瓦斯爆炸载荷与高应力耦合作用下巷道损伤破坏机制研究

发布时间：2020-11-03 21:29

　　 煤矿瓦斯爆炸危害极大,可在较短的时间内造成群死群伤。而且一旦发生事故,爆炸波还会破坏巷道围岩材料及结构,使巷道失效破坏、甚至垮塌,造成人员被困,进而直接阻碍救援工作的开展,给救援带来极大困难。本文研究了瓦斯爆炸载荷与地应力耦合作用下巷道损伤破坏效应,综合运用理论分析、实验研究及数值模拟相结合的方法,研究了巷道围岩材料及其结构的动力响应及围岩损伤特性,取得创新结果如下:(1)研究了煤岩体材料的静、动态力学性能,揭示了其在高速冲击压缩过程中的裂隙演化规律及损伤特征。发现与静态压缩不同,动态压缩在曲线回弹阶段会出现明显的滞回现象;硬度较大的石灰岩的破裂形态表现为径向破坏,而硬度较小的烟煤试样的破裂形态表现为剪切破坏;此外,研究了冲击载荷与试样破碎尺度分布特征的关系,发现小尺度试样碎片的分布特征随冲击载荷的增大而明显。(2)揭示了瓦斯爆炸载荷与深部高应力耦合作用下巷道围岩的应力演化规律。发现与浅埋基岩相比,深部煤岩体在瓦斯爆炸载荷和高应力耦合作用下,围岩内的应力时程曲线呈多波峰特点,巷道围岩先后受到冲击波、压缩波以及弹性波的作用,对应产生了多个应力波峰、负压区以及明显的应力振荡。在巷道角隅处应力曲线存在一定的滞留期,且随地应力的增大,滞留周期会减小,甚至消失。(3)研究了爆炸载荷和地应力耦合作用下的巷道围岩损伤机制,提出了其损伤分区划分方法。发现在爆炸载荷和地应力耦合作用下,巷道围岩损伤区大致呈梯形分布,且损伤范围分为三个区域,即完全损伤区、塑性损伤区和弹性损伤区。此外,在爆炸载荷与初始应力耦合作用下,巷道顶底板角隅处会出现应力集中,在水平和竖直方向均呈现出明显的扩张变形,导致巷道在角隅处产生宏观破坏,而在两帮和顶底板未出现明显的宏观破坏。(4)发现了爆炸载荷诱发的地应力瞬态卸荷现象,揭示了两者耦合作用下巷道围岩的损伤规律。瓦斯爆炸造成的瞬态卸荷主要发生在巷道两帮和顶底部周围小部分区域,且随着侧压系数的增大,巷道两帮围岩塑性损伤范围减小。研究结果对于丰富和完善高地应力、爆炸载荷和瞬态卸荷耦合作用致灾机理具有一定的学术价值和科学意义,对指导巷道抗爆设计具有现实意义。另外,相关研究成果发表论文2篇,其中SCI已发表1篇,EI发表1篇。
【学位单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TD712.7
【部分图文】：

图 1-1 瓦斯爆炸事故现场巷道破坏情况Figure 1-1 Roadway damage at the scene of gas explosion accident因此，开展瓦斯爆炸载荷与高地应力耦合作用下的巷道损伤失稳机制研究，不仅对丰富和完善高地应力、爆炸载荷和瞬态卸荷耦合作用致灾机理具有重要的学术价值和科学意义，对指导巷道抗爆设计也具有重要的现实意义。1.2 国内外研究现状（Review）在不断创新发展的潮流下，国内外也格外注重科研创新能力的发展，因此不断出现新理论、新技术和新方法来促进学术科研的进步。目前，我国在采矿工程、地质工程、岩土工程等领域也采用了许多新的理论、技术和方法。其中，围岩损伤的研究从以前的简单理论分析已经深入到其他学科交叉研究，比如，结合数学学科和统计论，建立了围岩统计损伤理论和损伤本构模型，这已经从定性分析向定量分析方向发展。目前，很多岩土工程学者针对围岩损伤问题，提出可以通过损伤因子和损伤变量这两个参数来分析围岩的破坏特性和损伤范围的划分。1.2.1 爆炸载荷对围岩冲击破坏研究现状

载荷的加载速率，爆炸载荷的方向也会显著改变硐室的破坏形环载荷的施加也会加剧岩体的破坏[15-16]。当然，围岩性质也是岩石密度，低密度松散有裂隙的介质可降低爆炸应力[17]。人采用 FEM–DEM 方法（即有限元和离散元结合的方法）研究质的非均匀性，爆炸载荷对岩石的破坏效果具有高度的非均匀诱发的上述岩石损伤，会大大降低岩体的抗压、抗剪能力[19]，定性。Ver ma 将爆炸载荷下巷道围岩内部损伤分为三个区：动区（如图 2 所示）[20]。此外，爆炸载荷对巷道围岩稳定性素作用，孙惠香等人对爆炸冲击波造成的应力传播和加载过程跨度关系进行了详细研究[21]。Ma 等人利用 AUTODYN 模拟石硐室的损伤效应，发现巷道稳定性与和巷道形状、爆炸载荷度都有直接关系[22]，王豪等人也发现巷道形状对爆炸载荷的作关系[23]。同时，巷道的埋藏深度及所受应力的侧压系数也会显的破坏效果[24-25]。而且随着爆炸在巷道中的传播，巷道中的爆多次反射现象，造成巷道不同位置处的破坏效果存在很大不同

图 2-1 实验系统图Figure 2-1 Schematic of the experimental system1）压力加载系统力加载系统主要包括 MTS 试验机与操作主机，如图 2-2 所示。M验力测量最大值可达到 1000KN，其测试范围为 0.2%~100%FS。设置应力加载方式，本章采用位移控制的方式，位移分辨率，同时测量形变的范围为 10~800mm，其分辨率为 0.008mm。本作主机，对试样进行单轴压缩，同时在通过操作主机中可以得到载力等参数的时程曲线。
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本文编号：2869126