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应力波产生机制及对冲击地压影响研究

冯俊军  
【摘要】:煤矿冲击地压灾害具有显著的动力学特征,其发生演化过程往往受到动载扰动因素的影响,包括顶板断裂、断层滑移、工程爆破和天然地震等。目前针对扰动因素对冲击地压的影响研究侧重于动载的冲击破坏作用,对于应力波的产生及传播特性研究仍然存在不足。本文采用理论建模、实验室实验和数值模拟手段,分别对煤岩体破裂震源模型及关键影响因素、煤体应力波传播衰减规律及主导机制、煤体冲击破坏动力学特性及失效准则展开了深入研究,综合分析了应力波对冲击地压的影响,主要结论如下基于位错震源理论和动态断裂力学,建立了采场空间顶板张性断裂和煤体压剪破裂震源模型,开发了煤岩体破裂三维应力波数值计算程序,模拟分析了顶板断裂和煤体破裂震源产生的应力波动态速度场,确定了两类震源模型关键影响因素为断裂尺度和介质强度。结果显示,顶板断裂震源和煤体破裂震源产生的应力波持续时间、动态速度幅值分别随着断裂尺度和介质强度的增大而增大。这表明采场顶板厚度越大、强度越高,则顶板断裂产生的应力波强度就越高;煤体破裂尺度越大、强度越高,产生的应力波强度也越高。开展SHPB实验研究了无轴压和施加轴压后煤体应力波传播衰减规律,建立了应力波作用下煤体裂纹闭合模型,揭示了煤体裂隙结构变化对应力波传播衰减的影响机制。应力波造成煤体裂隙闭合或扩展时,其传播衰减的主导机制为裂纹面摩擦效应和裂纹扩展耗能,可分别采用裂纹闭合模型和脆性损伤模型描述煤体中应力波传播衰减规律。大尺度数值模拟结果与现场煤层巷道爆破应力波传播衰减规律一致,验证了该模型用于分析现场煤层冲击应力波传播衰减的可行性。应力波强度不足以改变煤体裂隙结构时,应力波传播衰减主导机制为散射效应、流动效应和基质摩擦效应。实验研究了应力波作用下煤体冲击破坏产物的断口微观形貌特征,揭示了应力波作用下煤体裂纹起裂扩展汇聚机制与脆性断裂机理,建立了煤体冲击破坏失效准则。应力波作用下煤体冲击破坏过程以张性裂纹起裂扩展为主,冲击破坏模式包括横向拉伸破坏和轴向拉伸破坏,两类破坏模式下煤体断口微观形貌存在明显的河流状花样、人字形花样和台阶状花样,证实煤体冲击破坏属于脆性断裂所致,脆性断裂机理为不同平面内大量I型张性裂纹扩展汇聚形成大尺度III型裂纹。根据煤体的横向和轴向拉伸破坏模式,分别建立了两类破坏模式对应的裂纹组模型,确定了裂纹扩展临界长度对应的损伤阈值,提出了煤体冲击破坏失效准则。综合考虑应力波的产生、传播与破坏三个阶段,以千秋煤矿21141工作面上覆巨厚砾岩层顶板断裂活动为例,模拟了应力波致灾过程并进行了现场验证,在此基础上分析了地应力、应力波幅值、持续时间和传播距离对冲击地压的影响规律。结果表明,随着地应力的增大、应力波幅值和持续时间的提高以及传播距离的缩短,巷道中监测的应力波能量与巷道变形量就越大,发生冲击地压的危险性越高。最后结合三河尖煤矿92201工作面地质条件,分析了其采场应力波产生来源,解释了工作面轨道巷冲击动力现象的发生原因。本文研究成果对于进一步揭示采场应力波致灾机理、完善冲击地压动力学理论、促进冲击地压动力灾害防治技术的发展具有重要的理论意义和实践价值。


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