高强度开采工作面矿压显现的推进速度效应分析

发布时间：2017-10-18 00:43

  本文关键词：高强度开采工作面矿压显现的推进速度效应分析

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【摘要】：本文从岩石在不同加载速率下表现出不同的物理力学特性入手,综合运用岩石力学性质室内实验,薄板理论、平面弹性的复变函数方法、能量原理、弹性动力学方法,ANSYS/LS-DYNA数值仿真计算以及相似材料模拟实验等方法,研究了高强度开采工作面不同推进速度下的矿山压力显现规律。通过薄板理论和平面弹性的复变函数方法等理论分析得到采场顶板内部应力变化和工作面尺寸的关系式,继而对时间求导并结合力的边界条件得出工作面推进速度与加载速率的联系。由岩石的物理力学性质室内实验得到岩石在不同加载速率下的强度变化规律,即加载速率越快,岩石的强度越大。因此,工作面推进速度不同时,采场顶板就表现出不同的强度,且工作面推进速度越快,顶板抵抗破断的能力就越强。结合老顶破断步距的计算公式建立起工作面推进速度和老顶破断步距的联系,并进一步分析不同破断步距对工作面支架工作阻力等的影响。此外,结合顶板变形速率分析了工作面推进速度对顶板下沉量、下沉速度的作用规律,并使用能量原理、依据岩石的应力应变全程曲线分析了高强度开采工作面顶板动载冲击效应。分析过程中,使用了分子尺度的功能原理和弹性动力学方法解释了加载速率对岩石强度的作用机理,并用ANSYS/LS-DYNA数值仿真计算验证了巴西劈裂实验中加载速率对岩石抗拉强度的影响规律,改进了相似材料模拟实验平台并模拟了高强度开采工作面的顶板动载冲击效应,并通过相似模拟实验模拟了不同工作面推进速度下的矿山压力显现规律。综合上述工作,取得以下主要成果:(1)随着工作面推进,采场空间悬露面积越来越大,上覆岩层逐渐对老顶加载。老顶受力是采高和推进度的函数,通过薄板理论和平面弹性的复变函数方法建立起老顶内力和工作面尺寸的关系表达式。将表达式对时间求导可得,内力关于时间的导数是应力变化率,推进度关于时间的导数是工作面推进速度,由此得到内力变化率和工作面推进速度的关系式。取老顶为研究对象,结合力的边界条件,建立起上覆岩层对老顶的加载速率与老顶内力变化率之间的联系,最终得到上覆岩层对老顶加载速率和工作面推进速度之间的表达式,定义两者之间的相关系数为i,i的表达式可以通过薄板理论或是平面弹性的复变函数方法求得。结果表明,工作面推进速度越快,上覆岩层对老顶的加载速率越大。(2)岩石在不同加载速率下表现出不同的物理力学特性,为此选取将近150块砂岩试块分别进行了单轴压缩、剪切和巴西劈裂实验,观察实验过程中加载速率对岩石破坏过程、破坏强度以及能量变化规律的影响,实验发现:(a)加载速率对岩石破坏过程影响较大,当加载速率较快时,试件破坏时间越短,破坏时发出声响越大,内部原生裂隙相互影响相对较弱,实验所得结果波动越小。(b)砂岩的单轴抗压强度、弹性模量随加载速率增大而增大。(c)加载速率越大,砂岩的内聚力越大、内摩擦角越大。(d)一定范围内,加载速率越大,试件的抗拉强度越大。并且相同的位移加载速率下,会出现不同的外力变化率,而且外力变化率越大,试件的抗拉强度越大。位移加载速率越大,出现的外力加载速率一般也越大。(e)通过对巴西劈裂过程中,试件表面的热成像观测发现,加载速率越快,破坏时试件表面的温度越高,表明破坏时释放的能量越多。而抗剪实验却表现出相反的结论,即加载速率增大温度极值却逐渐减小。(3)依据分子尺度的功能原理建立起力学模型解释了砂岩力学性质受位移加载速率影响的作用机理。分析表明,岩石物理力学性质实验中,外力做功除克服分子力做功外,剩余能量还要转化为分子的动能。而分子力做功大小只和物体的构成以及破坏时的最终状态有关,和加载速率无关,但位移加载速率越大,岩石试块中分子的总动能就越大,故岩石试块破坏时需要的外力做功就越大,在试块破坏时极限应变值相同的情况下,所需要的外力自然就会越大。即加载速率越大,试件破坏时需要的外力就越大,抵抗破坏的能力就越强,呈现出的强度就越大。同样,根据弹性动力学方法也可以解释岩石强度受加载速率的作用原理。因为当考虑到加载速率的影响时,弹性静力学方法求解时的平衡方程就必须使用运动方程来代替,就不得不考虑惯性力等因素的影响,所得结果必然有别于静力学结果,即岩石的强度自然受加载速率的影响。另外,使用显示动力学分析程序ansys/ls-dyna验证了加载速率对岩石抗拉强度的影响规律。ansys/ls-dyna在进行瞬态分析或速率有关的静态分析(蠕变或者粘弹性)时,时间代表实际的、按年月顺序的时间,用秒、分钟或小时表示,在分析加载速率的作用机理时具有天然的优势。仿真计算结果进一步证实,位移加载速率越大,岩石的抗拉强度越大;外力加载速率越大,岩石的抗拉强度越大。(4)结合顶板变形速率分析了工作面推进速度对顶板下沉量、下沉速度的作用规律,结合工作面推进速度对顶板抗拉强度的作用规律和老顶断裂步距的求解公式分析了工作面推进速度对老顶破断步距和工作面支架工作阻力的影响规律。分析指出,相同情况下工作面推进速度越快,老顶破断步距越大,来压时工作面支架工作阻力越大。最后,使用功能原理、依据岩石的应力应变全程曲线分析了高强度开采工作面顶板动载冲击效应。具体的,通过建立顶板破断的弹性地基梁模型,得到了顶板动载冲击的作用范围;通过建立顶板运移的动力学模型并结合岩石受压的应力应变关系曲线,得到了不同情况下的最大冲击载荷表达式。结果表明,足够的支架初撑力能够避免动载冲击的发生。初撑力不足的情况下,若直接顶受压过程完全符合胡克定律,则最大冲击载荷等于2倍的破断顶板重量减去支架初撑力。由于岩石受压过程中的应力应变关系并非全部是线弹性,所以动载系数会随初撑力大小、破断顶板重量和直接顶性质的不同而围绕“2”波动。最后通过高强度开采工作面的相似模拟实验和数值分析验证了理论分析的正确性,并提出了通过充填采空区、合理的支架选型和增大初撑力等措施来防治动载冲击灾害。(5)从相似模拟材料、加载系统和观测方法等方面改进了相似模拟实验平台,模拟了不同工作面推进速度下的采场顶板下沉量、下沉速度、来压步距和支架工作阻力的变化规律,进一步验证了工作面推进速度对采场矿山压力的作用规律。
【关键词】：加载速率 推进速度 矿压显现规律 高强度开采 动载冲击
【学位授予单位】：中国矿业大学(北京)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD323
【目录】：

• 摘要4-7
• Abstract7-14
• 1 绪论14-22
• 1.1 选题背景及研究意义14-15
• 1.2 国内外研究现状及问题提出15-19
• 1.2.1 推进速度对覆岩移动规律影响的研究现状16
• 1.2.2 推进速度对支承压力影响的研究现状16-17
• 1.2.3 不同开采条件下推进速度的影响效果17-18
• 1.2.4 基于岩石加载速率的推进速度研究18
• 1.2.5 问题提出18-19
• 1.3 研究内容及思路19-22
• 1.3.1 主要研究内容19-20
• 1.3.2 研究思路及技术路线20-22
• 2 工作面推进速度与顶板所受外力的加载速率关系研究22-34
• 2.1 推进速度与加载速率关系研究22-24
• 2.2 薄板理论求解i24-27
• 2.3 复变函数求解i27-32
• 2.3.1 平面弹性复变方法的一般原理28-30
• 2.3.2 矩形外域到单位圆外域的共形映射30-31
• 2.3.3 采场围岩应力分布求解31-32
• 2.4 本章小结32-34
• 3 加载速率对岩石物理力学性质影响的实验研究34-50
• 3.1 试件制备及实验方案34-35
• 3.1.1 实验试样及设备34-35
• 3.1.2 实验方法35
• 3.2 实验结果分析35-48
• 3.2.1 单轴压缩实验35-37
• 3.2.2 剪切实验37-40
• 3.2.3 巴西劈裂实验40-42
• 3.2.4 热成像分析42-48
• 3.3 本章小结48-50
• 4 加载速率对岩石强度影响的作用机理及数值方法验证50-88
• 4.1 位移加载速率对抗拉强度作用机理的能量法分析50-52
• 4.2 外力加载速率对抗拉强度作用机理的弹性动力学分析52-53
• 4.3 加载速率作用机理的数值模拟验证53-86
• 4.3.1 ANSYS软件简介53-54
• 4.3.2 数值模型的建立54
• 4.3.3 破坏准则的确定54-55
• 4.3.4 不同位移加载速率下的数值验证55-71
• 4.3.5 不同外力加载速率下的数值验证71-86
• 4.4 本章小结86-88
• 5 采场矿压显现的工作面推进速度效应分析88-108
• 5.1 推进速度对顶板下沉量和下沉速度的影响88
• 5.2 推进速度对来压步距的影响88-91
• 5.3 推进速度对支架工作阻力的作用91-93
• 5.4 推进速度对顶板动载冲击的影响分析93-106
• 5.4.1 支架冲击载荷理论分析94-100
• 5.4.2 动载冲击的相似模拟实验验证100-103
• 5.4.3 动载冲击的数值分析103-105
• 5.4.4 推进速度对动载冲击的影响105-106
• 5.4.5 动载冲击的危害及防治106
• 5.5 本章小结106-108
• 6 工作面推进速度效应的相似模拟验证108-132
• 6.1 相似模拟问题及其平台改进108-110
• 6.1.1 高强度液压加载系统108-109
• 6.1.2 工业视图测量系统109-110
• 6.2 材料制备与模型铺设110-115
• 6.2.1 材料制备与模型铺设110-114
• 6.2.2 加载系统、位移观测点和应力观测系统布置114-115
• 6.3 合理开挖速度与工作面的推进115-122
• 6.3.1 1.0cm/min开挖速度下覆岩移动规律116-120
• 6.3.2 2.0cm/min开挖速度下覆岩移动规律120-122
• 6.4 实验结果分析122-130
• 6.4.1 不同推进速度下的顶板下沉量122-125
• 6.4.2 不同推进速度下的顶板下沉速度125-129
• 6.4.3 不同推进速度下的支承压力分布规律129-130
• 6.5 本章小结130-132
• 7 结论132-136
• 7.1 主要研究结论132-133
• 7.2 创新点133-134
• 7.3 不足与展望134-136
• 参考文献136-144
• 致谢144-146
• 作者简介146
• 在学期间发表的学术论文146
• 在学期间参加科研项目146-147
• 主要获奖147

【参考文献】

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本文编号：1051986