坚硬覆岩预裂弱化改性效应及导水裂缝带控制机理

• Published in: 煤炭科学技术 Vol. 52; no. 4; pp. 105 - 118
• Main Authors: 张玉军, 李友伟, 肖杰, 张志巍, 李嘉伟
• Format: Journal Article
• Language: Chinese
• Published: 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室,北京 100013%中煤科工开采研究院有限公司,北京 100013%煤炭科学研究总院开采研究院,北京 100013 2024; 天地科技股份有限公司开采设计事业部,北京 100013; 中煤科工开采研究院有限公司,北京 100013
• Subjects: failure characteristics; rock control; 预裂弱化; 改性效应; hard overburden; 导水裂缝带高度; height of water-conducting fracture zone; 岩层控制; pre-cracking weakening; 坚硬覆岩
• ISSN: 0253-2336
• DOI: 10.12438/cst.2023-1618

TD745; 针对深部煤层开采坚硬覆岩条件下导水裂缝带控制问题,充分借鉴坚硬顶板预裂弱化技术,提出预裂弱化坚硬主控覆岩控制导水裂缝带高度的新方法.综合采用实验室试验、理论分析、数值模拟等方法,研究了坚硬主控覆岩预裂弱化改性效应,详细阐述了不同弱化层位对导水裂缝带的控制机理,并进行了实测验证.研究结果表明:预制裂缝可以使坚硬岩石往强度低的方向进行转变,并将完整岩样的劈裂破坏特征转变为以预制裂缝为主控的张拉剪切破坏,坚硬岩石的破坏程度由剧烈趋于缓和;揭示了预制裂缝对坚硬岩体的弱化改性效应,计算得到应力与裂缝耦合的损伤变量,定性的分析了弱化程度与岩性转变的关系,改性后岩体能量存储能力降低,耗散能力增强;数值模拟了不同弱化层位对导水裂缝带的控制效果,综合对比覆岩破坏形态、裂隙数量及破坏高度动态演化规律,发现"马鞍形"破坏形态随着弱化层位的升高而逐渐减弱,覆岩裂隙数量演化基本呈现"缓增-突增"的演化趋势,未弱化以及中、高位弱化覆岩破坏高度动态演化近似呈现"S"形,而中位弱化呈"半抛形",综合分析得出低位弱化对导水裂缝带的控制效果最好;在分析高、中、低位坚硬岩层破坏特征的基础上,揭示了不同预裂弱化层位控制导水裂缝带发育机理;钻孔实测孟村矿顶板压裂条件下的"两带"发育高度,对比发现预裂弱化条件下裂采比降低,初步验证了顶板预裂弱化对导水裂缝带发育的抑制性.研究成果将为深部矿区耦合灾害防控、水资源及生态保护等领域提供理论和科学依据.