不同开采方式下采动岩层的动态破损机理及稳定性研究

Different mining methods in coal mine will lead to different strata pressure characteristics ahead in working face. It is very important for mining adequately coal seam and how to control the stability of surrounding rock. The high rigidity testing system, SEM servo system with loading device,X-ray industrial CT and field monitoring method will be applied to investigate differences macro/meso/micro failure mechanism of coal and rock under different mining methods.The corresponding mining failure mechanics of coal and rock body under different mining methods will be devoloped based on failure mechanism. The dynamic evolution behaviors of both stress and crack field will be studied for different mining methods.A three-dimensional crack propagation fracture criterion will be proposed for rock mass under mining effects. And a new three-dimensional dynamic simulation techniques for different stress and crack field will also be developed. We will study different energy transfer mechanisms for different mining methods. Based on the theory of non-equilibrium thermodynamics and energy catastrophe theory, we will establish dynamic energy failure criterion of coal and rock under different mining methods. Field monitoring strata pressure law will be carried out for different mining mothods. All of the above theory and field results will be combined to provide optimization methods and techniques for controling strata in coal mine, and then provide engineering evaluation model and scientific basis for disaster prevention and control in mining engineering.

不同煤炭开采方式会导致采场出现不同的超前支承压力特征，而这决定了煤层能否充分开采及围岩如何安全控制等问题。本项目拟通过高刚性试验机、带加载装置SEM 伺服系统、工业CT 和现场监测等综合方法，揭示不同开采方式下采动煤岩体的宏细微观破损机理差异，建立采动煤岩体的破坏力学模型；研究不同开采方式下采动应力场与裂隙场动态演化规律，建立采动岩体三维裂纹扩展的断裂准则，发展采动应力场与裂隙场的三维动态模拟技术；研究不同开采方式下采动岩层破断失稳的能量转移机制，基于非平衡热力学理论，建立采动煤岩体破断失稳的能量准则；现场监测不同开采方式下采场矿压显现规律，综合理论和现场观测为不同开采方式下采场围岩稳定性控制提供优化措施，为煤矿工程灾害防控提供评价模型和科学决策依据。

深部煤岩力学行为与开采方式、开采扰动密切相关，且受采动影响煤岩体易产生冲击和失稳等现象。基于此，在不同矿井选取不同煤岩体作为研究对象，展开了宏观力学行为及微细观断裂力学行为研究，主要取得以下研究成果：. (1) 实现了原位在线观测多场条件下岩石脆性材料的非连续破断过程，揭示了深部煤岩破断的宏细观主控机理，建立了二维和三维深部煤岩非线性破坏准则，找到了深部岩石脆-延转换的理论临界点，为深部煤岩破坏提出了一套新的判别准则；. (2) 围绕加载过程中，采动煤岩体的裂纹演化规律，提出了煤岩体加载过程中的裂纹闭合、扩展模型，并在此基础上发展了采动的应力-应变本构模型及非线性破坏准则。. (3) 揭示了采动煤岩体破坏过程中的能量积聚、耗散及释放规律，从能量角度研究不同开采方式下原岩应力场与能量场的变化规律、影响因素与相互作用关系，基于非平衡热力学理论建立不同开采方式下煤岩动力破断失稳的能量准则。. (4) 结合概率积分法和剪切滑移理论分析了厚松散层的漏斗型移动机理，建立了岩层整体移动的“类双曲线”模型，可更好的预测地表沉陷范围。. 在项目资助期间，共发表学术论文28篇，其中SCI检索8篇，EI检索10篇；出版专著2部；获得省部级一等奖3项、二等奖6项、三等奖3项；授权专利1项，实用新型专利7项；授权软件版权3项；编写河北省地方标准1项；参加学术会议33次，汇报25次；国外交流4次。. 项目负责人左建平教授获得了国家自然科学基金优秀青年科学基金(2016)、国家“万人计划”青年拔尖人才(2015)、北京市首届教学名师(2017)、全国煤炭青年五四奖章(2016)、第七届北京市优秀青年人才(2014)、北京市青年五四奖章(2016)、第九届中国岩石力学与工程学会青年科技奖金奖(2016)。课题参加人员13个硕士顺利毕业，培养在读研究生生20名。