采矿岩石多尺度破坏力学

左建平孙运江刘海雁于美鲁雷博宋洪强文金浩

1.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院,北京 100083;2.煤炭资源与安全开采国家重点实验室,北京 100083

“十三五”期间,我国煤炭开采自主创新能力得到了大幅提升[1],矿山灾害大幅降低。“十四五”时期,我国煤矿安全生产形势依然严峻,百万吨死亡率远高于世界先进国家水平[2]。我国各大矿区煤层赋存条件存在较大差异,开采方法多样,导致岩石破坏行为及力学机理复杂多变。煤层开采后围岩应力重新分布,采空区顶板岩层出现拉伸破坏、剪切破坏或混合破坏,采空区周围产生采动支承压力,煤岩体发生压剪破坏。煤矿灾害事故频发主要是由于对采动复杂应力环境下围岩的宏细观破坏机理研究不足所致。

岩石的物理性质与测量的尺度密切相关[3]。同样地,煤矿开采根据研究对象的不同,岩石破坏力学行为的研究也存在多尺度特征,如图1所示。岩石宏细观破坏力学行为是岩层移动和巷道围岩控制的基础。岩层的破断移动影响着巷道围岩稳定,岩层破断运动产生支承压力,其峰值约为地应力的1.5～3.0 倍[4],是造成巷道破坏恶化和诱发灾害的主要驱动力。近年来,国内外学者在煤矿开采岩石破坏及控制方面进行了大量研究。谢和平[5]系统分析了深部开采煤岩失稳破坏多尺度多因素协同作用机理及演化规律。何满潮等[6]指出,深部工程岩体力学是非线性力学系统。鞠杨等[7]提出3D 模型打印与应力冻结技术相结合的方法,研究地下岩体内部复杂结构与三维应力场分布的定量表征与可视化。……