实体煤巷道掘进围岩卸荷能量演化规律与冲击机理研究

发布时间：2020-08-04 19:16

【摘要】：论文以实体煤巷道掘进冲击机理为主要研究内容,从掘进围岩卸荷和能量演化角度切入,利用统计分析、数值模拟、实验室实验和理论分析等方法,研究了巷道掘进过程中围岩应力及能量分布规律,从能量观点探讨了实体煤巷道掘进冲击机理,并提出了相应的判别方法,取得如下成果:(1)根据文献统计,影响巷道掘进冲击的因素有煤层厚度及其冲击倾向性、开采深度、地质构造、留底煤厚度、煤柱应力集中程度、掘进速度以及与迎头距离等,以咸阳矿区某矿为工程背景,数值模拟分析了各因素致冲作用及其影响程度,发现采深、侧压系数、煤厚、巷道宽高比及掘进速度各因素不同程度地增加了巷道围岩内载荷和能量分布集度。(2)建立了巷道掘进围岩应力分布力学模型,基于弹塑性理论、结合受载煤体损伤演化规律,推导了考虑卸荷扩容效应的围岩破坏区、塑性区和弹性区应力、能量密度及区域能量分布公式。(3)根据巷道掘进前后围岩应力分布及变化特征设计了煤体常规三轴加载、卸围压升轴压、卸围压轴向扰动和恒围压轴向扰动实验方案,研究认为:静载作用下煤体一般为劈裂剪切破坏,而震源扰动作用下为张裂拉伸破坏;初始围压与升轴压速率对煤体强化有正相关作用,煤体强度在低升轴压速率时变化明显,而卸荷加剧了煤体劣化,低卸荷速率影响较为突出;震源扰动作用下煤体能否发生破坏取决于初始应力与震源幅值叠加应力水平,一般情况下均大于相应围压条件下的静载强度,当应变呈显著非线性变化时预征煤体即将破坏。(4)研究了不同因素对煤体内能量演化的影响规律。发现原岩储能随初始围压呈指数关系增长,并认为:静载条件下,初始围压和升轴压速率提高了煤体蓄能能力,即受载煤体破坏所需能量随着初始围压增大和升轴压速率升高而增加,而卸荷速率相反,煤体破坏时,变形能和耗散能转化率受各因素影响不明显,均为50%左右;在震源扰动下,煤体内能量呈周期式变化,变形能转化率降低、耗散能转化率增加,其能否发生破坏取决于初始应力环境储能与震源携带能量的共同作用。提出了能量压降响应比指标,该指标能反映煤体所处应力环境的非正常变化,可作为煤体破坏的前兆指标。(5)从能量积聚、耗散至释放角度研究了实体煤巷道掘进冲击机理,讨论了冲击瞬间被冲煤体加速度、速度以及巷道断面收敛的变化规律,认为:震源作用下能否诱发冲击取决于初始应力场与震源场叠加后围岩的储能水平;冲击发生时,随着能量密度降低被冲煤体体积迅速扩增,导致巷道断面急剧收缩甚至挤压闭合,且经历时间越短,煤体抛射速度越大,结合速度分布函数提出了临界冲速比指标,表明巷道冲击具瞬时性、突然性和急剧性;提出了最大能量密度因子、平均能量密度因子、能量压降响应比和临界冲速比多因素综合判别方法,可为巷道掘进冲击危险性评价及掘进巷道防冲措施制定提供参考。(6)结合某矿煤巷掘进冲击案例分析得到了围岩平均能量密度因子安全预警值,根据巷道实际情况设计了防冲支护参数并提出了相应防冲降冲建议。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TD324
【图文】：

（a）H=400m （b）H=600m（c）H=800m （d）H=1000m图3-3 开采深度与巷道围岩塑性区的关系Figure 3-3 The relationship between the mining depth and the surrounding rock plastic zone ofroadway（a）H=400m （b）H=600m

-29-（e）λ=2.5图3-7 侧压系数与巷道围岩塑性区的关系Figure 3-7 The relationship between the side pressure coefficient and the surrounding rock plasticzone of roadway（a）λ=0.5 （b）λ=1.0（c）λ=1.5 （d）λ=2.0（e）λ=2.5图3-8 侧压系数与巷道围岩变形能演化云图Figure 3-8

（c）λ=1.5 （d）λ=2.0（e）λ=2.5图3-8 侧压系数与巷道围岩变形能演化云图Figure 3-8 The relationship between the side pressure coefficient and the deformation energyevolution contour in the roadway surrounding rock

本文编号：2780978