本书从能量耗散与释放的角度研究了冲击地压演化过程。建立了煤岩破坏电磁辐射能与耗散能的定量化关系，研究得到了煤岩加载破坏全过程能量耗散的阶段特征，可以作为煤岩所处破坏阶段及稳定性的有效判据。提出了冲击地压活动域系统（RADS）的概念，基于系统时-空二维的熵变及能量耗散研究揭示了RADS的演化过程；建立了冲击地压活动域系统主体（MRADS）中煤体体元能量平衡及熵平衡方程，提出了利用煤体内动力学过程判定系统主体稳定性的理论方法。建立了基于能量耗散与释放的MRADS动压型冲击地压演化模型，揭示了动力扰动下系统能量演化、储能结构破坏及冲击地压形成机理；基于模型能够确定阻断冲击地压演化过程的解危措施实施时刻。

冲击地压是发生在煤岩地层中的动力灾害现象,是煤岩体在其内外物理力学变化及应力综合作用下快速破裂的结果,是典型的不可逆能量耗散过程。在这些动力过程中,煤岩体自外界获得的能量和地层形成过程中储存的能量会以各种形式释放和耗散,如弹性能、表面能、压缩气体的膨胀能、热能、声能和各种辐射能等。因此,从能量耗散的角度揭示冲击地压的发生、发展过程是可行的;同时,从保持能量耗散速率、维持系统能量平衡的角度采取措施避免冲击地压的发生也是可行的。

在国家自然科学基金项目(51304205)、国家“十二五”科技支撑计划项目、教育部科学技术研究项目(113031A)、中国博士后科学基金项目(2013M541982、2014T70678)、中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2014XT02、2014ZDPY23)及中国矿业大学第七批优秀创新团队建设项目(2014ZY001)等资助下,经过作者多年的研究,在受载煤岩体的能量耗散特征、基于能量耗散的冲击地压演化过程及防治理论技术等方面取得了一些创新性成果。本书对以上方面进行了比较详尽的论述,希望对从事此方面及相关领域研究的科技工作者能有所启示。

本书采用实验室实验、理论分析以及现场试验相结合的研究方法,分析了煤岩破坏过程中的能量类型及转化规律,揭示了能够良好反映煤岩能量耗散的参数,依此研究了煤岩单轴压缩破坏能量耗散的时域特征,并探讨了能量耗散的主要影响因素。提出了冲击地压活动域系统(RADS)的概念,研究分析了系统时- 空二维的熵变及能量耗散特征,基于耗散结构理论对冲击地压活动域系统主体(MRADS)的演化过程进行了分析。建立了变边界RADS动压型冲击地压演化模型,对模型进行了数值模拟验证,并基于模型利用现场煤岩电磁辐射数据分析

了RADS演化特征规律。研究了MRADS在水射流卸压条件下应力场、能量场的演化规律,以及此种规律对冲击地压产生的影响,并对此进行了现场验证分析。

全书共分8章。第1章介绍了冲击地压灾害研究现状,煤岩变形失稳能量分析研究综述,提出了本书的研究内容及研究方法。第2章在研究煤岩空隙特性及宏观破坏机制的基础上,分析了煤岩变形破坏过程中的宏观和微观机制,以及在此过程中的能量类型及其转化规律。第3章分析了煤岩破坏过程的电磁能与耗散能的关系,试验研究了煤岩体在单轴压缩加载条件下电磁辐射能与耗散能的关系;依此研究了煤岩体加载破坏能量耗散的时域特征,并探讨了主要影响因素。第4章提出了RADS的概念,论述了热力学熵及熵变方程的相关理论,分析了系统时-空二维的熵变及能量耗散特征,并基于耗散结构理论分析了MRADS的演化过程。第5章从能量的角度分析了RADS发生冲击地压的可能性,建立了RADS动压型冲击地压演化模型,对模型进行了数值模拟验证,并基于模型利用现场煤岩电磁辐射数据分析了RADS演化特征规律。第6章探讨了水射流破岩机理,分析了基于水射流的煤层卸压方法及能量耗散规律,通过物理相似实验初步考察了水射流破岩效果,在此基础上数值模拟了MRADS卸压条件下煤岩体的应力场、能量场的演化规律。第7章在霍州煤电集团公司辛置煤矿及义煤集团公司跃进煤矿进行现场工业性试验,以电磁辐射为主要技术手段对MRADS卸压下的能量耗散及应力转移进行现场验证。第8章是对全文结论的总结。

作者衷心感谢刘贞堂教授长期以来给予的帮助和指导。感谢李忠辉教授、刘晓斐副教授、沈荣喜副教授、徐剑坤老师、赵恩来老师、宋晓艳老师、贾慧霖老师及王超老师等给予的大力支持和帮助。感谢徐文全博士、马衍坤博士、欧建春博士、金佩剑博士、陈鹏博士、李楠博士、薛世鹏硕士、李学龙硕士、董超硕士、晋

明月硕士等参与的部分研究工作。感谢卢爱红在研究工作中的有益探讨和交流。作者感谢义煤集团公司跃进煤矿刘军总工、张国华科长、陈祥坡副科长,霍州煤电集团公司辛置煤矿王冬辉总工、樊新亭科长、吴学斌科长、谢永强队长、刘国强副队长、罗兵技术员、董林超技术员等在现场试验中给予的帮助和协作。本书的编写参阅了大量的国内外有关煤岩电磁辐射技术及相关方面的专业文献,谨向文献的作者表示感谢。

虽然本书在冲击地压机理及防治理论技术方面取得了一些成果,但很多内容还有待于今后进一步的深入研究和完善。由于作者水平所限,书中疏漏谬误之处在所难免,敬请读者不吝指正。

作 者

2015年4月

1 绪论…………………………………………………………………………… 1

1.1 课题的背景及意义…………………………………………………… 1

1.2 冲击地压研究综述…………………………………………………… 3

1.3 煤岩变形失稳能量分析研究综述…………………………………… 8

1.4 存在的问题及不足…………………………………………………… 10

1.5 主要研究内容及研究方法…………………………………………… 10

2 煤岩变形破坏机制及能量转化……………………………………………… 12

2.1 煤岩的空隙特性……………………………………………………… 12

2.2 煤体变形破裂机制…………………………………………………… 18

2.3 煤岩破坏过程中的能量转化………………………………………… 25

3 煤岩破坏过程能量耗散的时域特征………………………………………… 37

3.1 煤岩破坏过程的电磁能与耗散能…………………………………… 37

3.2 电磁能与耗散能的耦合实验………………………………………… 64

3.3 煤岩受载破坏能量耗散的阶段特征………………………………… 70

3.4 煤岩破坏过程中能量耗散的影响因素……………………………… 78

4 基于能量耗散的RADS时-空演化………………………………………… 81

4.1 RADS的提出………………………………………………………… 81

4.2 RADS的熵变分析…………………………………………………… 83

4.3 RADS的能量耗散分析……………………………………………… 87

4.4 基于模型的RADS演化现场数据分析…………………………… 91

5 RADS动压型冲击地压演化模型………………………………………… 103

5.1 RADS发生动压型冲击地压的能量分析………………………… 103

5.2 RADS动压型冲击地压演化模型………………………………… 104

5.3 模型的数值模拟验证……………………………………………… 113

5.4 基于模型的RADS演化现场数据分析…………………………… 124

6 水射流卸压MRADS应力场、能量场的演化……………………………… 132

6.1 水射流破岩理论及探讨…………………………………………… 132

6.2 基于能量耗散的水射流卸压方法………………………………… 136

6.3 水射流破岩效果初步考察………………………………………… 139

6.4 MRADS卸压应力场、能量场演化的数值模拟…………………… 141

7 水射流卸压MRADS应力场、能量场演化的现场验证…………………… 156

7.1 煤层水射流卸压系统……………………………………………… 156

7.2 霍州辛置煤矿现场试验…………………………………………… 161

7.3 义马跃进煤矿现场试验…………………………………………… 169

8 总结与展望………………………………………………………………… 172

8.1 总结………………………………………………………………… 172

8.2 展望………………………………………………………………… 176

参考文献………………………………………………………………………… 177

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冲击地压演化过程及能量耗散特征