冲击作用下含水煤样能量吸收和耗散规律及本构关系研究

煤层注水是综放开采回采巷道预防冲击地压的主要措施之一。为了研究含水煤样动态力学性质和力学参数,利用霍普金森压杆(SHPB)试验系统,对不同含水率的圆柱形煤样进行单轴冲击压缩试验,研究含水率和冲击速度对煤样动态应力-应变曲线、动态力学参数以及耗散能变化规律的影响。研究结果表明：(1)煤样动态力学参数与冲击速度和含水率有关。当煤样含水率一定时煤样动态抗压强度、动态弹性模量与冲击速度成正相关;而冲击速度一定时煤样动态抗压强度、动态弹性模量与含水率成负相关;(2)在冲击过程中煤样的损伤耗散能直接反映煤样中微裂隙发育程度,随着冲击时间的增加,煤样损伤耗散能增大,煤样坍塌破坏时损伤耗散能达到最大值。当含水率一定时煤样破坏耗散能与冲击速度成正相关;而冲击速度一定时煤样破坏耗散能与含水率成负相关;(3)损伤因子定义为煤样损伤耗散能与破坏耗散能的比率。基于煤样单轴冲击压缩试验结果,建立了煤样损伤体-黏弹性本构模型和本构关系,对不同含水率煤样动态应力-应变试验曲线进行理论拟合,理论拟合曲线与试验曲线拟合度高,因此理论曲线可用来表示单轴冲击压缩煤样的应力-应变关系。研究结论为冲击地压矿井深孔煤层注水预防冲击...     

基于三轴压缩的脆性煤体力学性质及其本构关系研究

为合理描述分析脆性煤体在三向应力状态下的应力–应变关系,对煤样进行三轴压缩试验。以已发生损伤破坏的微元体数目与总微元体数目之比表征损伤变量,在基于损伤力学理论和煤样内部微元强度服从Weibull分布的基础上,引入Mogi-Coulomb强度准则表征煤样微元强度随机分布的分布变量,建立煤样三维统计损伤本构关系,并分析其适用性。研究结果表明：(1)围压对煤样力学性质影响显著,煤样强度和弹性模量随围压的增高而增大,煤样破坏后的裂隙网络分形维数随围压的增高而减小,损伤程度降低;(2)分析数学简化算法求解模型参数的局限性,采用遗传算法对模型参数进行求解,参数m,F₀,c_n分别反映煤样的脆性程度、平均强度、残余强度;(3)根据本构关系对煤样试验应力–应变曲线进行拟合验证,理论曲线与试验曲线的拟合度均值为94.74%,表明本文所建立的本构模型可用于描述煤样的三维应力–应变关系,能够反映脆性煤体的变形特性。     

巨厚砾岩层下综放工作面冲击地压危险性评价和矿震发生特征分析

为有效监测和防治综采工作面冲击地压事故,以耿村煤矿巨厚砾岩层下综放工作面为工程背景,采用综合指数法评价综放工作面冲击地压危险性,利用微震监测结果研究综放工作面回采期间矿震特征。结果表明：（1）13230综放工作面冲击危险性指数为0.65,属于中等冲击地压类型;（2）综放工作面回采期间矿震主要发生在工作面前方顶底板煤岩体中,工作面处于“见方区”时发生矿震的频次、最大能量和总能量均明显高于“非见方区”的,“见方区”矿震的震源主要位于工作面前方中部顶底板煤岩体和运输平巷上帮顶板煤岩体中;（3）综放工作面顶板周期来压期间通常伴随大能量的矿震事件。研究结果可为耿村煤矿综放开采冲击地压监测和防治提供参考。     

采场等效孔模型及主应力旋转规律

针对采场侧方巷道非对称破坏现象严重、巷道周边主应力旋转规律不明确的问题，基于主应力方向旋转下的非等压圆孔塑性区边界方程和蝶形破坏理论，阐述了巷道周围主应力旋转与巷道非对称破坏之间的联系。建立采场等效孔的理论模型，研究了不同初始侧压系数下采场侧方主应力方向旋转的演化规律，以神东布尔台矿22205工作面为工程背景，通过理论分析与数值模拟，沿推进方向对采场的不同位置进行等效孔拟合，验证了采场等效孔模型的可靠性，为采场侧方主应力旋转角度的确定提供了一种新思路。研究结果表明：(1)当巷道处于蝶形风险区时，其周围主应力方向的旋转会引起蝶形塑性区的旋转，对巷道稳定性造成影响。提供了采场等效孔的理论模型可用于计算采场侧方主应力的旋转角度，数值模拟结果与理论计算吻合度较高。(2)采场前后一定范围内的侧方煤体中主应力方向会发生旋转，主应力的旋转角度由采场未开挖时周围的初始地应力与采场等效孔半径决定。当初始侧压系数大于1时，最大主应力由垂直方向逐渐旋转为水平方向,可以用主应力旋转45°隐性方程对采场侧方旋转45°的位置进行判定；当初始侧压系数小于1时，最大主应力由垂直方向先向水平方向旋转一定角度，随后会回转...     

综放开采上覆巨厚砾岩层离层和断裂力学模型及其应用

放顶煤开采上覆巨厚砾岩层变形移动直接影响到采场矿压显现，上覆巨厚砾岩层断裂下沉造成综放面出现大能量微震事件.基于河南省西部矿区某煤矿13230综放面地质采矿条件，利用相似模拟试验和理论分析研究了综放开采上覆巨厚砾岩层离层和断裂力学模型.基于巨厚砾岩层发育特征，以中部弱面为界将其划分为下位和上位砾岩层.相似模拟得到了综放开采砾岩层与下伏岩层之间离层的时空演化规律，将离层演化过程划分为“孕育阶段—加速阶段—缓慢扩展阶段—稳定阶段”4个阶段；模拟得到了砾岩层初次和周期垮落体为四棱柱体，推出了垮落体对综放面冲击能量计算式；建立了综放开采巨厚砾岩层离层和断裂力学模型，推出了离层量和砾岩层初次垮落步距计算式.现场微震系统监测结果表明，巨厚砾岩层下、上位砾岩层的初次和周期垮落产生的震动场都将对综放面煤岩体产生冲击，在综放面前方煤岩体出现大能量的矿震，其中下位砾岩层断裂时对综放面冲击最严重.研究结论对巨厚砾岩层下综放开采时地面减沉和井下冲击地压预测防治具有重要的指导意义.