深部裂隙煤岩体变形破坏机理及高压注浆改性强化试验研究.pdf

第4 6 卷第3 期 2 0 2 1 年3 月 煤炭学报 J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 6N o ．3 M a r ．2 0 2 1 深部裂隙煤岩体变形破坏机理及高压注浆 改性强化试验研究 李文洲1 ’2 ’3 ⋯，康红普1 ’2 ’3 ⋯，姜志云5 ，司林坡1 ’2 ’3 ⋯，蔡瑞春5 ，郭罡业1 ’2 ’3 ’4 1 ．煤炭科学研究总院，北京1 0 0 0 1 3 ；2 ．中煤科工开采研究院有限公司，北京1 0 0 0 1 3 ；3 ．天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京 1 0 0 0 1 3 ；4 ．煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验，北京1 0 0 0 1 3 ；5 ．中煤新集能源股份有限公司1 3 孜东矿，安徽阜阳2 3 6 1 5 3 摘要为了对深部高应力裂隙煤岩体变形破坏特征及改性强化机理进行研究，首先采用小孔径水 压致裂法对埋深5 0 0m 左右和10 0 0m 左右的地应力分布特征进行现场实测研究，以此为基础对 比分析了不同埋深条件下地应力分布特征、煤岩体破裂强度及典型裂隙分布发育特征，拟合得到了 不同埋深条件下裂隙煤岩体摩尔强度包络线公式。采用数值模拟方法对比研究了不同埋深不同应 力水平条件下煤岩体不同角度裂隙变形破坏特征。根据裂隙扩展应变能释放率与能量吸收率间的 关系，探讨了影响深部裂隙煤岩体改性强化的主要影响因素。通过建立裂隙悬臂梁力学模型，采用 格里菲斯裂纹扩展破坏准则分析了裂隙扩展临界载荷和裂隙不同角度间的关系。基于现场实测及 数值模拟研究结果，通过对不同埋深煤岩体破裂强度的统计分析，结合煤岩体改性强化的工艺及装 备要求，提出了深部裂隙煤岩体改性强化的基本原则及临界值范围。基于上述研究成果，在千米深 井工作面巷道进行了现场试验，得到了裂隙煤岩体改性强化高压注浆全过程改性压力曲线。通过 对裂隙煤岩体不同改性强化阶段浆液扩散特征的分析，最大注浆改性强化压力为3 0M P a ，一般为 1 5 2 0M P a ，与提出的改性原则相符。通过现场取样表征分析、实验室扫描电镜对尺度2 ～2 0i x m 浆液固结体特征进行对比分析，采用纳米压痕试验对浆液固结体和煤岩体的界面弹性模量效应进 行了分析，从宏观到微观验证了裂隙煤岩体改性强化效果良好。 关键词深部开采；裂隙煤岩体；变形破坏机理；高压注浆；改性强化试验；地应力 中图分类号T D 3 2 2文献标志码A文章编号0 2 5 3 - 9 9 9 3 2 0 2 1 0 3 - 0 9 1 2 - 1 2 D e f o r m a t i o nf a i l u r em e c h a n i s mo ff r a c t u r e dd e e pc o a l ．r o c km a s sa n d h i g h - p r e s s u r eg r o u t i n gm o d i f i c a t i o ns t r e n g t h e n i n gt e s t i n g L IW e n z h o u l ，2 3 ⋯，K A N GH o n g p u l ，2 3 ⋯，J I A N GZ h i y u n 5 ，S IL i n p 0 1 ，2 ，3 ⋯，C A IR u i c h u n 5 ，G U OG a n g y e l ，2 ’3 4 1 ．C h i n aC o a lR e s e a r c hI n s t i t u t e ，B e i j i n g1 0 0 0 1 3 ，C h i n a ；2 ．C C T E GC o a lM i n i n gR e s e a r c hI n s t i t u t e ，B e i n g1 0 0 0 1 3 ，C h i n a ；3 ．C o a lM i n i n ga n dD e s i g - n i n gD e p a r t m e n t ，T i a n d iS c i e n c e ＆T e c h n o l o g yC o ．，L t d ．，B e i j i n g1 0 0 0 1 3 ，C h i n a ；4 ．S t a t eK e yL a b o r a t o r yo f C o a lM i n i n ga n dC l e a nU t i l i z a t i o n ，B e i j i n g 1 0 0 0 1 3 ，C h i n a ；5 ．K o u z i d o n gM i n e ，X i n j iE n e r g yC o ．，L t d ．，C h i n aN a t i o n a lC o a lG r o u pC o r p ．，F u y a n g2 3 6 1 5 3 ，C h i n a A b s t r a c t I no r d e rt os t u d yt h ed e f o r m a t i o nf a i l u r ec h a r a c t e r i s t i c so ff r a c t u r e dd e e pc o a l r o c km a s sw i t hh i g hi n s i t u s t r e s sa n di t sm o d i f i c a t i o ns t r e n g t h e n i n gm e c h a n i s m ，f i r s t l y ，t h ei n s i t us t r e s sd i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fc o a l r o c k m a s sw i t hb u r i e dd e p t ha b o u t5 0 0ma n d10 0 0mw e r et e s t e db ym e a n so fs m a l lb o r e h o l eh y d r a u l i cf r a c t u r i n gm e t h o d 收稿日期2 0 2 0 1 1 2 9修回日期2 0 2 1 0 2 0 5责任编辑黄小雨D O 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．e n k i ．j e c s ．Y T 2 0 ．1 8 5 9 基金项目国家重点研发计划资助项目 2 0 1 7 Y F C 0 6 0 3 0 0 4 ；天地科技创新创业资金专项资助项目 2 0 1 9 - T D Q N 0 0 3 ， 2 0 1 8 一T D Q N 0 2 7 作者简介李文洲 1 9 8 l 一 ，男，山西晋城人，副研究员。T e l 0 1 0 8 4 2 6 3 1 4 3 ，E - m a i l l i w e n z h o u 1 2 6 ．e o n l 引用格式李文洲，康红普，姜志云，等．深部裂隙煤岩体变形破坏机理及高压注浆改性强化试验研究[ J ] ．煤炭学报， 2 0 2 1 ，4 6 3 9 1 2 - 9 2 3 ． L IW e n z h o u ，K A N GH o n g p u ，J I A N GZ h i y u n ，e ta 1 ．D e f o r m a t i o nf a i l u r em e c h a n i s mo f f r a c t u r e dd e e pc o a l r o c km a s s a n dh i s h p r e s s u r eg r o u t i n gm o d i f i c a t i o ns t r e n g t h e n i n gt e s t i n g [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aC o a lS o c i e t y ，2 0 2 1 ，4 6 3 9 1 2 - 9 2 3 ． 移动阅读 万方数据 第3 期李文洲等深部裂隙煤岩体变形破坏机理及高压注浆改性强化试验研究 9 1 3 i nf i e l d ．T h ei n - s i t us t r e s sc h a r a c t e r i s t i c si nd i f f e r e n tb u r i e dd e p t h s ，c o a l - r o c km a s sr u p t u r es t r e n g t ha n di t st y p i c a l f r a c t u r ef e a t u r e sw e r es t u d i e db yc o m p a r a t i v ea n a l y s i s ．T h eM o h re n v e l o p e sf o r m u l ao ff r a c t u r e dc o a l - r o c km a s sw i t h d i f f e r e n tb u r i e dd e p t h sw e r ep u tf o r w a r d ．T h ed e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fc o a l - r o c km a s sf r a c t u r e sw i t hd i f f e r e n ta n - g l e sa n dd i f f e r e n ts t r e s sl e v e l si nd i f f e r e n tb u r i e dd e p t h sw e r es t u d i e dt h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，a n dt h em a i ni n - f l u e n c ef a c t o r sf o rc o a l - r o c km o d i f i c a t i o ns t r e n g t h e n i n gw i t hd e e pb u r i e dd e p t hw e r ed i s c u s s e db a s e do nt h er e l a t i o n - s h i pb e t w e e nt h es t r a i ne n e r g yr e l e a s er a t eo ff r a c t u r ed e v e l o p m e n ta n ds p e c i f i ca b s o r p t i o nr a t e ．T h ec a n t i l e v e rb e a m m e c h a n i c a lm o d e lW a sb u i l t ，a n dt h e nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf r a c t u r ep r o p a g a t i o nc r i t i c a ll o a da n dd i f f e r e n tf r a c t u r e a n g l e sW a sa n a l y z e dt h r o u g hG r i f f i t hf r a c t u r ef a i l u r ec r i t e r i o n ．W i t hf i e l dt e s t i n ga n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s ，b a s e d o nt h er u p t u r es t r e n g t hs t a t i s t i ca n a l y s i so fc o a l - r o c km a s sw i t hd i f f e r e n tb u r i e dd e p t h sa n dt e c h n o l o g ya n de q u i p m e n t r e q u i r e d ，t h em o d i f i c a t i o ns t r e n g t h e n i n gp r i n c i p l e so ff r a c t u r e dd e e pc o a l - r o c km a s sa n di t sr e l e v a n tm o d i f i c a t i o np r e s - s u r ec r i t i c a lr a n g ew e r ep u tf o r w a r d ．B a s e do nt h ea b o v e m e n t i o n e da c h i e v e m e n t s ，t h eu n d e r g r o u n dt e s t i n gw a sc o n d u c - t e di nw o r k i n gf a c er o a d w a yo f10 0 0md e e pc o a lm i n e ，a n dt h ef u l l yp r o c e s sm o d i f i c a t i o na n ds t r e n g t h e n i n gg r o u t i n g p r e s s u r ec u r v ew a sd e r i v e d ．T h eg r o u t i n gd i f f u s i o ni nd i f f e r e n tm o d i f i c a t i o na n ds t r e n g t h e n i n gp h a s e so ff r a c t u r e dc o a l - r o c km a s sw e r ea n a l y z e d ，t h em a x i m a lg r o u t i n gp r e s s u r ew a sn ol e s st h a n3 0M P a ，a n di t sn o r m a ls c o p ew a s1 5M P at o 2 0M P a ．A l lo ft h er e s u l t sw e r ea c c o r dw i t ht h ec r i t e r i at h a tp u tf o r w a r da b o v e ．T h eg r o u t i n gs t o n ef e a t u r e sf r o ms i z e s2 t o2 0 斗mw e r ev e r i f i e db yf i e l ds a m p l i n ga n dl a b o r a t o r yS E Mt e s t i n g ，t h ee l a s t i cm o d u l u se f f e c to fi n t e r f a c eb e t w e e n c o a l - r o c km a s sa n dg r o u t i n gs t o n ew a sa n a l y z e db ym e a n sN a n oi n d e n t a t i o nt e s t ，t h em o d i f i c a t i o ns t r e n g t h e nw a sv e i l f l e da sg o o df r o mm a c r o st om i c r os i z e ． K e yw o r d s d e e pm i n i n g ；f r a c t u r e dc o a l r o c km a s s ；d e f o r m a t i o na n df a i l u r em e c h a n i s m ；h i g h p r e s s u r eg r o u t i n g ；m o d i f i c a t i o na n ds t r e n g t h e n i n gt e s t i n g ；i n - s i t us t r e s s 随着煤炭资源的开发和利用，煤矿开采逐步 向深部发展。相比浅部矿井，深部矿井地应力水 平越来越大，煤岩体裂隙发育、在高应力作用下软 岩特性也越来越突出。4J ，深部巷道掘进后，短期 内围岩变形明显。煤岩体内部节理、层理、裂隙等 结构面很大程度上决定着煤岩体的强度和变形特 征，而煤岩体的应力环境又对煤岩体的结构及煤 岩体中裂隙变形破坏起着决定性作用，煤岩体内 部裂隙的扩展及破坏，将造成煤岩体整体强度下 降，进而造成锚杆锚索锚固力急剧下降乃至失效， 对矿井巷道安全造成严重影响；且工作面中煤岩 体裂隙发育强度弱化及地质构造等也将对工作面 智能化回采造成影响，将严重制约我国煤矿工作 面回采及巷道掘进的智能化进程J 。 多年来矿井破碎煤岩体注浆试验，一定程度上解 决了破碎煤岩体加固及锚杆锚索锚固力不足的问题， 针对浅部矿井形成了较为完整的煤岩体加固的支护 方式、注浆材料及相关工艺等，但浅部煤岩体注浆多 为浅孔低压模式№。8J 。面对深部矿井地应力水平高、 煤岩体裂隙开度较小、围岩大变形造成锚杆锚索失效 等新问题，采用常规的锚杆锚索支护配合低压浅孑L 注 浆，无法达到预期的围岩控制效果一。13 | 。国内外学者 对深部矿井裂隙煤岩体的诸多问题，如地应力分布特 征、煤岩体体物理力学特性、变形特征及控制方法等 进行了大量的实验研究4 屯1 | 。但针对深部矿井高应 力环境下煤岩体改性强化参数的确定及相关机理的 研究较少，为更好地对深部矿井巷道围岩进行支护， 康红普院士针对深部矿井高应力、大变形围岩与支护 相互作用机理，提出了“支护一改性一卸压”协同控制 原理，为深部矿井裂隙煤岩体改性强化研究提供了指 导‘5 1 。 笔者在对不同埋深地应力分布特征实测及煤 岩体裂隙发育特点对比分析的基础上，采用数值 模拟对不同应力水平不同裂隙倾角煤岩对裂隙煤 岩体变形破坏特征进行了详细研究；通过建立煤 岩体裂隙悬臂梁理论模型，对煤岩体变形破坏影 响因素及改性强化机理进行了分析研究；提出了 深部高应力裂隙煤岩体高压注浆改性强化相关工 艺参数和指导原则。通过现场试验，裂隙煤岩体 改性强化效果良好，围岩控制效果得到明显提高， 对煤矿巷道及工作面智能化的推进奠定较好的地 质先决条件，也为我国深部煤炭资源开发提供强 有力的理论与技术支撑。 1 不同埋深地应力及裂隙分布特征 1 ．1 不同埋深地应力分布特征 煤岩体赋存的应力环境是决定煤岩体结构的主 要因素，为了更好地对深部高应力水平裂隙煤岩体变 万方数据 9 1 4 煤炭 学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 形破坏特征及改性强化机理进行研究，采用小孔径水 压致裂法对埋深5 0 0I n 左右和10 0 0n 左右裂隙煤 岩体地应力分布特征进行了实测对比分析，不同测点 地应力测试结果见表1 。 表1 不同测点地应力测试结果 T a b l e1I n - s i t us t r e s st e s t i n gr e s u l t so fd i f f e r e n tt e s t i n gp o i n t s 注9 H ，O - I ，，”v 分别为最大、最小和垂卣主应力，M P a ；H 为埋深。 其中，埋深5 0 0I l l 左右实验地点选取山西潞安常 村煤矿，共布置4 个测站，分别布置在2 3 采区运输巷 3 0 0I l l 处，埋深4 8 7r l l ，2 3 采区1 号回风巷8 5 0 ，14 0 0 ， 20 0 01 1 3 处，埋深分别为4 9 9 ，5 2 5 ，5 4 9I l l 。埋 深10 0 0I n 左右实验地点选取安徽口孜东矿、山东孙 村矿和华丰矿，共布置1 3 个测站，其中口孜东矿7 个 测站，布置在1 2 1 3 0 4 工作面回风巷，埋深9 0 5n 1 ； 1 2 1 3 0 3 工作面运输巷，埋深9 0 4m ；西翼回风巷5 8 5 ， 6 9 0m 处，埋深10 5 0I n ；西翼运输巷5 0 0I T l 处，埋深 9 7 6I n 。西轨道大巷9 6 0 和8 0 0I T l 处，埋深9 7 6I n ；孙 村矿3 个测站，布置在一1 1 0 0 水平一采区轨道大巷， 埋深12 5 1m 。～1 1 0 0 水平二采区轨道下山回风巷 道，埋深12 5 9I l l 。一1 1 0 0 三采区轨道下山联络巷，埋 深l2 7 li n 。华丰矿3 个测站，布置在一l1 8 0 水平大 巷左掘进工作面，埋深12 7 4m ；一1 1 8 0 水平胶带井硐 室，埋深l2 7 4m ；一11 8 0 水平大巷掘进工作面，埋深 12 7 1H I 。通过不同埋深共1 7 个点地应力测试数据 对比分析，得出地应力随深部变化规律曲线，如图1 所示。 通过图1 可看出埋深10 0 0m 左右时，最大、最 小水平主应力变化分别为1 9 ．7 0 ～3 9 ．1 3M P a ， 1 0 ．3 5 ～2 1 ．0 3M P a ，垂直主应力大小变化为2 2 ．1 7 ～ 4 0 0 6 0 0 { 8 0 0 型 囊l0 0 0 l2 0 0 14 0 0 主。婷i 。il ／M P a 51 0152 02 53 03 54 0 一血童火水平l 应力一上| 童小水1 f ，} 讣i 力 一乖卣主应力一最大最小水甲主应力差 图1地应力随深度变化曲线 F i g ．1M o n i t o r i n g L l l V e So f “ i n s i t us t r e s sw i t hd e p t h 3 1 ．8 5M P a 。最大最小水平主应力与垂直主应力随 深度基本呈线性增长关系。 最大水平主应力随深度变化规律拟合公式为 盯H 0 ．0 2 72 H 一2 ．5 8 78 ，R 2 0 ．8 6 59 1 最小水平主应力随深度变化规律拟合公式为 盯h 0 ．0 1 43 H 一1 ．1 4 84 ，R 2 0 ．8 5 40 2 以上测点最大水平主应力优势方向为北偏西，通 过不同深度地应力测试数据分析可为不同埋深煤岩 体应力特点分析提供指导，而煤岩体中平均水平主应 力与垂直主应力的比值及最大水平主应力与最小水 万方数据 第3 期李文洲等深部裂隙煤岩体变形破坏机理及高压注浆改性强化试验研究 9 1 5 平主应力的比值也是煤岩体裂隙形成和扩展的主要 影响因素。不同应力比值曲线如图2 所示。 4 0 0 6 0 0 莲8 0 0 剥l0 0 0 2 0 0 l4 0 0 刁i 『叫应力比 O ．6O ．81 ．O1 ．214l61 ．82 ．O 一甲均水平卜应力／垂A 应力 最人水平卜应力／最小水平卞应力 图2 不同应力比值曲线 F i g ．2 R a t i oc u r v e so fd i f f e r e n ts t r e s s e s 最大最小水平主应力差5 ．8 2 ～1 8 ．1 0M P a ，深部 最大水平主应力与最小水平主应力差值为5 ．8 2 ～ 1 8 ．1 0M P a ，深部最大水平主应力与最小水平主应力 差值为9 ．0 2 ～1 8 ．1 0M P a ，最高1 8 ．1 0M P a ，平均水平 主应力与垂直主应力比为0 ．6 3 ～0 ．9 5 ，最大水平主 应力与最小水平主应力比为1 ．7 9 ～1 ．9 9 。 通过浅部和深部矿井地应力测试数据分析，根据 摩尔库伦准则，拟合得到了不同埋深煤岩体摩尔强度 包络线公式为 7 - 0 ．1 8 37 矿 3 ．8 4 ，R 2 0 ．8 7 63 3 其中，r 为剪应力，M P a ；d r 为正应力，M P a 。，深部煤 岩体摩尔强度包络线如图3 所示，其中红色为浅部煤 岩体摩尔圆，蓝色为深部煤岩体摩尔圆。 图3不l 司埋深煤岩体摩尔强度包络线 F i g ．3 M o l u ’e n v e h p e so fc o a l 一1 ’o c k F l l a s si nd i f f e r e n td e p t h 通过以上分析得出我国深部矿井裂隙煤岩体 最大水平主应力最大约为最小水平主应力的2 倍，最 大最小水平主应力最大差值达到了1 8M P a ，较大的 主应力差导致剪应力水平较大，造成煤岩体剪胀效应 明显，更易造成裂隙的形成及扩展，且深部高应力条 件下煤岩体软岩特性明显，受采动等叠加因素影响， 煤岩体裂隙进一步扩展发育，造成裂隙煤岩体强度进 一步下降，围岩强度弱化明显，进而诱发支护锚固失 效，围岩大变形等。 1 ．2 深部煤岩体典型裂隙特征 煤岩体裂隙可根据宽度分为密闭裂 隙 51 3 [ 1 1 1 1 等，通过对深部裂隙煤岩 体结构调查，其典型裂隙特征如图4 所示。巷道围岩 浅部主要以环状离层为主，深部主要为细小、封闭裂 隙、微张裂隙为主。受高应力、采动等因素影响，煤岩 体内部裂隙经历变形启动、变形扩张、贯通，形成裂隙 网络，最终导致煤岩体扩容膨胀。 ◆ 6 ．0 65 7 ．0 7 ．5 8 ．0 8 ．5 J 訇4 深部煤岩体裂隙典型特征 F i g ．4 T y p i c a lf e a t u r e so ff r a c t u r e si nd e e p 煤岩体裂隙率对煤岩体力学性能的控制要远大 于材料本身，裂隙网络的形成将引起煤岩体完整性急 剧降低，锚杆锚索预应力扩散效果差，造成围岩控制 效果差。 2 不同应力水平裂隙煤岩体变形特征 2 ．1 不同倾角裂隙变形特征 煤岩体中裂隙网络的形成是基于应力环境的随 机系统，其中主应力差是主要影响因素，裂隙网络具 备分形特征，裂隙网络的形成是多个不同倾角裂隙扩 展贯通的相互叠加。为了对煤岩体中不同倾角裂隙 变形特征进行分析，以煤岩体单一裂隙为例，在对不 同埋深地应力分布特征及裂隙特点分析的基础上，采 用U D E C 6 ．0 数值模拟软件研究了不同倾角裂隙煤岩 体变形破坏特征，其数值模型如图5 所示。 a 数值模，州小同角度裂隙 b e 0 ．裂隙数值模拟方案 图5 不同倾角裂隙数值模型 F i g ．5 N u m b e rm o d e lw i t hd i f f l e l ’e n ta n g l ef i a c t u r e s 万方数据 9 1 6 煤炭学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 图5 a 中数字为不同角度裂隙，图5 b 中O t 为 裂隙倾角。模型宽度5 0m m ，高度1 0 0m m 。根据实 测地应力数据，施加相关应力，量测施加梯度水平应 力，底部垂直位移固定。以模型中点为圆心，按裂隙 倾角1 5 。，3 0 。，4 5 。，6 0 0 ，7 5 。，9 0 。，1 0 5 。，1 2 0 。，1 3 5 0 ， 1 5 0 。，1 6 5 。，1 8 0 。及不同埋深应力水平，共建立2 4 个 模型，对煤岩体裂隙变形特征及其影响因素进行研 究。 煤岩体物理力学参数见表2 ，其物理力学参数通 过实验室单轴压缩试验并通过现场围岩结构G S l 分 类折减后取得。 不连续结构面力学参数见表3 。 表2 数值模型煤岩体力学参数 T a b l e2C o a la n dr o c km e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 度 注E 为弹性模量；／2 为泊松比；U C S 为单轴抗压强度；G S I 为岩体表面质量指标；M 为岩石_ 三轴常挝；c 为黏聚力；妒为摩擦角；口．为抗托强 表3 数值模型煤岩体结构面力学参数 T a b l e3M e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc o a la n dr o c ks t r u c t u r a lp l a n e 注K 。为节理法向刚度；K ，为节理剪切刚度；朔为节理内摩擦角；C J 为节理黏聚力；一J 为节理抗拉强度，模型采用摩尔一库伦破坏准则进行 描述。 相同应力不同裂隙倾角最大水平主应力和裂隙 周围塑性区分布如图6 ，7 所示。 图6 不同倾角裂隙煤岩体最大主应力 F i g ．6 M a x i m u mp r i n c i p a ls t r e s su n d e rd i f f e r e n ta n g l e s 图7不同裂隙倾角裂隙周围状态 F i g ．7 S i n m l a t e db l o c ks t a t ep a t t e r n so ff l a c t u r e s 随着裂隙倾角增加，裂隙倾角为9 0 。时，最大水 平主应力和裂隙周围塑性破坏区呈现对称状态。裂 隙倾角逐渐增大时，裂隙周围拉应力集中区由裂隙两 端较小区域逐渐扩展到中部较大面积区域，随后逐渐 减小；而主压应力集中区则相反。裂隙倾角为4 5 。 时，裂隙端部同时存在拉应力和剪应力集中区，裂隙 倾角 1 2 0 。时，裂隙周边主应力逐渐减小；裂 隙倾角为9 0 。时，裂隙两端应力差较大，易造成裂隙 张开或顺向错动，从而造成煤岩体破坏。 相同裂隙倾角不同应力水平裂隙长度方向垂直 应力曲线如图8 所示。 以裂隙倾角4 5 。为例，当倾角相同时，随着应力 水平增大，深部煤岩体裂隙周边应力区明显大于浅 部，裂隙端部应力集中区也更大，更易发生剪切扩容， 形成剪胀效应，裂隙扩展两翼成对称分布，以主应力 方向为渐近线朝轴力方向延伸线。当地应力水平一 定时，裂隙扩展后，将保持稳定。裂隙倾角为9 0 。时， 最大最小水平主应力差对裂隙扩展至关重要，深部最 大最小水平主应力差高达1 8 ．1M P a ，最大水平主应 力最大约为最小水平主应力的2 倍，受主应力差影 响，裂隙剪胀效应导致围岩弱化特性明显。 2 ．2 不同应力水平裂隙改性机理分析 通过对深部煤岩体裂隙发育情况的调查，为了探 讨深部裂隙煤岩体改性强化的主要影响因素，取厚度 为丁受均匀拉应力o r ，的煤岩体进行分析，假设煤岩 体在拉应力作用下生成长度为L 的裂隙，则煤岩体释 O O O 0 O 0 O 0 0 0 0__屯1■In嗡1 c ；。母1 ■■■■-■■■■■■■■■■■ 万方数据 第3 期李文洲等深部裂隙煤岩体变形破坏机理及高压注浆改性强化试验研究 9 1 7 低应力状态 ．_ 15 。- 4 5 。◆- 7 5 。 3 0 。t 一5 0 。 - 9 0 0 _ ．一1 0 5 。 一1 3 5 。◆一1 6 5 。 一1 2 0 。一1 5 0 。1 8 0 。 051 01 5 裂隙长度范围不同测点编号 a 浅埋深裂隙垂直应力曲线 高应力状态 ．- 1 5 。一4 5 。◆一7 5 0 3 0 。，一5 0 。 一9 0 。 - p1 0 5 。 _ 1 3 5 。．_ 1 6 5 。 ◆一1 2 0 0 一l5 0 。l8 0 。 O51 01 5 裂隙长度范围不同测点编号 b 大埋深裂隙垂直应力曲线 图8不同应力状态相同裂隙倾角垂直应力曲线 F i g ．8 V e r t i c a ls t r e s s e se u l ’Y e Sw i t hd i f f e r e n td i pa n g l e s 放的应变能为 U 里2 型2f 4 4 E 式中，U 为生成长度L 裂隙释放的应变能，J ；盯。为拉 应力，M P a ；L 为裂隙长度，m ；T 为煤岩样厚度，m 。 裂隙扩展需吸收的能量为 S 2 L T r 5 式中，S 为生成长度￡裂隙吸收的应变能，J ；r 为表面 能，J ／m 2 ；2 L T 为裂隙上下两表面面积和，n 1 2 。 根据应变能释放率与能量吸收率间的关系，可以 确定裂隙是否处于稳定状态，即可得裂隙扩展临界应 力以，表达式为 可得 6 根据剪切模量和弹性模量关系E 2 G ， 1 矽 ， 7 式中，G ，为剪切模量，G P a 。 通过上述分析，可以得知当裂隙长度一定时，其 泊松比、表面能是不变的，裂隙扩展临界载荷和剪切 模量G ，相关，而煤岩体变形和裂隙闭合程度和表面 粗糙度又进一步影响其剪切刚度，因此煤岩体改性机 理应主要从裂隙剪切刚度、垂直刚度、内摩擦角、黏聚 力等进行分析。 1 只改变裂隙的剪切刚度和垂直刚度，将其减 小到接近为0 ，裂隙周边应力分布及塑性区状态如图 9 所示。 a 改性前后最大主应力 图9 裂隙周边应力分布及状态 F i g ．9 S i n m l a t e dd i f f e r e n ts t r e s s e sa l l ] b l o c ks t a t e 改性前后裂隙周边主应力水平及区域变化较大， 应力集中区大小显著降低，两端主应力水平明显降 低，裂隙周边应力状态明显得到改善。裂隙煤岩体改 性前后裂隙长度方向垂直应力曲线如图1 0 所示，改 性后裂隙长度范围承载力大小提高为改性前的 1 ．3 0 ～1 2 ．2 0 倍。 图1 0改性前后裂隙长度垂直应力曲线 F i g ．10 V e r t i c a ls t r e s sc u r v e sb e f o r ea n da r i e l ‘m o d i f i c a t i o n 2 只改变裂隙内摩擦角，将其减小到接近为0 ， 裂隙周边应力分布及塑性区状态如图11 所示。改性 前后裂隙周边最大主应力状态变化不大，裂隙两端及 裂隙中部应力分布范围变化也较小。改性前后裂隙 m加如∞如∞加蚰∞m 几■●㈠㈠㈠㈠㈠㈠㈠U 0 m 如如∞如∞加舳 岳 矿 万方数据 9 1 8 煤炭 学报 2 0 2 1 年第4 6 卷 长度方向垂直应力曲线如图1 2 所示，改性后裂隙长 度范围承载力提高为改性前1 ．0 4 ～1 ．6 6 倍。 b 改性前后⋯7 状态 图l l裂隙周边应力分布及状态 F i g ．1 l S i m u l a t e dd i f f m ’e n ts t r e s s e sa n db l o c ks t a t e 图1 2改性前后裂隙f 丈度垂直应力Ⅱ；f I 线 F i g ．12 V e r t i c a ls t r e s sc u r v e sb e f o r ea n da f t r a ’m o d i f i c a t i o n 3 只改变裂隙参数黏聚力和拉应力，将其减小 到接近为0 ，最大水平主应力和塑性区状态如图1 3 所示，改性后裂隙长度范围承载能力提高较小，改性 前后裂隙周围主应力水平及分布区域变化不大，裂隙 两端煤岩体应力状态没有得到明显改善。改性前后 裂隙长度垂直应力曲线如图1 4 所示。改性后煤岩体 裂隙长度范围承载能力提高为改性前的I