应力波产生机制及对冲击地压影响研究

发布时间：2017-10-19 04:35

  本文关键词：应力波产生机制及对冲击地压影响研究

  更多相关文章： 震源模型 传播衰减 冲击破坏 脆性断裂 霍普金森压杆

【摘要】：煤矿冲击地压灾害具有显著的动力学特征,其发生演化过程往往受到动载扰动因素的影响,包括顶板断裂、断层滑移、工程爆破和天然地震等。目前针对扰动因素对冲击地压的影响研究侧重于动载的冲击破坏作用,对于应力波的产生及传播特性研究仍然存在不足。本文采用理论建模、实验室实验和数值模拟手段,分别对煤岩体破裂震源模型及关键影响因素、煤体应力波传播衰减规律及主导机制、煤体冲击破坏动力学特性及失效准则展开了深入研究,综合分析了应力波对冲击地压的影响,主要结论如下基于位错震源理论和动态断裂力学,建立了采场空间顶板张性断裂和煤体压剪破裂震源模型,开发了煤岩体破裂三维应力波数值计算程序,模拟分析了顶板断裂和煤体破裂震源产生的应力波动态速度场,确定了两类震源模型关键影响因素为断裂尺度和介质强度。结果显示,顶板断裂震源和煤体破裂震源产生的应力波持续时间、动态速度幅值分别随着断裂尺度和介质强度的增大而增大。这表明采场顶板厚度越大、强度越高,则顶板断裂产生的应力波强度就越高;煤体破裂尺度越大、强度越高,产生的应力波强度也越高。开展SHPB实验研究了无轴压和施加轴压后煤体应力波传播衰减规律,建立了应力波作用下煤体裂纹闭合模型,揭示了煤体裂隙结构变化对应力波传播衰减的影响机制。应力波造成煤体裂隙闭合或扩展时,其传播衰减的主导机制为裂纹面摩擦效应和裂纹扩展耗能,可分别采用裂纹闭合模型和脆性损伤模型描述煤体中应力波传播衰减规律。大尺度数值模拟结果与现场煤层巷道爆破应力波传播衰减规律一致,验证了该模型用于分析现场煤层冲击应力波传播衰减的可行性。应力波强度不足以改变煤体裂隙结构时,应力波传播衰减主导机制为散射效应、流动效应和基质摩擦效应。实验研究了应力波作用下煤体冲击破坏产物的断口微观形貌特征,揭示了应力波作用下煤体裂纹起裂扩展汇聚机制与脆性断裂机理,建立了煤体冲击破坏失效准则。应力波作用下煤体冲击破坏过程以张性裂纹起裂扩展为主,冲击破坏模式包括横向拉伸破坏和轴向拉伸破坏,两类破坏模式下煤体断口微观形貌存在明显的河流状花样、人字形花样和台阶状花样,证实煤体冲击破坏属于脆性断裂所致,脆性断裂机理为不同平面内大量I型张性裂纹扩展汇聚形成大尺度III型裂纹。根据煤体的横向和轴向拉伸破坏模式,分别建立了两类破坏模式对应的裂纹组模型,确定了裂纹扩展临界长度对应的损伤阈值,提出了煤体冲击破坏失效准则。综合考虑应力波的产生、传播与破坏三个阶段,以千秋煤矿21141工作面上覆巨厚砾岩层顶板断裂活动为例,模拟了应力波致灾过程并进行了现场验证,在此基础上分析了地应力、应力波幅值、持续时间和传播距离对冲击地压的影响规律。结果表明,随着地应力的增大、应力波幅值和持续时间的提高以及传播距离的缩短,巷道中监测的应力波能量与巷道变形量就越大,发生冲击地压的危险性越高。最后结合三河尖煤矿92201工作面地质条件,分析了其采场应力波产生来源,解释了工作面轨道巷冲击动力现象的发生原因。本文研究成果对于进一步揭示采场应力波致灾机理、完善冲击地压动力学理论、促进冲击地压动力灾害防治技术的发展具有重要的理论意义和实践价值。
【关键词】：震源模型 传播衰减 冲击破坏 脆性断裂 霍普金森压杆
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD324
【目录】：

• 致谢4-6
• 摘要6-8
• Abstract8-10
• Extended Abstract10-23
• 变量注释表23-24
• 1 绪论24-36
• 1.1 研究背景及意义24-26
• 1.2 国内外研究现状26-34
• 1.3 存在的问题及不足34
• 1.4 研究内容及研究方法34-36
• 2 煤岩体破裂震源模型及关键影响因素36-49
• 2.1 煤岩体破裂震源模型36-38
• 2.2 煤岩体破裂震动位移场38-41
• 2.3 煤岩体破裂震源模型关键影响因素分析41-48
• 2.4 本章小结48-49
• 3 煤体应力波传播衰减规律及主导机制49-72
• 3.1 实验方法49-53
• 3.2 应力波传播衰减实验结果53-55
• 3.3 应力波传播衰减主导机制55-66
• 3.4 应力波传播衰减模型现场验证66-70
• 3.5 本章小结70-72
• 4 煤体冲击破坏动力学特性及失效准则72-95
• 4.1 实验方法72-74
• 4.2 煤体冲击破坏实验结果74-80
• 4.3 煤体冲击破坏微观机理及失效准则80-94
• 4.4 本章小结94-95
• 5 采场应力波致灾过程及对冲击地压影响95-120
• 5.1 采场空间应力波致灾全过程95-100
• 5.2 应力波致灾全过程数值模拟方法及现场验证100-107
• 5.3 典型震源应力波致灾过程数值模拟107-113
• 5.4 应力波对冲击地压影响分析113-118
• 5.5 本章小结118-120
• 6 典型动力现象分析及灾害防治措施120-135
• 6.1 矿井概况120-122
• 6.2 动力现象案例分析122-131
• 6.3 动力灾害防治措施131-134
• 6.4 本章小结134-135
• 7 全文总结、创新点及展望135-138
• 7.1 全文总结135-137
• 7.2 创新点137
• 7.3 展望137-138
• 参考文献138-148
• 作者简历148-151
• 学位论文数据集151

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 冯俊军;王恩元;沈荣喜;陈亮;李学龙;李楠;;煤体压剪破裂震源模型及远场震动特征[J];中国矿业大学学报;2016年03期

2 李娜娜;李建春;李海波;刘婷婷;柴少波;;节理接触面对应力波传播影响的SHPB试验研究[J];岩石力学与工程学报;2015年10期

3 窦林名;何江;曹安业;巩思园;蔡武;;煤矿冲击矿压动静载叠加原理及其防治[J];煤炭学报;2015年07期

4 景林波;王恩元;李忠辉;冯俊军;李学龙;;煤层爆破地震波传播特征实验研究[J];煤炭工程;2015年02期

5 刘少虹;毛德兵;齐庆新;李凤明;;动静加载下组合煤岩的应力波传播机制与能量耗散[J];煤炭学报;2014年S1期

6 刘际飞;璩世杰;;节理走向角度对爆炸应力波传播影响的试验研究[J];爆破;2014年02期

7 姜耀东;潘一山;姜福兴;窦林名;鞠杨;;我国煤炭开采中的冲击地压机理和防治[J];煤炭学报;2014年02期

8 刘少虹;;动静加载下组合煤岩破坏失稳的突变模型和混沌机制[J];煤炭学报;2014年02期

9 高明仕;赵国栋;刘波涛;赵一超;张明华;;煤巷围岩冲击矿压震动效应的爆破类比试验研究[J];煤炭学报;2014年04期

10 李胜林;刘殿书;张慧;江雅勤;肖辽;;石灰岩的SHPB试验研究[J];北京理工大学学报;2013年12期

中国重要会议论文全文数据库 前4条

1 卢芳云;赵鹏铎;;压剪复合加载实验技术[A];Hopkinson杆实验技术研讨会会议论文集[C];2007年

2 黄西成;;高温动态实验中的若干问题[A];第三届全国爆炸力学实验技术交流会论文集[C];2004年

3 崔云霄;卢芳云;林玉亮;谭多望;陈军;王彦平;;Hopkinson杆动态剪切实验技术综述[A];第四届全国爆炸力学实验技术学术会议论文集[C];2006年

4 陈柏生;肖岩;;Hopkinson拉压一体杆实验设备的研制[A];第六届全国爆炸力学实验技术学术会议论文集[C];2010年

中国博士学位论文全文数据库 前10条

1 蔡武;断层型冲击矿压的动静载叠加诱发原理及其监测预警研究[D];中国矿业大学;2015年

2 刘少虹;动载冲击地压机理分析与防治实践[D];煤炭科学研究总院;2014年

3 何江;煤矿采动动载对煤岩体的作用及诱冲机理研究[D];中国矿业大学;2013年

4 宋林;节理岩体中应力波传播的动力特性研究[D];西安建筑科技大学;2012年

5 金解放;静载荷与循环冲击组合作用下岩石动态力学特性研究[D];中南大学;2012年

6 赵鹏铎;分离式霍普金森压剪杆实验技术及其应用研究[D];国防科学技术大学;2011年

7 宫凤强;动静组合加载下岩石力学特性和动态强度准则的试验研究[D];中南大学;2010年

8 曹安业;采动煤岩冲击破裂的震动效应及其应用研究[D];中国矿业大学;2009年

9 叶洲元;动力扰动下高应力岩石力学特性研究[D];中南大学;2008年

10 秦昊;巷道围岩失稳机制及冲击矿压机理研究[D];中国矿业大学;2008年

中国硕士学位论文全文数据库 前6条

1 张宁博;断层冲击地压发生机制与工程实践[D];煤炭科学研究总院;2014年

2 刘文震;煤在冲击载荷下的动态力学特性试验研究[D];安徽理工大学;2011年

3 邹洋;岩石动静组合加载巴西盘劈裂试验研究[D];中南大学;2011年

4 李建功;应力波在弹塑性煤岩体中传播衰减规律研究[D];山东科技大学;2008年

5 崔栋梁;三维动静组合载荷下高应力岩体动力特性及岩爆研究[D];中南大学;2007年

6 王晓燕;分离式霍普金森压杆实验端面摩擦效应研究[D];国防科学技术大学;2004年

，

本文编号：1059078