本文關(guān)鍵詞：應(yīng)力波產(chǎn)生機制及對沖擊地壓影響研究

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【摘要】：煤礦沖擊地壓災(zāi)害具有顯著的動力學特征,其發(fā)生演化過程往往受到動載擾動因素的影響,包括頂板斷裂、斷層滑移、工程爆破和天然地震等。目前針對擾動因素對沖擊地壓的影響研究側(cè)重于動載的沖擊破壞作用,對于應(yīng)力波的產(chǎn)生及傳播特性研究仍然存在不足。本文采用理論建模、實驗室實驗和數(shù)值模擬手段,分別對煤巖體破裂震源模型及關(guān)鍵影響因素、煤體應(yīng)力波傳播衰減規(guī)律及主導(dǎo)機制、煤體沖擊破壞動力學特性及失效準則展開了深入研究,綜合分析了應(yīng)力波對沖擊地壓的影響,主要結(jié)論如下基于位錯震源理論和動態(tài)斷裂力學,建立了采場空間頂板張性斷裂和煤體壓剪破裂震源模型,開發(fā)了煤巖體破裂三維應(yīng)力波數(shù)值計算程序,模擬分析了頂板斷裂和煤體破裂震源產(chǎn)生的應(yīng)力波動態(tài)速度場,確定了兩類震源模型關(guān)鍵影響因素為斷裂尺度和介質(zhì)強度。結(jié)果顯示,頂板斷裂震源和煤體破裂震源產(chǎn)生的應(yīng)力波持續(xù)時間、動態(tài)速度幅值分別隨著斷裂尺度和介質(zhì)強度的增大而增大。這表明采場頂板厚度越大、強度越高,則頂板斷裂產(chǎn)生的應(yīng)力波強度就越高;煤體破裂尺度越大、強度越高,產(chǎn)生的應(yīng)力波強度也越高。開展SHPB實驗研究了無軸壓和施加軸壓后煤體應(yīng)力波傳播衰減規(guī)律,建立了應(yīng)力波作用下煤體裂紋閉合模型,揭示了煤體裂隙結(jié)構(gòu)變化對應(yīng)力波傳播衰減的影響機制。應(yīng)力波造成煤體裂隙閉合或擴展時,其傳播衰減的主導(dǎo)機制為裂紋面摩擦效應(yīng)和裂紋擴展耗能,可分別采用裂紋閉合模型和脆性損傷模型描述煤體中應(yīng)力波傳播衰減規(guī)律。大尺度數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場煤層巷道爆破應(yīng)力波傳播衰減規(guī)律一致,驗證了該模型用于分析現(xiàn)場煤層沖擊應(yīng)力波傳播衰減的可行性。應(yīng)力波強度不足以改變煤體裂隙結(jié)構(gòu)時,應(yīng)力波傳播衰減主導(dǎo)機制為散射效應(yīng)、流動效應(yīng)和基質(zhì)摩擦效應(yīng)。實驗研究了應(yīng)力波作用下煤體沖擊破壞產(chǎn)物的斷口微觀形貌特征,揭示了應(yīng)力波作用下煤體裂紋起裂擴展匯聚機制與脆性斷裂機理,建立了煤體沖擊破壞失效準則。應(yīng)力波作用下煤體沖擊破壞過程以張性裂紋起裂擴展為主,沖擊破壞模式包括橫向拉伸破壞和軸向拉伸破壞,兩類破壞模式下煤體斷口微觀形貌存在明顯的河流狀花樣、人字形花樣和臺階狀花樣,證實煤體沖擊破壞屬于脆性斷裂所致,脆性斷裂機理為不同平面內(nèi)大量I型張性裂紋擴展匯聚形成大尺度III型裂紋。根據(jù)煤體的橫向和軸向拉伸破壞模式,分別建立了兩類破壞模式對應(yīng)的裂紋組模型,確定了裂紋擴展臨界長度對應(yīng)的損傷閾值,提出了煤體沖擊破壞失效準則。綜合考慮應(yīng)力波的產(chǎn)生、傳播與破壞三個階段,以千秋煤礦21141工作面上覆巨厚礫巖層頂板斷裂活動為例,模擬了應(yīng)力波致災(zāi)過程并進行了現(xiàn)場驗證,在此基礎(chǔ)上分析了地應(yīng)力、應(yīng)力波幅值、持續(xù)時間和傳播距離對沖擊地壓的影響規(guī)律。結(jié)果表明,隨著地應(yīng)力的增大、應(yīng)力波幅值和持續(xù)時間的提高以及傳播距離的縮短,巷道中監(jiān)測的應(yīng)力波能量與巷道變形量就越大,發(fā)生沖擊地壓的危險性越高。最后結(jié)合三河尖煤礦92201工作面地質(zhì)條件,分析了其采場應(yīng)力波產(chǎn)生來源,解釋了工作面軌道巷沖擊動力現(xiàn)象的發(fā)生原因。本文研究成果對于進一步揭示采場應(yīng)力波致災(zāi)機理、完善沖擊地壓動力學理論、促進沖擊地壓動力災(zāi)害防治技術(shù)的發(fā)展具有重要的理論意義和實踐價值。
【關(guān)鍵詞】：震源模型 傳播衰減 沖擊破壞 脆性斷裂 霍普金森壓桿
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TD324
【目錄】：

• 致謝4-6
• 摘要6-8
• Abstract8-10
• Extended Abstract10-23
• 變量注釋表23-24
• 1 緒論24-36
• 1.1 研究背景及意義24-26
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀26-34
• 1.3 存在的問題及不足34
• 1.4 研究內(nèi)容及研究方法34-36
• 2 煤巖體破裂震源模型及關(guān)鍵影響因素36-49
• 2.1 煤巖體破裂震源模型36-38
• 2.2 煤巖體破裂震動位移場38-41
• 2.3 煤巖體破裂震源模型關(guān)鍵影響因素分析41-48
• 2.4 本章小結(jié)48-49
• 3 煤體應(yīng)力波傳播衰減規(guī)律及主導(dǎo)機制49-72
• 3.1 實驗方法49-53
• 3.2 應(yīng)力波傳播衰減實驗結(jié)果53-55
• 3.3 應(yīng)力波傳播衰減主導(dǎo)機制55-66
• 3.4 應(yīng)力波傳播衰減模型現(xiàn)場驗證66-70
• 3.5 本章小結(jié)70-72
• 4 煤體沖擊破壞動力學特性及失效準則72-95
• 4.1 實驗方法72-74
• 4.2 煤體沖擊破壞實驗結(jié)果74-80
• 4.3 煤體沖擊破壞微觀機理及失效準則80-94
• 4.4 本章小結(jié)94-95
• 5 采場應(yīng)力波致災(zāi)過程及對沖擊地壓影響95-120
• 5.1 采場空間應(yīng)力波致災(zāi)全過程95-100
• 5.2 應(yīng)力波致災(zāi)全過程數(shù)值模擬方法及現(xiàn)場驗證100-107
• 5.3 典型震源應(yīng)力波致災(zāi)過程數(shù)值模擬107-113
• 5.4 應(yīng)力波對沖擊地壓影響分析113-118
• 5.5 本章小結(jié)118-120
• 6 典型動力現(xiàn)象分析及災(zāi)害防治措施120-135
• 6.1 礦井概況120-122
• 6.2 動力現(xiàn)象案例分析122-131
• 6.3 動力災(zāi)害防治措施131-134
• 6.4 本章小結(jié)134-135
• 7 全文總結(jié)、創(chuàng)新點及展望135-138
• 7.1 全文總結(jié)135-137
• 7.2 創(chuàng)新點137
• 7.3 展望137-138
• 參考文獻138-148
• 作者簡歷148-151
• 學位論文數(shù)據(jù)集151

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本文編號：1059078