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| 复杂环境下煤岩体耦合致裂基础与应用研究 |
| 崔 峰 |
| (西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054) |
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| CUI Feng |
| (School of Energy，Xi?an University of Science and Technology，Xi?an，Shaanxi 710054，China) |
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摘要 复杂条件下特厚煤层综放开采的关键是提高顶煤冒放性、降低煤岩体应力集中。注水和爆破作为煤岩体致裂有效的手段得到广泛使用。煤岩体结构及其材质的天然复杂性导致煤岩体耦合致裂问题是一个涉及煤/岩–裂隙–水–爆生气体多介质互相作用的复杂过程。研究固–液耦合体的耦合致裂机制、效果优化和煤体离散化的微观参数制取等有着重要的科学意义和工程应用价值。论文以复杂环境下急倾斜煤岩体的耦合致裂为背景，采用理论分析、岩石力学实验、数值模拟、神经网络、现场监测和工业试验相结合的方法开展研究，研究成果有：
(1) 研究了复杂煤岩体注(水)后爆(破)耦合致裂增透卸压机制。耦合致裂的本质是爆炸形成的爆生气体和冲击波共同在已软化的煤岩体中传播，耦合致裂效果大于两者的简单叠加。引入强度劣化率f作为评估耦合致裂效果的指标，获得了耦合致裂主要参数与强度劣化程度f的关系，并给出了耦合致裂技术实施时裂纹的扩展准则。
(2) 构建了考虑急倾斜煤岩体应力特征的爆破动载作用下固–液耦合分析模型。基于爆破动载作用下已弱化固液耦合态煤体的破坏特征，建立了耦合致裂参数与煤体整体强度劣化程度的量化关系，完成了煤体“整体–散体”的等效转化，确定了耦合致裂后煤体基于离散元的细观参数，给出了不同强度煤体和放出率间的关系、耦合致裂参数与放出率的关系，掌握了离散化块体间的铰接结构及流动形态演化特征。
(3) 形成了基于时–空–强参数等效转化的综合数值计算与分析方法。在耦合致裂分析过程中，煤岩体所处时间–空间(不同阶段高度)应力与强度完全不同，采用统一的计算方法无法表征不同阶段的煤岩体特征。在煤岩体为整体时采用有限元算法，经过耦合致裂后转化为散体状态时运用离散元的方法分析，以煤岩体整体的强度为等效转化指标，确定了不同状态时模型的物理力学参数，实现了研究对象在不同算法间的等效转化。
(4) 完成了复杂环境下煤岩体耦合致裂工艺设计与效果评估。以复杂环境下急斜特厚煤岩体的耦合致裂为背景，制定了提高煤体冒放性和实现岩体卸压的耦合致裂方案，采用神经网络完成了煤岩体耦合致裂效果的预计，并对现场工业试验中煤体的垮放情况进行记录分析，对耦合致裂后表征岩体卸压程度的微震事件进行监测，验证了神经网络预测的准确性。实践结果表明：BP神经网络实现了煤岩体耦合致裂效果的定量化评估，在高阶段煤体和常规阶段煤体复合交叉区域预测的数据仍具有一定的可靠性。耦合致裂大幅度减轻了应力集中，促使高压力缓慢释放、主动诱导-集中释放，顶煤的冒放性和动力灾害问题均得到了较好的控制和解决。
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