开采扰动下峰后煤岩体结构特征及其强度衰减规律研究

With the extension of deep and the development of high strength mining technology in underground mining, mining conditions become more and more complex. as mining disturbance caused by the high stress release, transfer and strong unloading, deformation and strength of coal-rock mass in the post-peak state bring about ignificant impact on plastic district and stability of coal-rock mass in the vicinity of face. that is one of the key factors to select safe mining method, and is also one of the technical problems need to be resolved in mining engineering now. Now research on mechanical behavior of before peak coal-rock mass is fruitful,but achievement of post-peak is lag. through the use of three-dimensional mining physical simulation test system and the rock triaxial testing machine and high-resolution industrial CT scanning equipment, this project will study systematically loading and unloading deformation characteristics of post-peak coal-rock mass, identify and extract the morphology of the fracture network structure, statistical distribution and topological properties in a laboratory scale, and establish dynamic constitutive relation including the physical and mechanical parameters, stress, fracture characteristics of post-peak coal-rock mass and finish computer program. finally, this project will determine the intensity attenuation law of the post-peak coal-rock mass, to provide scientific and theoretical basis for determining the mechanical properties of the post-peak coal-rock mass in mining engineering.

随着矿井开采深部的延深和高强度开采技术的发展，开采条件越来越复杂。在开采扰动作用下，由于高应力释放、转移以及强卸荷作用，使得工作面附近煤岩体多处于峰后工作状态，其峰后强度对煤岩体塑性区及稳定性造成显著影响，是选择安全开采方式的关键因素之一，也是目前采矿工程领域中急需解决的技术难题之一。目前煤岩体峰前力学行为研究比较深入，而峰后研究则相对滞后。本项目通过利用三维采矿物理模拟试验系统，岩石三轴试验机和高分辨率工业CT扫描等设备，系统研究峰后煤岩体加卸载的变形特征，并在实验室尺度下识别并提取峰后煤岩体裂隙网络结构的形态、统计分布特征和拓扑性质，建立包含煤岩本身的物理力学参数、所受应力大小、裂隙结构特征等主要影响因素在内的、描述煤岩体峰后应力应变曲线随时间变化而变化的动态本构关系，编制计算程序，确定峰后煤岩体的强度衰减规律，为工程中确定煤岩体力学属性提供科学的理论依据。

本项目在国内外研究现状及基础上，通过实验室物理力学试验、计算机数值分析、以及现场实测等综合研究方法，系统地对峰后煤岩体力学效应、本构行为、损伤特性、采动裂隙演化及强度变化规律和采动过程中煤层顶底板破坏等方面开展了深入研究并取得了如下主要结果：. （1）以煤岩体的三轴压缩试验和CT扫描试验为基础，重点研究了煤岩体峰后变形特征、力学特性和损伤效应。得到不同应力状态作用下，峰后煤岩体的结构特征及强度变化规律。并在综合分析试验结果的基础上，建立了静载和冲击载荷作用下煤岩体的峰后软化本构关系，并编制了相关计算程序计算了不同荷载作用下损伤煤岩体的力学效应和强度，得到了煤岩体峰后力学参数的变化规律。. （2）获得了含不同组数节理岩体的强度变化规律与岩体结构面粗糙度各向异性特征的表征方式。强度较弱的节理面对强度较强的节理面起到了折减作用，折减程度也随节理面倾角的变化而变化，表现出较大的各向异性。并提出了采用变异函数参数表示结构面粗糙度(JRCv)的方法，对结构面上不同尺寸范围各个方向上的 JRCv 值进行了计算和分析。. （3）结合现场煤岩体裂隙实测数据，建立了等效三维裂隙煤岩体结构几何模型。将开采扰动视作为裂隙煤岩体结构的函数，引入了裂隙煤岩体信息维数与完整煤岩体信息维数的差值作为扰动因子，并给出了其量化计算方法。随着开采扰动的加剧，裂隙煤岩体的黏聚力和内摩擦角、单轴抗压强度、抗拉强度和弹性模量随扰动系数的增加呈不同规律下降。. （4）在煤岩体软化本构关系基础上，利用FLAC3D岩土工程数值分析软件对不同长度工作面的顶底板岩层破坏状况进行计算机数值模拟，在和理论计算和现场实测结果相互验证的基础上，探讨了工作面顶板活动规律及其对煤层底板破坏深度的影响。. 由于地下采矿工程的隐蔽性、不确定性及开采技术的复杂性，本项目的研究结论将为探索采矿工程中煤岩体力学参数的选取及安全开采提供科学的参考依据。