岩石非线性动力学特征及冲击地压的研究

【摘要】： 冲击地压是矿井开采中发生的一种动力现象，它严重威胁着矿井的安全生产。随着矿井开采活动逐渐向深部延伸，冲击地压将越来越严重。许多学者对冲击地压的发生机理、预测预报和防治等进行了大量的研究，但目前仍然有许多问题没有得到根本解决。由于煤岩体材料的非线性特征，决定了冲击地压系统是一个高度复杂的非线性系统。在该系统中，非线性和不确定性是其主要特征。采用传统的确定性理论难以从本质上解释冲击地压系统复杂的非线性行为。而现代非线性科学的分叉与混沌理论、突变理论、自组织理论、神经网络方法等为这一难题的解决提供了新的思路和方法。因此，采用现代非线性科学的相关理论来研究岩石的失稳破坏和冲击地压有望取得新的突破。本文基于前人的研究基础，对煤岩进行了无损伤CT检测实时实验，采用分叉与混沌理论、突变理论、自组织理论和神经网络方法对煤岩的非线性动力学特征和冲击地压进行了研究，主要工作如下： 1） 采用无损伤CT检测实时实验对单轴压缩荷载作用下煤岩破坏全过程损伤扩展特性进行了实验研究，并对其分叉、混沌和自组织特征进行了分析。 2） 根据煤岩无损伤CT细观实时实验结果和损伤变量的定义，提出了单轴压缩荷载作用下煤岩损伤演化方程和损伤本构模型。 3） 提出了冲击地压的粘滑失稳机理。采用单状态变量本构模型和双状态变量本构模型对煤岩失稳和冲击地压的非线性动力学行为和演化过程进行了研究，得到了冲击地压系统的相图，探讨了冲击地压及其演化过程的混沌特征。 4） 根据砚石台煤矿冲击地压的实际情况，通过建立相应的地质力学模型，采用现代非线性科学的突变理论对冲击地压的发生过程进行了突变分析，得出了系统发生冲击地压时受力的临界值及顶底板变形量和能量释放的表达式。 5） 根据砚石台煤矿的实际情况，采用分形理论和自组织理论对冲击地压进行了分析。研究结果表明，可根据分形维数对冲击地压的强度进行分析；冲击地压发生的规模与频率符合幂律规则，具有明显的自组织特征。 6） 采用人工神经网络和遗传算法相结合的方法，结合砚石台煤矿的实际情况，对冲击地压的预测预报进行了研究，开发了BPAGA TOOLS预测软件。实际应用表明，该方法具有较高的可信度，从而为冲击地压的预测预报探索了一条新的途径。