采动煤岩体主控裂隙演化规律及协同效应研究

在采动应力作用下煤岩体中裂隙的萌生、扩展和贯通，特别是主控裂隙的演化是煤与瓦斯突出、突水和冲击地压等煤矿三大动力地质灾害的主要根源所在。本项目通过实验室CT扫描和现场观测统计，研究实验室尺度和工程尺度裂隙系统的相关性和尺度律，构建一个采动煤岩体确定与随机性相结合的裂隙系统模型。利用优势结构面理论、构造地质学和采动煤岩体破断模式，进行典型采动煤岩体（采场和掘进工作面围岩）主控裂隙识别，建立一个主控裂隙的识别准则。通过协同学理论分析、数值模拟和实验室试验，提出采动煤岩体主控裂隙演化模型，揭示采动煤岩体主控裂隙的演化规律，以及与周围裂隙相互作用规律和协同效应、主控裂隙和随机裂隙在煤岩体破坏过程中所占的权重。引入逾渗模型和重整化群方法，研究采动煤岩体裂隙系统结构突变特征。为煤矿开采动力灾害的机理研究和预测提供必要的理论依据。

在采动应力作用下煤岩体中裂隙的萌生、扩展和贯通，特别是主控裂隙的演化是煤与瓦斯突出、突水和冲击地压等煤矿三大动力地质灾害的主要根源所在。本项目基于Kachanov法，推导了两条不等长共线裂纹的尖端应力强度因子表达式，从理论上分析了裂纹间距对裂纹相互作用的影响。通过最大周向应力准则，计算了不同裂纹倾角的主控裂纹起裂角，绘出理论断裂准则曲线。对含不等长裂纹的类岩试件进行单轴压缩试验。结果表明：当裂纹间距等于小裂纹长度时，小裂纹对主控裂纹的起裂几乎无影响；主控裂纹开裂角只与裂纹角有关；当裂纹倾角小于30°时，起裂临界荷载急剧增大。针对浅埋煤层高强度开采下老顶易形成“悬臂梁”结构切落压架的特征，建立了含中心斜裂纹的老顶岩梁破断的力学模型，应用断裂力学理论，推导了老顶岩梁的应力强度因子表达式及老顶周期来压步距和支架工作阻力计算式。分析结果表明：裂纹倾角对应力强度因子有一定的影响作用；老顶周期来压步距除与其岩性有关外，还与上覆岩层荷载、支架工作阻力、裂纹倾角、裂纹长度和已破断块体的水平挤压力相关。