采动围岩近场区域煤-岩结构动力失稳机制及能量演化规律

Dynamic instability of mining-influenced surrounding rock and disaster control are one of the essential research issues in deep coal mining. This project starts from the coal-rock structure based on the research line of energy evolution law, and uses the comprehensive research method to carry out the following researches (Note: coal-rock structure is composed of shallow fracture zone of coal wall, deep elastic zone of coal wall and roof): (1) Loading tests of different types of coal-rock structure bodies are carried out for analyzing the fracture evolution process, and studying the progressive instability characteristics. (2) Energy and damage evolution laws of coal-rock structure body are studied for proposing the quantitative characterization method during the process of energy accumulation and release, and establishing the damage evolution equation. (3) Trigger conditions of dynamic instability of coal-rock structure are researched for establishing the dynamic instability model, proposing the energy criterion, and revealing the burst mechanism. This study can provide a new theoretical reference for rock burst mitigation.

采动围岩动力失稳及灾害防治已成为深部开采中的研究重点。本项目以采动围岩近场区域由巷帮浅部破裂区煤体、巷帮深部弹性区煤体和顶板组成的煤-岩结构为研究对象，基于能量演化过程的研究主线，采用现场探测、室内试验、数值模拟和理论分析相结合的综合研究方法，开展如下研究：（1）进行不同组合类型煤-岩结构体加卸载试验，分析煤-岩结构体宏细观破裂演化过程，研究煤-岩结构体渐进失稳破裂特征；（2）研究煤-岩结构体能量积聚释放规律与损伤演化特征，提出能量积聚与释放过程中的定量表征方法，构建煤-岩结构体损伤演化方程；（3）研究煤-岩结构动力失稳的能量触发条件，建立煤-岩结构动力失稳模型，提出以能量梯度效应为核心的冲击失稳判据，揭示煤-岩结构动力失稳机制。本研究将为深部开采冲击地压灾害防治提供新的理论参考。

本项目针对采动围岩动力失稳机理及灾害防治问题，开展了系统的理论与试验研究。研究了现场巷道围岩层裂破坏特征，得到了煤-岩结构体渐进失稳破裂特征；分析了岩石强度和煤厚对组合体能量演化规律影响，获得了顶板强度影响下煤岩结构能量释放比例关系；建立了基于冲击驱动能量源的近场围岩能量释放模型，给出了考虑顶底板能量补偿作用的冲击失稳能量判据；研究了大变形锚杆结构元件位置对锚固效应影响，揭示了大变形锚杆防冲吸能支护机理。研究结果表明：（1）巷帮破坏可划分为宏观裂缝、轻微帮鼓片帮、严重片帮和帮部整体抛出等四种类型，可从破坏深度和破坏程度两方面对破坏类型进行界定；（2）煤岩组合结构的储能能力随顶部试样强度增大而增强，顶部试样强度小于或等于完整试样时，顶部试样能量比例较大，而顶部试样强度强于完整试样时，层裂试样及完整试样的能量比例增加、顶部试样的能量比例减小；（3）近场围岩能量释放过程中，巷帮煤体各区域的能量调整不协调，造成煤体内部高能量梯度的产生，使煤体更易向巷道临空面释放冲击能量，塑性区煤体、弹性区煤体和顶底板的能量补偿程度共同决定煤体动力破坏程度；（4）大变形锚杆在工作过程中锚杆轴力和锚固段界面剪应力分布相对稳定，使得发生冲击破坏时锚杆不易被拉断或粘结界面不易破坏，可更有效地吸收围岩释放的弹性变形能，进而达到防冲吸能目的。.通过本项目发表SCI论文10篇、EI论文3篇、核心论文1篇；出版专著1部；授权国内外发明专利10项，登记软件著作权3项；获得省部级协会科研奖励二等奖2项；培养毕业硕士2名、中国岩石力学与工程学会优秀博士学位论文奖获得者1人、全国高校矿业石油与安全工程领域优秀青年科技人才获得者1人；项目负责人参加国际会议2次，被日本长崎大学聘为客座研究员。本项目研究成果为冲击地压机理研究提供了新的学术观点与理论基础，同时可为煤矿深部巷道防冲工程设计提供了理论支撑，具有显著的经济与社会效益。