断层冲击地压发生的理论与试验研究

把断层冲击地压看成是断层带与上下盘围岩系统的变形失稳，建立了扰动响应稳定性判别准则，并对断层冲击地压的一个简单模型进行了解析分析。通过粘滑失稳模型，解释了断层冲击地压的间歇性。对断层冲击地压进行了模拟试验，解释了只有达到一定开采深度才可能发生冲击地压，证实了冲击地压发生的间歇性。     

含瓦斯煤弹性应变能计算新方法研究

为了探索含瓦斯煤破坏时释放弹性应变能的科学计算方法,针对硬岩与含瓦斯煤力学特征的差异,理论分析了常用冲击倾向性指标法计算弹性应变能的局限性。基于含瓦斯煤扩容力学特性,提出了以扩容临界点为界限,依据应力-体积应变曲线与横坐标轴围成的面积计算含瓦斯煤弹性应变能的新方法,并分别对硬岩和含瓦斯煤弹性应变能计算分析。结果表明,对于硬岩,常用冲击倾向性指标法和新方法计算结果基本一致,验证了本文提出的新方法的科学性;对于含瓦斯煤,常用冲击倾向性指标方法计算值远远大于新方法计算值。本文提出的“应力-体积应变”弹性应变能计算方法更能反映含瓦斯煤加载过程变形特征,为煤矿动力灾害的防控研究提供理论依据。     

爆炸与冲击中的非线性岩石力学问题(Ⅱ):冲击扰动诱发岩块滑移的物理模拟试验

深部岩体为具有块状层次结构的含能地质体,在冲击扰动通过块系岩体向前传播的振动过程中,极易诱发原先处于平衡状态的岩体的内应力释放,产生不可逆变形、岩爆、工程地震等工程灾害。利用自行研制的块系岩体动态力学性能测试试验系统,进行不同初应力条件下冲击扰动诱发岩块滑移的物理模拟试验,获得冲击扰动诱发岩块不可逆位移、动力滑移失稳的关键力学机制、规律及充分必要条件。通过深入研究冲击扰动下初应力岩体运动的能量转化机制,推导得到了支配岩块运动规律的特征能量因子,给出了与不同规模的岩体破坏(不可逆位移、动力滑移失稳)相适应的特征能量因子阈值和判别准则。研究表明,基于特征能量因子的判别准则能较好的表征冲击扰动诱发岩块间不可逆位移和动力失稳的特征科学现象。     

不排水加载条件下K_0固结饱和砂土失稳预测

基于二阶功准则及变形分叉理论,建立了分散性失稳和应变局部化失稳的理论判别准则,对K0固结不排水加载条件下饱和砂土的失稳特性进行了理论研究。分析结果表明,三轴应力状态下,土体表现为分散性失稳模式,应变局部化则不会发生。在试样初始状态较密实的状态下,由于相变作用,土体能够保持稳定,直至达到塑性极限破坏。在平面应变状态下,分散性失稳和应变局部化均可能发生,且分散性失稳先于应变局部化失稳出现。非共轴塑性流动法则的引入对分散性失稳预测结果无影响,然而对应变局部化的预测结果影响较大,且只有在引入了非共轴流动法则的条件下,应变局部化的理论预测结果才能与试验结果一致。     

基于微地震监测的覆岩多层空间结构倾向支承压力研究

 随着开采深度的不断增加,矿山动力灾害日趋严重,采场周围岩(煤)体变形失稳是顶底板突水、煤与瓦斯突出、冲击地压(岩爆)等矿山动力灾害发生的根本原因,而岩层运动范围扩展后深部采场的采动应力场分布规律研究是解决上述问题的理论基础。将采场上方直至地表的岩层视为采场上方的覆岩空间结构,基于微地震监测结果,针对倾斜煤层,圈定采场覆岩多层空间结构的范围,研究覆岩空间结构岩层运动发展规律,并建立覆岩空间结构下的采场倾向支承压力计算模型。利用力学方法,针对倾斜煤层研究倾向支承压力的动态分布规律和计算方法,得到了倾向支承压力的计算公式;利用上述计算方法,研究了华丰矿1410工作面倾向支承压力分布规律,并与现场1410工作面微地震监测结果所揭示的倾向支承压力分布进行了对比分析。研究结果表明,上述方法适用于深部采场岩层运动范围扩展后的、倾斜煤层倾向支承压力的定量化估算和预测     

高强度开采工作面顶板动载冲击效应分析

采用理论分析、室内试验及现场实测方法分析高强度采场顶板动载冲击效应发生条件、机制及影响因素。采场围岩组成的非理想刚体系统为围岩发生动力破坏提供条件,建立老顶动力断裂失稳的折迭突变模型,老顶岩层峰后软化模量大于弹性模量是导致突发动力性断裂失稳的内在原因;在确定塑性区范围的基础上得到老顶由弹性稳定状态过渡至整体断裂失稳状态过程中塑性耗散功、断裂面表面能及破断岩块初始动能的解析解;建立老顶断裂线处于煤壁上方不同位置的老顶结构模型并得到老顶发生动载冲击现象的结构条件及冲击作用力的表达式;工作面推进速度加快等效于老顶悬臂梁加载速率提高,老顶岩层抗拉强度的伪增强导致老顶断前储存于悬臂梁中的弹性应变能增多、破断岩块初始动能占总应变能的比例升高,增大了高强度开采工作面老顶发生动力破断失稳的概率。研究成果应用于王庄煤矿,可解释8101工作面发生大范围切顶压架事故原因并可指导围岩加固方式的改善工作。     

斜坡失稳过程的非线性演化机制与物理预报

对应变软化介质材料组成的平面滑动型斜坡,采用Weibull分布描述它的剪应力与应变关系。建立了斜坡系统的尖点突变模型,给出了失稳的充要力学判据,发现斜坡失稳与刚度比和材料的均匀性指标有极大关联性,水的一种重要新作用是增加材料的均匀性(脆性)和降低刚度比。考虑应变软化介质的粘性或蠕变性,建立了斜坡演化的非线性动力学模型--物理预报模型,并给出了根据滑坡位移观测数据反演非线性动力学模型的方法和稳定性判别准则。对鸡鸣寺滑坡根据观测序列进行了动力学模型的反演分析,一个重要发现是:|D|值在加速蠕变阶段陡增出现峰值,而后在接近失稳点时趋于零。根据斜坡在等速蠕变阶段的特点,提出了一个简化的非线性动力学模型和物理预报模型,研究了其分叉和混沌特征,给出了判别混沌的力学准则,发现混沌能否产生取决于滑面介质的力学参数。     

基于GZZ强度准则考虑应变软化特性的深埋隧道弹塑性解

基于三维非线性Hoek-Brown强度准则(GZZ强度准则),提出考虑应变软化特性的圆形隧道开挖后围岩非线性力学响应的求解方法。该强度准则不仅继承了传统二维Hoek-Brown准则的优点,并可以考虑中主应力2σ的影响。根据经典弹塑性理论采用数值方法得到考虑应变软化特性的围岩应力、应变、位移及塑性区范围的解答。计算结果表明,传统二维Hoek-Brown强度准则低估了围岩的变形能力。与之相比,采用考虑中主应力影响的GZZ强度准则计算得到的塑性区和软化区半径及围岩应变值更大。围岩最大环向应力θσ位于弹–塑性区边界处,从软化区向流动区过渡过程中围岩的环向应力曲线斜率发生了突变。在塑性软化区内,围岩应变值相对较小而应力值较大;在塑性流动区内,围岩的应力值相对较小,但其应变值非常大,流动区围岩的应变值可达软化区应变值的数十倍。塑性区围岩的软化可以使隧道洞壁附近的围岩应力减小,但会使其变形大大增加。当支护压力较小时,软化作用会使围岩变形增加数倍甚至数十倍。同样,在保证洞壁收敛变形不变的条件下,围岩软化后所需的支护反力会增加数倍甚至数十倍。在高地应力地区,围岩的软化使导致隧道发生大变形破坏的关键原因。在隧道支护结构设计计算时适当考虑围岩的应变软化特征,对于避免隧道发生大变形破坏十分重要。     

考虑水致弱化及应变梯度的断层岩爆分析

研究了岩石含水量对断层．围岩系统稳定性及岩爆(冲击地压)对韧性断层变形的影响。含水量不仅影响岩石强度，也对应力．应变曲线应变软化阶段斜率有影响。基于梯度塑性理论和水致弱化函数，得到了剪切带内部的塑性剪切应变、总剪切应变及塑性剪切位移的分布规律。此外，还得到了不同含水量时剪力．塑性剪切位移的关系。研究结果表明：随着岩石含水量的增加，塑性剪应变降低，塑性剪切位移降低；含水量越大，则弹性阶段越短，耗散势能越小，外力功越小，断层岩爆释放的弹性能量也越小；岩石的含水量增加，则断层．围岩系统不容易发生失稳。     

冲击地压自发性静–动状态突变机制试验研究

冲击地压自发性静–动状态突变行为是其成灾的关键一步,然而这一动力过程和对灾变的触发机制尚未得到广泛关注和清晰认识。为此,在改进传统煤–岩组合体室内试验方法的基础上,开展准静态位移加载条件下的冲击地压和静态脆性破坏物理模拟试验。通过搭建多源信息监测系统,捕捉了ms级时间尺度上静、动力学数据的瞬态突变,从力学和能量角度研究自发性静–动状态转换的突变过程、形成机制和其在触发冲击地压中的作用,并据此提出冲击地压机制的新认识。研究发现冲击地压灾变过程中的围岩弹性回跳动力行为,并发现这一行为是控制灾害自发性静–动状态突变的关键。在力学方面,这一行为对煤岩产生了冲击荷载,直接触发了动力过程,可被认为是冲击地压的直接原因;在能量方面,这一行为以瞬态做功的形式,将围岩积累的应变能向煤岩汇聚,并缩短了煤岩失稳所需的时间,最终引起煤岩足够大的能量释放速率,可被认为是冲击地压动力灾变的内在原因。     

冲击荷载下类煤岩组合体能量耗散与破碎特性分析

利用分离式霍普金森压杆(SHPB)对类煤、岩单体及组合体试件进行冲击压缩试验,分析了试件能量耗散与破碎块度特征,通过对组合体煤、岩两组分碎块分别筛分,得到了各自的平均破碎块度,并依据单体试件平均破碎块度及破碎耗能密度与入射能之间的关系,获得了两种组分的破碎耗能密度,探究了两者吸能特性。结果表明:结合面的存在使得应力脉冲在组合体试件与压杆间传播做功过程更复杂,试件耗散能变化与煤单体接近,而小于波阻抗较大的岩单体。煤组分由于受到岩组分变形抑制作用而能量集聚程度更高,破碎耗能密度与破碎程度大于同等冲击强度下的煤单体,破碎过程岩组分的能量转移亦加剧了煤组分的破碎程度;相反,岩组分破碎耗能密度与破碎程度相比岩单体则偏小。复合煤岩体能量集聚程度更高,发生动力灾害所需的能量更低,在对复合煤岩巷道冲击地压和瓦斯突出动力灾害机理认识上及采取防治措施时应注意此特性。     

煤系岩石的成分、结构与其冲击倾向性关系

煤岩体的冲击倾向性是发生冲击地压的固有属性和必要条件,且影响煤岩体冲击倾向性的因素很多;而煤岩体的物质成分、岩性组构是煤岩体的内在属性,是决定煤岩冲击倾向性的内在因素。从煤岩的微观结构出发,研究煤岩的受力情况、强度特征、变形破坏过程,构建煤岩的微观组构与煤岩的宏观力学性质之间的关系模型;分析煤岩蓄能和耗能的作用机理,从而构建煤岩体的物质成分、岩性组构与煤岩的冲击倾向性大小之间的定性、定量关系。试验研究与理论分析结果表明,随着碎屑颗粒(石英)含量的增加,岩石的强度和刚性增强,受载过程中积蓄的弹性应变能增大而耗散的永久变形能减少,发生应变型冲击地压的可能性增加。随着碎屑颗粒粒径的减小,粗粒的粒柱状矿物(石英、长石等)逐渐减少,而细粒的片状矿物(云母、绿泥石、蒙脱石和高岭石等)增多,岩石的刚性减弱,在集中应力作用下,产生塑性变形所耗散的永久变形能增加,发生脆性破坏的可能性减小,岩石的冲击倾向性减小。     

动力失稳判别准则在非自治系统中的推广

通过假设,将结构动力失稳能量判别准则推广到非自治系统中,总结出在非自治系统中,结构动力失稳的能量判别准则,以此可判断出结构在外部激振荷载作用下(如简谐荷载,脉冲荷载,地震波等)的动力稳定性.     

不同加载模式下煤样损伤与变形声发射特征 对比分析

 煤样损伤、变形与动态失稳之间具有内在的相关性,大尺寸煤样破坏试验成为分析采空区围岩动力失稳孕育过程的基础手段。西部的华亭煤矿曾发生过严重矿震,通过深入调查并精心选取不同尺寸煤样品,在圆柱体小煤样单轴压缩试验基础上,完成2个大尺寸(195 mm×110 mm×206 mm,195.0 mm×195.0 mm×11.5 mm)且结构与均匀程度不同(平行与垂直层理)的立方体煤样试件损伤、变形与破坏的声发射(acoustic emission,AE)特征试验,获得丰富的损伤演化信息,利用统计物理学且对连续场进行描述的态矢量原理定量地描述煤介质破坏的进程及其破坏程度,定义了损伤程度百分比,将其作为定量指标反映煤样局部损伤与破裂密集程度,对不同加载模式下煤介质损伤变形应力–应变与AE特征进行对比分析,为理论分析、数值模拟及提高动力失稳及采矿安全预报的时、空、强精度提供必要的条件。     

断层冲击地压的影响因素与震级分析

应用围岩-断层模型，按突变理论，分析了断层冲击地压的相关影响因素，并对断层冲击地乐的震级进行了预测。断层冲击地压是由于开采活动引起的断层突然相对错动、弹性应变能迅速释放的动力现象。其特点是释放能量多、震级高、破坏程度较大，应进行重点防治，以避免人员伤亡，减少重大损失。断层冲击地压的震级随断层厚度增大而减小，随断层软化指数增大而增加，随断层初始剪切弹性模量增大而增加，随同岩的初始剪切弹性模量增大而减小。结果表明，应用突变理论对断层错动型冲击地压所做的解析分析结果与实际情况基本相符。     

深厚表土综放采场断层煤柱整体失稳型冲击地压机制研究

深厚表土综放采场断层煤柱整体失稳型冲击地压具备高隐蔽性、强破坏性、难防护性和长延续性的破坏特征,煤矿现场难以有效预警和防治。以巨野煤田某矿2305S工作面为工程背景,采用理论分析、数值模拟、现场实测等方法,研究深厚表土综放采场断层煤柱整体失稳型冲击地压机制。探讨了深厚表土综放采场岩–土地层初次、周期联动的空间结构和力学特征,设计了深厚表土综放采场断层煤柱承载地层传递载荷、上覆自重载荷和断层构造载荷的估算方法,提出了深厚表土综放采场断层煤柱整体失稳型冲击地压的力学判据。根据模拟应力增速演变规律将断层煤柱回采过程划分为蓄能阶段和临界阶段,其中临界阶段整体失稳冲击危险水平快速提升。揭示了深厚表土综放采场断层煤柱整体失稳型冲击地压机制：断层与沿空面斜交形成的断层煤柱具备高水平的基础应力,当工作面推进至岩–土地层初次联动阶段时,走向地层传递载荷提高了断层煤柱的应力水平,同时连续推采条件下其承载面积不断减小,当载荷量超过弹性承载区的失稳阈值时即发生整体失稳型冲击地压。设计了此类型冲击地压治理方案,包括采前整体冲击危险评估、井地联合区域监测–弹核应力局部预警、分级承载多层卸压设计。     

冲击荷载下复合岩体动力响应力学特性及本构模型研究

为研究工程中冲击作用下不同复合岩体的动力响应差异，采用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统和数字图像相关系统(DIC)，对煤–岩和岩–煤2种复合岩体进行不同应变率下的动态冲击试验，对比动力冲击后2种复合岩体的应力波传播特征、动态强度、能量耗散、破碎分形特征以及破坏模式。并建立考虑复合煤–岩特性的本构模型。试验和理论分析结果表明：在相同应变率条件下，2种复合岩体的入射能基本一致，由于应力波传播过程中冲击杆与岩–煤的波阻抗匹配优于煤–岩体，在应变率较小时岩–煤体的动态强度、耗散能明显大于煤–岩体，随着应变率的增加二者差别逐渐减小；复合岩体耗散能越大其破碎块度分形维数越大，表现出明显的线性相关；不同复合岩体在冲击作用下的破坏主要集中在煤体侧，且以劈裂破坏为主，受界面效应的影响，煤体侧裂纹会发育至岩体侧，从而发生贯通破坏。基于元件组合建立考虑应变率效应和损伤演化的本构模型，其结果与试验结果吻合较好，验证了构建模型的正确性。     

基于粘滑理论的断层冲击地压发生机理研究

冲击地压是目前我国煤矿开采发生的主要动力灾害之一,并常发生在断层、褶曲和煤层变化带等构造异常区域,给矿井造成严重的破坏后果。针对断层冲击地压频繁发生的情况,采用相似模拟和数值模拟的方法,对断层冲击地压发生过程及其应力场演化规律进行了研究;并基于"粘滑理论",从力学的角度对断层冲击地压发生机制进行了阐释。研究结果表明:工作面接近断层时,断层冲击地压的发生过程可分为"起始活化"—"剧烈活化—"冲击显现"三个阶段;开采活动引起了覆岩破坏,导致裂隙带向断层扩展,断层应力场受到扰动,从而诱发了断层冲击地压;采动影响使得断层带应力场呈现应力比先减小后增大的变化规律,当应力比达到极值时,断层错动失稳;开采扰动导致断层开始粘滑的临界剪应力值降低,使得断层剪应力更易达到该阈值,是断层冲击地压的根本原因。     

构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道冲击地压机制研究

 冲击地压是煤矿开采中因采动或动载诱发煤岩体变形能剧烈释放,并伴随地下采掘空间煤岩体突然、急剧和猛烈破坏的现象。随着煤矿开采深度和开采强度的持续增加,地下开采面临的构造地质条件日趋复杂,我国越来越多的煤矿开始出现冲击地压现象,破坏性冲击地压频繁发生且日益严重。冲击地压的孕育和显现是构造特征和地层特征在采掘动态平衡过程中能量稳定态积聚及非稳定态释放的结果,是煤岩体性质、地质特征和开采技术条件的综合反映,同时该问题具有明显的时空演化特征。 义马矿区是冲击地压的高发矿区,且冲击地压多发生在回采巷道,巷道冲击地压的本质是巷道围岩在高应力作用下的突然失稳、变形和破坏。向斜构造应力、断层构造应力、上覆巨厚砾岩局部离层断裂垮落造成巷道的非均匀应力和开采扰动是义马矿区回采巷道冲击地压发生的主要影响因素。运用现场调研、相似模拟试验、数值计算和现场工业性试验相结合的方法,深入研究构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道冲击地压机制及防治技术。主要工作与创新点如下： (1) 针对义马矿区11个典型工作面发生的89次冲击事件进行统计分析,得出了义马矿区冲击地压以回采巷道冲击地压为主,冲击引起的回采巷道变形破坏以底鼓为主。 (2) 设计了具有义马矿区向斜、断层和巨厚砾岩地质特征的相似模拟试验,并采用数字散斑全位移场监测、应力场监测和能量场监测,研究了采动影响下距工作面不同距离和距断层不同距离回采巷道围岩冲击特性及失稳变形破坏特点,并分析了巨厚砾岩离层断裂时巷道围岩变化规律和断层滑移活化时巷道围岩变化规律。 (3) 建立了具有向斜、断层和巨厚砾岩特征的数值模型,研究了采动影响向斜作用下巷道围岩冲击特性(巷道围岩的应力场、能量场、位移场和塑性区(三场一区)是巷道围岩冲击特性的表现形式),对比分析了向斜轴部和翼部回采巷道围岩冲击特性异同;研究了采动影响断层作用下巷道围岩冲击特性,对比分析了断层下盘和上盘回采巷道围岩冲击特性异同;研究了采动影响巨厚砾岩作用下回采巷道围岩冲击特性,从不同砾岩厚度条件下对比分析回采巷道围岩冲击特性;研究了采动影响构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道围岩冲击特性,对同时间不同地点距工作面不同距离回采巷道围岩冲击特性、同地点不同时间距工作面不同距离回采巷道围岩冲击特性和距断层不同距离回采巷道围岩冲击特性分别进行详细分析。 (4) 提出了构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道冲击地压机制、义马矿区回采巷道冲击地压综合防治体系和具体防治措施,并对回采巷道强力柔性支护体系、U型钢联合支护体系和锚杆支护体系进行评价总结,依据应用实践得到的回采巷道冲击地压前兆规律,得出强力柔性支护体系在防冲巷道支护中对巷道围岩应力场、能量场和位移场的关键控制作用明显优于U型钢联合支护体系和锚杆支护体系,且可以很好地适应并控制巷道围岩变形,对构造与巨厚砾岩耦合条件下回采巷道冲击地压防治起到积极且显著的作用。     

“S”型覆岩空间结构煤柱导致冲击失稳的力学机制探讨

进入深部开采后,决定矿山压力显现程度的运动岩层在厚度和层面方向上已经超出传统的平面模型范围,所形成的覆岩空间结构的运动影响着采动应力场的分布,煤柱及其周围由于采动引起的应力重分布和应力集中是诱发煤柱冲击失稳的应力条件和根本原因。因此,通过分析覆岩空间结构的运动规律及其采动应力场分布,并以此探讨作用在残留煤柱的力源,是研究煤柱诱发冲击失稳机制的理论基础。以华丰煤矿六层煤残留煤柱为研究对象,通过研究四层煤开采形成的“S”型覆岩空间结构岩层运动特点和六层煤上覆岩层运动规律,分析作用在煤柱上的复合应力,探讨煤柱力源,通过应力计算和微地震监测分析煤柱及其周围的应力场的分布规律,研究煤柱导致动力失稳的应力条件和机制,研究结果表明,四层煤和六层煤开采形成的高应力是煤柱诱发动力失稳的应力条件,而煤柱及其周围形成的高应力差是动力失稳的根本诱因;基于煤柱应力分析,探讨高应力区煤柱卸压解危的措施。