深部开采底板破裂与裂隙演化基础试验研究

第1章 绪论

1．1 研究意义

1．2 深部开采底板破裂研究现状

1．3 深部底板破裂与裂隙演化研究存在的问题

1．4 主要研究内容及方法

第2章 深部开采底板破坏规律及力学分析

2．1 深部底板岩体力学特性

2．2 深部开采底板破坏规律

2．3 深部底板破裂模式及力学分析

2．4 深部底板突水模式

第3章 大尺寸试样裂隙演化规律的数值试验研究

3．1 底板岩体裂隙的分类

3．2 裂隙演化规律的数值模拟研究

3．3 断层岩体裂隙的断裂判据

3．4 裂隙演化活化断层的机理分析

第4章 大尺寸类岩石裂隙演化规律的试验研究

4．1 声发射裂隙演化定位原理

4．2 大尺寸类岩石试样的制备

4．3 不同加载速率对裂隙演化及声发射行为的影响规律

第5章 深部开采底板破裂与裂隙扩展演化的试验研究

5．1 固流耦合理论

5．2 固流耦合相似材料的选取

5．3 隔水层相似材料的配比及测试

5．4 模型设计与铺设

5．5 试验结果与分析

第6章 深部开采底板岩体裂隙演化的数值模拟研究

6．1 RFPA软件简介

6．2 深部开采底板岩体裂隙演化的模拟试验

第7章 深部开采底板岩体裂隙演化的现场监测研究

7．1 底板破坏探测技术

7．2 底板岩体裂隙演化的现场监测与分析

第8章 深部矿井水害防治的研究展望

参考文献2100433B

基于深部岩体的物理及力学特性，《深部开采底板破裂与裂隙演化基础试验研究》主要分析了深部煤层采后底板岩体的应力和位移变化规律，建立了深部底板采动岩体的受力模型，获得了隔水层的三种破裂模式及判断准则，推导了不同破裂模式下合理的工作面长度，提出了诱发底板突水灾害的三种突水模式；提出了底板岩体不同采动裂隙的起裂准则，获得了压剪和拉剪应力条件下裂隙演化与主应力及水压的关系，研究了岩体的裂隙几何属性对大尺寸试样裂隙演化及贯通模式的影响规律；基于真三轴实验研究了双轴加载下预制单裂隙和双裂隙大尺寸试样在不同加载速率下破裂、裂隙演化规律及声发射行为特征；获得了以石蜡、凡士林、河砂、碳酸钙和液压油为新型隔水材料的优配比，得到了深部底板采动岩体和断层岩体的裂隙演化规律；模拟研究了高承压水下煤层埋深、断层产状要素及底板不同岩性组合对底板采动岩体裂隙演化的影响作用；利用现场钻孔漏失量反演获得了深部底板采动岩体裂隙演化的实测规律。

《深部开采底板破裂与裂隙演化基础试验研究》可供从事采矿工程、安全工程、地下岩土工程及矿山安全生产检测等方面研究的科技工作者及现场工程技术人员参考使用，也可作为本科生和研究生的课外阅读材料。

在采、掘工作面附近存在有应力集中区和免压区。由于受到集中应力引起的剪应力作用以及在免压区中受到由集中应力衍生的水平应力和剪应力的共同作用，在开采煤层底板中也会形成一定深度的裂隙带，即底板裂隙带。在该裂隙带中，岩层富含裂隙且应力低于原岩应力，裂隙呈张开状态，岩层已基本上丧失了隔水性能，成为导水层。若底板裂隙带直接与承压水的原始导升带沟通，则承压水也能迅速涌入采、掘工作空间，形成突水事故。

工作面底板裂隙带的深度与开采煤层的强度、厚度，煤层顶、底板岩层的力学特性、结构以及顶板管理方法，开采参数（如工作面长度、巷道宽度等等）等因素有关。底板岩层的岩性愈软，工作面前方的峰值集中应力愈高，承压含水层的水压愈高，免压区中作用于底板的压力愈低，则所形成的底板裂隙带深度也愈深。相似材料模拟实验的结果表明：底板裂隙带的分布状况大体上和底板中塑性滑移线的分布相吻合。

采动产生的岩层裂隙主要是由工作面前方的集中应力和免压区中的水平应力形成的。由开切眼至老顶初次来压期间，底板裂隙带的深度随着工作面的推进、开采范围的扩大而加深，并且在初次来压时达到最大值。初次来压后，随着工作面的推进，裂隙带的范围继续扩大而深度在初期较初次来压时有所减少，以后又逐渐增大，直到周期来压时又达到第二个峰值深度（该深度仍小于初次来压时底板破裂带的深度）。所以，一般可以用来压时的破裂最大深度作为底板破裂带的深度。

以深部高应力岩石巷道围岩破坏失稳为背景，从巷道围岩的环境和历史条件出发，以远离平衡态非线性理论为指导，采用原位监测与真三轴空心厚壁圆筒卸压试验的新方法，紧紧围绕深部巷道围岩强度衰减这一关键科学问题开展研究。通过采用原位超声波和雷达持续测试巷道围岩破裂演化过程中的强度衰减情况的研究，以及现场多次取岩芯的试验方法，研究现场高应力条件下岩体强度衰减的力学行为，准确把握深部巷道围岩破裂演化及其强度衰减的规律，阐明不同支护加固方法在围岩破裂演化过程中的作用机理；然后通过真三轴空心厚壁圆筒加卸载试验方法，真实再现巷道开挖、围岩强度衰减和支护平衡演化的全过程，选择确定三维强度的描述方法及参数，完善符合其破坏特点的三维岩石强度理论及其相应的演化动态力学模型，揭示深部巷道变形破坏的物理本质，提出具有显著成效的深部巷道围岩破坏后二次稳定控制的原理和方法。

本项目以深部巷道锚固围岩破坏失稳为背景，以远离平衡态非线性理论为指导，采用原位监测、物理模型试验、室内岩样试验、理论分析等相结合的方法，紧紧围绕深部巷道围岩锚固机理与强度演化这一关键科学问题开展研究。通过现场原位实测获得了巷道围岩破裂演化及不同锚固支护条件下强度参数(黏聚力和内摩擦角)的变化规律，探讨了巷道围岩锚固支护体的强度演化特征；在此基础上，模拟现场岩体结构，研究建立了透明岩体试验新技术，并结合多组锚固体试验揭示锚杆支护与围岩相互作用力学行为的内在机理，开展了不同结构的围岩锚固模型试验，研究了不同预紧力、长度、间排矩等锚杆支护参数对锚固结构强度的敏感性因素变化规律以及加锚前后应力分布、变形破坏机制与模式；获得了锚固体应力场与位移场的演化规律，分析了巷道围岩组合拱厚度的形成条件与规律。基于现场工程条件及试验获得的巷道围岩锚固支护强度准则，分别对FLAC与UDEC两种数值分析软件进行了二次开发，研究了不同锚杆支护参数对围岩锚固承载结构的影响规律，提出了巷道锚固体强度的失稳判据及其结构补偿原理和方法，形成了巷道围岩稳定控制的技术体系，并在平煤矿区与大同矿区等得到推广应用，取得了良好的社会效益与经济效益。 课题组历经4年的研究，圆满完成了计划任务书规定的研究工作，达到了预期研究目标，取得了以下学术成果：在国内外主流期刊上发表学术论文32篇，出版专著3部；培养博士研究生7名、硕士研究生15名、出站博士后3名；获得授权发明专利7项；参加国内国际学术会议14人次；先后获得国家科技进步二等奖1项、河南省科技进步二等奖1项、山西省科技进步二等奖1项。 2100433B