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巷道围岩失稳机制及冲击矿压机理研究

秦昊  
【摘要】: 冲击矿压是煤矿开采等深部地下工程中的重大动力灾害之一,也是岩石力学界广泛关注的热点问题。随着煤矿开采不断向深部延伸,冲击矿压事故的频度及其危害性愈发严重,已成为我国矿山亟待解决的重大技术难题。本论文围绕煤矿巷道冲击矿压的发生机理及防治技术,综合应用物理模拟试验、理论分析和数值模拟等方法与手段对煤矿巷道围岩的失稳机制及冲击矿压发生机理进行了系统研究,取得了如下主要创新成果: (1)基于巷道围岩变形及破坏特征,建立了巷道煤帮层裂板结构的力学模型;应用弹性稳定理论、非线性突变理论等研究了煤帮层裂结构的稳定性特征及突变失稳机制,得到了煤壁层裂结构的形成及屈曲失稳的规律,给出了失稳最小临界载荷的估算公式及巷道埋深、岩性及巷道的几何尺寸对临界载荷的影响关系。 (2)研究了动力扰动对巷道层裂结构稳定性影响,建立了巷帮层裂板结构稳定性分析的动力学控制方程,给出了层裂板结构的动力不稳定区域特征,得到了扰动频率、扰动载荷幅值等对动力不稳定区域的影响规律,揭示了巷道围岩冲击矿压的诱发机理。 (3)应用数值模拟方法及相关软件FLAC3D,系统研究了巷道围岩的稳定性特征。给出了巷道围岩应力、变形、塑性破坏区域分布等随巷道埋深、围岩岩性、交岔巷道夹角、动力扰动等因素的变化规律。 (4)基于数值分析结果,提出了巷道围岩能量积聚区的概念及确定方法。揭示了巷道围岩的能量积聚特征:能量积聚区的能量密度空间分布特征;平均能量分布密度、能量积聚区关于巷道边界的距离等量的变化规律。引入了平均能量密度因子k ,建立了冲击矿压危险性的平均能量密度因子判据。 (5)自行设计研制了用于模拟煤壁层裂屈曲失稳试验的加载装置,配合美国MTS815.02电液伺服岩石力学试验系统,成功地测定了巷道煤壁层裂结构的形成及失稳破坏规律,初步揭示了巷帮岩体内裂隙发育、扩展、层裂板结构形成的力学机理。 研究成果可为煤矿冲击矿压机理、预测预报方法及防治技术研究提供重要的理论依据。


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