冲击地压应力波作用机理

针对动载扰动下大型冲击地压的发生及演化过程难题,分析了采场动载应力波的产生机制,研究了动载应力波与静载耦合作用下煤岩体冲击破坏规律,从应力波的产生、传播与致灾过程详细解释了大型冲击地压演化机理。研究结果表明,采场高位坚硬顶板断裂与深部应力集中区煤体破断所产生的动载应力波幅值随着煤岩体强度增大而升高,应力波持续时间随着破断尺度增大而增大,说明在煤矿开采过程中,顶板或煤体强度越高、破断尺度越大,越容易产生大能量的动载应力波;动静载耦合冲击破坏实验结果证实,高静载、高动载应力波、静载与应力波耦合加载条件均能使煤岩体发生冲击破坏,且随着轴向静载的增大,试样发生冲击破坏所需的临界动载应力波强度先增大后减小,其上升段与下降段的分界点约为单轴抗压强度的50%。当静载达到该临界点时,煤体发生冲击破坏所需的动载应力波强度急剧减小,说明高地应力环境煤岩体受到动载应力波的影响更为显著;现场大尺度模拟分析表明,动载应力波作用下,采场煤岩体塑性破坏区范围逐渐增加并主要集中在巷道两侧,且随着应力波幅值和持续时间增加,塑性破坏区范围不断扩大;研究提出了冲击地压应力波作用机理:动载扰动下冲击地压是静载、动载应力波与煤岩体结构耦合作用的结果,采场煤岩体大尺度破断产生高能量动载应力波,应力波与地应力耦合作用导致采掘空间围岩发生大范围破坏,最终形成冲击地压灾害。     

含瓦斯煤体单轴压缩电阻率变化规律实验研究

建立了含瓦斯煤体单轴压缩电阻率实时测试系统,测试并对比分析了含瓦斯煤体和不含瓦斯煤体在单轴压缩过程中的电阻率变化,并对瓦斯对电阻率变化的影响机制进行了探讨。研究结果表明:2种实验条件下煤体电阻率均呈现先减小后增大的变化规律;电阻率减小阶段,游离态瓦斯对电阻率的减小有延缓阻碍作用,即电阻率随加载应力的增大呈持续平缓减小趋势,未出现不含瓦斯煤体实验中出现的突降现象;电阻率增大阶段,游离态瓦斯对电阻率的增大有促进作用,即电阻率"拐点"处所对应的加载应力水平较之不含瓦斯煤体更小;煤体发生破裂之后,电阻率增长幅度普遍小于不含瓦斯煤体。     

单轴压缩下混凝土孔洞内壁表面电位特征

通过建立的孔洞混凝土表面电位测试系统,测试了含孔洞混凝土内壁单轴压缩下的表面电位变化特征。结果表明,混凝土在受载破坏过程有表面电位产生,载荷前期表面电位随载荷的增大而增强,载荷增长越快,电位幅值变化越大;电位信号变化较载荷具有超前性,混凝土主破裂时电位波动最剧烈;电位信号的突增和电位幅值增长率的突变可作为孔洞混凝土破裂的前兆特征。通过对孔洞混凝土内壁表面电位的研究,加深了对孔洞混凝土破坏微观机理的认识,为将来用表面电位技术监测巷道及隧道围岩的稳定性做了基础性实验研究。     

突出煤层中软煤厚度与电磁辐射规律研究

通过试验研究了软煤厚度和煤与瓦斯突出的关系,得出软煤厚度突增(变化率≥10%)或一段时间内厚度持续在0.8m以上时突出危险性增大的结论;为了提高突出预测准确率,采用电磁辐射技术分析了软煤厚度和电磁辐射的响应规律,结果表明,软煤电磁辐射高于硬煤,软煤厚度增加或持续较大(≥0.8m)时,电磁辐射值也相应增高或持续很高,突出危险性增大;软煤厚度和电磁辐射信号呈很好的正相关性,相关系数为0.824。     

坚硬顶板断裂震源模型及应力波远场震动效应

煤矿开采过程中坚硬顶板断裂产生的冲击震动效应具有极大危害,为研究坚硬顶板断裂引发的远场震动效应,重点考虑煤矿特征尺度下坚硬顶板断裂裂纹扩展速度,分析了顶板断裂过程动力学演化特征,基于地震学位错震源理论,推导了坚硬顶板断裂滑移时空分布函数,建立了适用于分析煤矿特征尺度下坚硬顶板断裂过程的震源模型。以义马矿区千秋煤矿21141工作面巨厚砾岩层为例,基于该震源模型采用MATLAB和ANSYS/LS-DYNA软件模拟分析了坚硬顶板断裂产生的震动位移场幅值和震动能量。结果表明:新的震源模型可用于定量描述采场坚硬顶板断裂产生的远场震动效应。研究成果能够用于对顶板断裂冲击震动效应进行灾前评估,同时为深入揭示顶板扰动型冲击地压动力学机理提供了理论依据。     

冲击载荷下三轴煤体动力学分析及损伤本构方程

为研究冲击载荷下三轴煤体的动力学特征,建立了三轴分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,开展了轴向静载、围压和冲击载荷随机组合的动态冲击试验,研究了三轴煤体在冲击载荷下的动力学特性。实验结果表明:冲击载荷下三轴煤体动态应力应变曲线无压密阶段,轴向预静载有助于使煤体原生裂隙闭合,初始加载就表现出完整弹性体的特征;当应力达到峰值强度的60%～85%阶段时,应力应变曲线呈现"跃进"现象,可能与碳在晶体微破裂中的作用有关;当应力超过煤体动态强度,试样破坏,应力降低。冲击载荷下三轴煤体动态强度和破坏应变与平均应变率高度线性相关,应变率效应明显,应变率效应使得不同轴向静载、围压和冲击载荷因素对煤体动态强度和破坏应变的影响具有可比性。基于岩石力学强度理论和统计损伤理论,建立了冲击载荷下三轴煤体动态损伤本构模型,该模型综合考虑了轴向静载、围压和冲击载荷等因素,明确地反映了3种因素对煤体动力学特征的影响,轴向静载会劣化煤体,造成动态强度降低,围压和冲击载荷有助于提高煤体的动态强度,理论模型反映的特征与试验结果相吻合,并通过建立的本构模型和试验应力应变数据拟合了理论应力应变曲线,其与试验应力应变曲线基本重合,且应变率越高,一致性越好。     

大范围顶板岩体垮落冲击动载对 采场底板破坏的影响研究

为研究大范围顶板岩体垮落产生的冲击载荷对采场底板的破坏作用及其对底板突水的影响,本文基于动力基础半空间理论,将底板岩层等效为半空间无限体,建立顶板岩体垮落冲击采场底板的理论分析模型,推导出最大冲击动载应力的计算公式;并利用FLAC3D模拟分析了顶板垮落产生的冲击动载在底板中的传递规律以及底板岩层的动力响应特征。研究结果表明:顶板岩体垮落撞击采场底板,会产生远大于垮落岩体静态自重的冲击动载应力作用在底板上;冲击动载荷以应力波的形式在底板中传播,与采动应力叠加产生动态应力集中现象,会导致采场底板发生二次破坏,造成底板破坏深度显著增大,有效隔水层厚度减小,从而增加底板突水的危险性。     

基于克里金插值法的煤体应力场分布规律研究

为解决应力监测系统监测分析煤体应力场时测点数量较少、插值准确度较低等问题,采用克里金插值法对试验工作面应力监测数据进行变异函数模型拟合和交叉验证,研究在测点数量较少的情况下不同变异函数模型的插值效果.结果表明:在煤体应力场中采用球状模型的克里金插值法的准确性高于其他插值方法,其插值残差的优化均值小于0.2 MPa,并得到工作面回风巷和运输巷内煤体应力监测系统的测点间距应分别小于7.95和9.92 m.采用克里金插值法得到的应力云图能够反映试验工作面巷帮煤体应力场分布规律,为巷道超前支护、顶板稳定性控制、围岩稳定性分析、冲击地压预防等提供理论依据.