煤矿岩爆发生机制研究

 博士学位论文摘要　以煤矿岩爆为工程背景, 采用岩石力学、断裂力学、粘弹性力学、稳定理论以及试验模拟相结合的方法,从煤岩体结构局部失稳的角度, 提出并建立了煤矿片帮型岩爆的力学模型。在理论分析和试验研究方面作了一些新的探索和尝试, 取得了下列主要研究结果:(1) 以岩石裂隙演化及其力学特性的研究为出发点, 着重研究了受自由表面影响的近壁面裂纹的扩展条件与扩展方向。研究表明, 在压应力集中区内, 近自由表面的裂纹在低侧压(或无侧压) 时, 将平行于壁面沿最大压力方向扩展, 在一定的压力下,受自由表面的影响, 这种扩展是不稳定的。通过滑移开裂裂纹模型, 给出了近壁面两种情况下裂纹扩展的临界应力计算公式。(2) 通过对巷道和采场围岩的受力分析, 定义了由壁面到煤体深处的应力过渡区。在高压应力(包括采动应力) 作用下, 过渡区内裂纹将扩展贯通, 并在一定范围内形成顺壁层裂结构区, 讨论了层裂结构区的尺度。提出并建立了煤矿片帮型岩爆的力学模型———层裂板模型, 即认为巷道或采场壁面的局部稳定是由高应力集中区内形成的层裂板结构区的稳定控制的, 片帮型岩爆是煤壁层裂板结构区的局部压屈。分析了层裂板结构两种约束状况下的稳定性。(3) 考虑裂纹的亚临界扩展, 研究了裂纹扩展的时间相关性, 讨论了裂纹贯穿前壁面位移与时间的关系。(4) 基于板梁结构和层裂板模型, 采用线粘弹性本构关系, 研究了煤矿片帮型岩爆的时间延迟问题, 这是对岩爆发生的时间延迟研究的一个新的尝试。得到了不同载荷水平下, 板梁结构和层裂板模型失稳的延迟时间计算公式。此外, 简单讨论了缓慢底鼓与急剧底鼓的机制以及扰动应力对岩爆发生的影响。(5) 用研制的相似材料模型和煤块混合模型, 对煤矿岩爆进行了模拟试验研究, 验证了本文建立的层裂板模型的正确性和适用性。试验成功地模拟了巷道或采场岩爆的过程。壁面及顶底板的相对位移变化的记录曲线表明, 岩爆发生时, 位移曲线发生相应的突跳, 这种现象在一定的间歇后, 可再次发生, 反映了岩爆的间歇性和动力失稳的特征。试验后的壁面观测发现, 残存壁面呈层裂结构, 突出物为片状块体。此外, 还对相似材料模型和煤块混合模型的试验现象和结果进行了对比分析, 认为后者更能反映实际状况。混合模型在此类试验中是首次使用, 为该类试验模型制作提供了新的途径。(6) 以三河尖煤矿岩爆为例, 运用层裂板模型对片帮型岩爆发生机制进行了分析。通过模型的实例估算, 得到了发生岩爆的临界深度与该矿当时的开采深度相一致的结果, 这表明层裂板模型对片帮型岩爆机制的分析是合适的。

A STUDY ON MECHANISM OF ROCKBURST IN COAL MINES