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冲击地压演化过程及能量耗散特征研究

宋大钊  
【摘要】:冲击地压对煤矿安全和高效生产造成严重威胁。随着采深增加和开采强度不断加大,我国煤矿冲击地压日趋严重和复杂。冲击地压是煤岩地层受采动影响而发生的动力灾害现象,是煤岩体在外部应力作用下快速破裂的结果,是典型的能量释放与能量耗散过程。为此,本文实验研究了煤岩变形破坏过程能量耗散的时域特征;分析了冲击地压活动域系统(RADS)的时-空演化过程,建立了MRADS的动压型冲击地压演化模型;结合模型研究了MRADS在卸压条件下应力场、能量场的演化规律,并进行了现场验证。 分析了煤岩破坏过程中的能量类型及转化规律,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影响因素。结果表明,煤岩体变形破坏对应其内部能量的变化,外力做功通过能量的积累、释放与耗散进行自组织调节;电磁辐射能量累计与对应的耗散能累计服从y=alnx+b的关系,电磁辐射能够较好的反映煤岩内部能量耗散规律;受载煤岩破坏过程的能量耗散表现出显著的阶段特征,可以作为煤岩破坏状态及稳定性的有效判据;煤岩体能量耗散的主要影响因素包括材料强度、均质度及能量输入效率。 提出了冲击地压活动域系统(RADS)的概念,分析了系统时-空二维的熵变及能量耗散特征;建立了冲击地压活动域系统主体(MRADS)中煤体体元的能量平衡及熵平衡方程,并对其进行了稳定性分析。结果表明,RADS中熵流与熵产生反映了系统内部结构的时-空演化,其代数关系可判定冲击地压是否发生;能量耗散路径不畅导致的弹性储能的大量聚集,是冲击地压的能量来源。MRADS煤体体元内能的变化主要取决于热量的流动和内力的变化,其内部始终自发进行着利用率低的能量类型替代利用率高的能量的不可逆过程;随着该过程的发展,MRADS将进入远离平衡态的非线性区域,成为冲击地压的潜在发生区域;系统的稳定性可通过煤体内热力学过程中某一状态下的超熵产生来判定。 基于能量耗散建立了RADS动压型冲击地压演化模型。计算得到了MRADS内平行于最大主应力方向周期裂纹的起裂强度及有限区域内的损伤应变能;分析了层状储能结构的形成及稳定性,计算得到了结构失稳的最小临界载荷及失稳之前内部积聚的弹性能;分析了不同动力扰动下储能结构的失稳破坏及冲击地压的最终显现。利用老顶来压与卸压爆破两种典型动力扰动对模型进行了数值模拟验证,基于该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,并以电磁辐射为主要技术手段进行了现场验证。结果表明,水射流割缝卸压破坏了煤体的储能结构,大幅减小了应力集中、能量积聚的程度和范围,从而使煤层有效卸压并耗散能量,使高应力区向煤体深部转移,保证了系统区域的稳定性。 研究成果对深入认识冲击地压发生机理、提高冲击地压预测及防治的有效性等具有重要的理论意义及应用价值。


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