从能量的角度研究冲击地压是冲击地压研究中的重要方法。煤体中存在着大量的宏观裂隙，这些裂隙对煤体的强度、性质等方面都具有影响。项目对不同矿区裂隙煤体的能量进行分析，首先采用核磁共振成像技术与计算机辅助三维重构方法确定了煤体试样中的裂隙分布及特征参数，在煤体单轴压缩破坏实验中利用声发射技术检测裂隙煤体试样在破坏过程中的能量演化规律。通过实验得到由于裂隙率的增加，声发射振铃出现提前，能量峰值同样提前，即裂隙率的逐步增加对煤体试样破坏具有促进作用，并使煤体试样的能量释放提前，煤体积聚能量的时间也随之变短。在大量不同矿区的煤样进行全应力-应变曲线分析的基础上确定了受载条件下的煤体破坏特征及能量演化规律，得到峰后曲线阶段性差异即是煤体破坏后能量演化的差异。其次选取了聚乳酸塑料（PLA）、光敏树脂SLA600及Vero White Plus及覆膜砂粉末四种材料通过3D打印制备标准试件进行力学测试，最终确定SLA600和Vero White Plus适合模拟脆性硬岩的材料，覆膜砂试件适合模拟煤体，为开展裂隙煤体变形破坏及能量演化研究奠定了基础。利用覆膜砂粉末材料制备含不同类型结构面的3D打印类煤体试样，声发射实验结果表明，对比完整试样、含30°结构面试样及90°结构面试样，倾角为60°的裂隙试样其强度可降低33%~50%，储存的弹性能释放更为提前；通过3D打印组合试样力学特性分析确定了组合试样力学特性的内在机制。通过Sirovision岩体结构面分析测量系统针对井下煤体裂隙进行了现场实测，在此基础上根据裂隙稳定性分析同时结合微震数据得到裂隙越多的测点其微震能量值及频次越低，即煤体裂隙的增加会使煤体中的弹性能提前释放，进而降低冲击地压危险性。最后建立了顶板-煤层-底板复合结构体的卸载滑移力学模型，通过分析煤块所受水平应力、煤体拉力及煤-顶板和煤-底板结构面摩擦力之间的力学平衡关系，建立了巷帮煤体冲击启动的临界方程，并对各变量的取值进行了讨论。总体上初步揭示了含宏观裂隙煤样到煤体力学特性，再到冲击地压工程问题的内在关系，研究成果为进一步开展冲击地压防治提供了理论支撑。