本書(shū)從能量耗散與釋放的角度研究了沖擊地壓演化過(guò)程。建立了煤巖破壞電磁輻射能與耗散能的定量化關(guān)系，研究得到了煤巖加載破壞全過(guò)程能量耗散的階段特征，可以作為煤巖所處破壞階段及穩(wěn)定性的有效判據(jù)。提出了沖擊地壓活動(dòng)域系統(tǒng)（RADS）的概念，基于系統(tǒng)時(shí)-空二維的熵變及能量耗散研究揭示了RADS的演化過(guò)程；建立了沖擊地壓活動(dòng)域系統(tǒng)主體（MRADS）中煤體體元能量平衡及熵平衡方程，提出了利用煤體內(nèi)動(dòng)力學(xué)過(guò)程判定系統(tǒng)主體穩(wěn)定性的理論方法。建立了基于能量耗散與釋放的MRADS動(dòng)壓型沖擊地壓演化模型，揭示了動(dòng)力擾動(dòng)下系統(tǒng)能量演化、儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)破壞及沖擊地壓形成機(jī)理；基于模型能夠確定阻斷沖擊地壓演化過(guò)程的解危措施實(shí)施時(shí)刻。

沖擊地壓是發(fā)生在煤巖地層中的動(dòng)力災(zāi)害現(xiàn)象,是煤巖體在其內(nèi)外物理力學(xué)變化及應(yīng)力綜合作用下快速破裂的結(jié)果,是典型的不可逆能量耗散過(guò)程。在這些動(dòng)力過(guò)程中,煤巖體自外界獲得的能量和地層形成過(guò)程中儲(chǔ)存的能量會(huì)以各種形式釋放和耗散,如彈性能、表面能、壓縮氣體的膨脹能、熱能、聲能和各種輻射能等。因此,從能量耗散的角度揭示沖擊地壓的發(fā)生、發(fā)展過(guò)程是可行的;同時(shí),從保持能量耗散速率、維持系統(tǒng)能量平衡的角度采取措施避免沖擊地壓的發(fā)生也是可行的。

在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51304205)、國(guó)家“十二五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目、教育部科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(113031A)、中國(guó)博士后科學(xué)基金項(xiàng)目(2013M541982、2014T70678)、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2014XT02、2014ZDPY23)及中國(guó)礦業(yè)大學(xué)第七批優(yōu)秀創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)建設(shè)項(xiàng)目(2014ZY001)等資助下,經(jīng)過(guò)作者多年的研究,在受載煤巖體的能量耗散特征、基于能量耗散的沖擊地壓演化過(guò)程及防治理論技術(shù)等方面取得了一些創(chuàng)新性成果。本書(shū)對(duì)以上方面進(jìn)行了比較詳盡的論述,希望對(duì)從事此方面及相關(guān)領(lǐng)域研究的科技工作者能有所啟示。

本書(shū)采用實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)、理論分析以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法,分析了煤巖破壞過(guò)程中的能量類(lèi)型及轉(zhuǎn)化規(guī)律,揭示了能夠良好反映煤巖能量耗散的參數(shù),依此研究了煤巖單軸壓縮破壞能量耗散的時(shí)域特征,并探討了能量耗散的主要影響因素。提出了沖擊地壓活動(dòng)域系統(tǒng)(RADS)的概念,研究分析了系統(tǒng)時(shí)- 空二維的熵變及能量耗散特征,基于耗散結(jié)構(gòu)理論對(duì)沖擊地壓活動(dòng)域系統(tǒng)主體(MRADS)的演化過(guò)程進(jìn)行了分析。建立了變邊界RADS動(dòng)壓型沖擊地壓演化模型,對(duì)模型進(jìn)行了數(shù)值模擬驗(yàn)證,并基于模型利用現(xiàn)場(chǎng)煤巖電磁輻射數(shù)據(jù)分析

了RADS演化特征規(guī)律。研究了MRADS在水射流卸壓條件下應(yīng)力場(chǎng)、能量場(chǎng)的演化規(guī)律,以及此種規(guī)律對(duì)沖擊地壓產(chǎn)生的影響,并對(duì)此進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證分析。

全書(shū)共分8章。第1章介紹了沖擊地壓災(zāi)害研究現(xiàn)狀,煤巖變形失穩(wěn)能量分析研究綜述,提出了本書(shū)的研究?jī)?nèi)容及研究方法。第2章在研究煤巖空隙特性及宏觀破壞機(jī)制的基礎(chǔ)上,分析了煤巖變形破壞過(guò)程中的宏觀和微觀機(jī)制,以及在此過(guò)程中的能量類(lèi)型及其轉(zhuǎn)化規(guī)律。第3章分析了煤巖破壞過(guò)程的電磁能與耗散能的關(guān)系,試驗(yàn)研究了煤巖體在單軸壓縮加載條件下電磁輻射能與耗散能的關(guān)系;依此研究了煤巖體加載破壞能量耗散的時(shí)域特征,并探討了主要影響因素。第4章提出了RADS的概念,論述了熱力學(xué)熵及熵變方程的相關(guān)理論,分析了系統(tǒng)時(shí)-空二維的熵變及能量耗散特征,并基于耗散結(jié)構(gòu)理論分析了MRADS的演化過(guò)程。第5章從能量的角度分析了RADS發(fā)生沖擊地壓的可能性,建立了RADS動(dòng)壓型沖擊地壓演化模型,對(duì)模型進(jìn)行了數(shù)值模擬驗(yàn)證,并基于模型利用現(xiàn)場(chǎng)煤巖電磁輻射數(shù)據(jù)分析了RADS演化特征規(guī)律。第6章探討了水射流破巖機(jī)理,分析了基于水射流的煤層卸壓方法及能量耗散規(guī)律,通過(guò)物理相似實(shí)驗(yàn)初步考察了水射流破巖效果,在此基礎(chǔ)上數(shù)值模擬了MRADS卸壓條件下煤巖體的應(yīng)力場(chǎng)、能量場(chǎng)的演化規(guī)律。第7章在霍州煤電集團(tuán)公司辛置煤礦及義煤集團(tuán)公司躍進(jìn)煤礦進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn),以電磁輻射為主要技術(shù)手段對(duì)MRADS卸壓下的能量耗散及應(yīng)力轉(zhuǎn)移進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。第8章是對(duì)全文結(jié)論的總結(jié)。

作者衷心感謝劉貞堂教授長(zhǎng)期以來(lái)給予的幫助和指導(dǎo)。感謝李忠輝教授、劉曉斐副教授、沈榮喜副教授、徐劍坤老師、趙恩來(lái)老師、宋曉艷老師、賈慧霖老師及王超老師等給予的大力支持和幫助。感謝徐文全博士、馬衍坤博士、歐建春博士、金佩劍博士、陳鵬博士、李楠博士、薛世鵬碩士、李學(xué)龍碩士、董超碩士、晉

明月碩士等參與的部分研究工作。感謝盧愛(ài)紅在研究工作中的有益探討和交流。作者感謝義煤集團(tuán)公司躍進(jìn)煤礦劉軍總工、張國(guó)華科長(zhǎng)、陳祥坡副科長(zhǎng),霍州煤電集團(tuán)公司辛置煤礦王冬輝總工、樊新亭科長(zhǎng)、吳學(xué)斌科長(zhǎng)、謝永強(qiáng)隊(duì)長(zhǎng)、劉國(guó)強(qiáng)副隊(duì)長(zhǎng)、羅兵技術(shù)員、董林超技術(shù)員等在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中給予的幫助和協(xié)作。本書(shū)的編寫(xiě)參閱了大量的國(guó)內(nèi)外有關(guān)煤巖電磁輻射技術(shù)及相關(guān)方面的專(zhuān)業(yè)文獻(xiàn),謹(jǐn)向文獻(xiàn)的作者表示感謝。

雖然本書(shū)在沖擊地壓機(jī)理及防治理論技術(shù)方面取得了一些成果,但很多內(nèi)容還有待于今后進(jìn)一步的深入研究和完善。由于作者水平所限,書(shū)中疏漏謬誤之處在所難免,敬請(qǐng)讀者不吝指正。

作 者

2015年4月

1 緒論…………………………………………………………………………… 1

1.1 課題的背景及意義…………………………………………………… 1

1.2 沖擊地壓研究綜述…………………………………………………… 3

1.3 煤巖變形失穩(wěn)能量分析研究綜述…………………………………… 8

1.4 存在的問(wèn)題及不足…………………………………………………… 10

1.5 主要研究?jī)?nèi)容及研究方法…………………………………………… 10

2 煤巖變形破壞機(jī)制及能量轉(zhuǎn)化……………………………………………… 12

2.1 煤巖的空隙特性……………………………………………………… 12

2.2 煤體變形破裂機(jī)制…………………………………………………… 18

2.3 煤巖破壞過(guò)程中的能量轉(zhuǎn)化………………………………………… 25

3 煤巖破壞過(guò)程能量耗散的時(shí)域特征………………………………………… 37

3.1 煤巖破壞過(guò)程的電磁能與耗散能…………………………………… 37

3.2 電磁能與耗散能的耦合實(shí)驗(yàn)………………………………………… 64

3.3 煤巖受載破壞能量耗散的階段特征………………………………… 70

3.4 煤巖破壞過(guò)程中能量耗散的影響因素……………………………… 78

4 基于能量耗散的RADS時(shí)-空演化………………………………………… 81

4.1 RADS的提出………………………………………………………… 81

4.2 RADS的熵變分析…………………………………………………… 83

4.3 RADS的能量耗散分析……………………………………………… 87

4.4 基于模型的RADS演化現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析…………………………… 91

5 RADS動(dòng)壓型沖擊地壓演化模型………………………………………… 103

5.1 RADS發(fā)生動(dòng)壓型沖擊地壓的能量分析………………………… 103

5.2 RADS動(dòng)壓型沖擊地壓演化模型………………………………… 104

5.3 模型的數(shù)值模擬驗(yàn)證……………………………………………… 113

5.4 基于模型的RADS演化現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析…………………………… 124

6 水射流卸壓MRADS應(yīng)力場(chǎng)、能量場(chǎng)的演化……………………………… 132

6.1 水射流破巖理論及探討…………………………………………… 132

6.2 基于能量耗散的水射流卸壓方法………………………………… 136

6.3 水射流破巖效果初步考察………………………………………… 139

6.4 MRADS卸壓應(yīng)力場(chǎng)、能量場(chǎng)演化的數(shù)值模擬…………………… 141

7 水射流卸壓MRADS應(yīng)力場(chǎng)、能量場(chǎng)演化的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證…………………… 156

7.1 煤層水射流卸壓系統(tǒng)……………………………………………… 156

7.2 霍州辛置煤礦現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)…………………………………………… 161

7.3 義馬躍進(jìn)煤礦現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)…………………………………………… 169

8 總結(jié)與展望………………………………………………………………… 172

8.1 總結(jié)………………………………………………………………… 172

8.2 展望………………………………………………………………… 176

參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………… 177

·2·

沖擊地壓演化過(guò)程及能量耗散特征