受载煤体振动破坏特征及致灾机理研究

发布时间：2017-10-02 14:11

  本文关键词：受载煤体振动破坏特征及致灾机理研究

  更多相关文章： 组合加载 受迫振动 破坏失稳 裂隙演化 微震 电磁辐射

【摘要】：煤与瓦斯突出和冲击地压等动力灾害以其发生突然、发展迅猛、破坏程度大、波及范围广和极易引发二次事故的特性无疑成为矿井安全生产的重要威胁。研究上述灾害的发生机理是提高预测预警准确率,降低事故发生率和危险程度的重要途径。煤岩破坏失稳是煤岩动力灾害发生的重要前提,但煤岩体究竟是如何破坏失稳的,当前学术界存在一些不同的看法,本论文以大量的实验数据为基础,提出了静压载荷和振动载荷共同作用促进煤体破坏失稳并最终导致煤岩动力灾害发生这一论断。煤岩破坏失稳的发生形式可以分为两大类。在矿井采掘过程中,受原始应力场和采掘作业影响,原有的力学平衡被打破,载荷向特定区域转移,并造成局部应力集中。当采动应力场叠加在原始应力场上并超过煤体的强度极限时,就有可能直接造成煤岩体的大范围破坏,并在一定条件下导致结构失稳现象的发生。但在有的情况下,煤岩体虽已发生内部损伤,但并未出现大面积破坏,而是顽强地维持着某种临界状态,并积蓄有较多的能量,此时再受到外界动力扰动时,就会打破这种临界状态,使结构体的破坏失稳迅速发生,同时内部积蓄的能量将在短时间内释放出来,并有可能直接或与其他因素耦合(如瓦斯等)而导致煤岩动力灾害的发生。这两种失稳类型分别称为自发失稳和扰动失稳。统计表明,与自发失稳相比,扰动失稳所占的比例更大,更具危险性,对扰动失稳进行针对性的研究和探讨也更有意义。煤矿井下存在大量的动力扰动,爆破掘进、放炮落煤、打钻作业、机械振动、顶板断裂及相邻工作面扰动等均是其存在的主要形式。显然,爆破掘进和放炮落煤作业等较大扰动易于造成煤体破坏失稳,这一点已得到了广泛的研究与认同。但在实际情况中,某些看似影响较小的动力扰动也能诱导煤岩动力灾害的发生,如打钻作业、机械振动、风镐落煤、手镐落煤,甚至邻近工作面动力扰动等。当进行放炮作业等影响较大的动力扰动时,作业人员往往要撤离到相对较远的区域,同时采取一系列的防护措施,而当“小扰动”甚至“无扰动”(“邻近扰动”)时,工作面前方往往聚集有大量人员,一旦发生事故将酿成极为严重的后果。更为严重的是,越是较小的动力扰动,越不易于引起作业人员的重视,灾害发生后造成的死亡人数越多。鉴于此,本文针对“小扰动”进行分析,结合静载和循环动载试验方式,以探讨“小扰动”是如何造成煤岩破坏失稳并最终诱导煤岩动力灾害发生的。研究成果将有助于补充和完善煤岩动力灾害的发生机理,提高预测预警防治煤岩动力灾害的准确率,为相应的工程防范措施的应用提供理论指导和技术支撑。具体而言,本文的主要内容和结论如下:(1)“小扰动”是煤岩破坏失稳的重要诱导因素,这种扰动可借助于受载煤体的振动破坏实验来进行模拟理论分析表明,煤岩动力灾害经历孕育、发生、发展和终止四个阶段,多数情况下,煤岩体在动力扰动诱导失稳前往往已处于临界破坏状态。因此,“小扰动”诱发煤体损伤破坏和结构失稳需要两个前提:一是煤体本身受原始应力场和采掘作业影响已处于临界极限状态,二是破坏失稳往往是“小扰动”多次作用的结果。煤体处于极限应力状态前需要经过一个相对较长的缓慢力学加载过程,而静载在这一相对缓慢的孕育过程中常常起力学主导作用,那么孕育过程中的静载作用可使用单轴或三轴压缩来分析,而激发作用中的“小扰动”多次作用则可借助振动的形式进行实验室模拟。鉴于此,本文搭建了静载和动静组合(受载煤体振动)破坏实验模拟系统,以不同加载条件下型煤试样的破坏特征为研究对象,阐明载荷对煤体的作用结果。利用高清摄影仪结合视觉算法分析宏观裂隙的演化过程,探讨型煤表面裂纹的分布规律。研究煤体破坏裂纹演化过程中的微震和电磁辐射信号特征,论证型煤试样的整体破坏进程。综合煤体表面和整体的破坏状态,结合静载和振动载荷的加载过程,提出静载和动载共同作用促使煤体达到破坏失稳条件的判据。(2)受载煤体振动破坏时,入射波与反射波的相位相同,两者共同作用导致煤体的拉破坏受载煤体振动时,试件左端面为压应力主导作用区,右端面为拉应力主导作用区,两应力区呈类似对称分布,且由于上覆静载荷的存在而产生一定程度的偏移。煤体作为一种特殊的固体材质,其抗拉强度远小于抗压强度,故在受载煤体振动试验中,煤体的主要破坏形式为拉伸破坏,即拉应力对煤体破坏起主导作用。在振动破坏试验中,若以煤体作为研究对象,由于夹具(钢板)的声学阻抗远大于试件(型煤),故大部分入射波能量会以反射波的形式重新作用于煤体,反射波与入射波的相位相同,且所占能量比较大,两者在试件中后部交汇,并最终对该面形成拉应力,进而造成煤体的拉破坏。此外,与入射波有持续的能量源(激振器)不同,反射波在传播过程中衰减较快,故越远离右端面,反射波的能量越小,反射波与入射波的叠加能量也越小,产生的拉应力作用随之减小,而煤体往往是在拉应力最大点处产生裂纹,继而沿此界面进行演化,这是造成煤体裂隙分布试件中后部的主要原因。(3)受载煤体振动破坏时,样品的粒度越大,密度和成型压力越小,产生的裂隙像素值和声电信号能量越强,代表煤体破坏的越严重,出现破坏失稳的可能性也越大论文搭建了受载煤体振动试验平台,同步分析试件破坏过程中的裂隙演化与声电信号特征,结果表明型煤的组成粒度越大,试件在相同扰动条件下产生的微震和电磁辐射信号能量越大,裂隙的像素点也越多,说明此时煤体破坏的越严重;当粒度相同时,型煤制备的密度和成型压力越大,试件在相同扰动条件下产生的裂隙反而越小。根据上述两项描述可知,粒度和成型压力不仅影响着型煤样品的物理力学性质,同时也反映了煤体在相同扰动条件下抵抗破坏的能力。反映在现场实践中,煤体的组成粒度越小,松散程度越低,其在扰动时产生的裂隙也就越少,出现破坏失稳的可能性也越小。具体到单个样品的微震信号特征时,发现成型压力较小的松散煤体微震信号数量较多,但幅值相对较小,与之对应的是当成型压力加大时,微震信号的出现时间较为集中,且幅值相对较大;此外,对比同煤塔山和平煤十矿两煤样相同粒度、成型压力和扰动条件下声电信号能量与裂隙像素点统计结果,发现平煤十矿煤样的声电信号和裂隙点均高于同煤塔山矿样品,由此表明在相同扰动条件下,软煤比硬煤更易于产生裂隙演化,也更易于导致破坏失稳现象的发生。(4)多次较大微震信号连续出现是型煤静载临界破坏的重要判据利用微震和电磁辐射信号提出煤体在不同载荷作用形式下的破坏临界点判据是本文的主要研究内容之一。由于煤与瓦斯突出多发生在较软的煤体或煤体的软分层中,而冲击地压则往往集中在煤体较为坚固的区域,故选取了坚固性系数相差较大的两种煤样,在此基础上制备了均质程度较高的型煤样品。对型煤进行静载破坏试验,结果表明当三个及以上的较大微震信号形成“群震”模式时,煤体表面开始产生裂隙。此后再利用油压泵进行缓慢加载时压力表读数不再增加,但裂隙演化速度明显加快,10s后煤体表面出现贯穿状宏观裂纹,千斤顶压力表读数迅速下降,表现试样已基本破坏并丧失承载能力。(5)煤岩破坏时监测到的微震和电磁辐射均为本地信号,不同作业工序下的微震和电磁辐射信号同步性较强。爆破时信号能量均受爆破药卷数和传播距离影响。微震p波引起的rc振荡回路是导致群发性簇状电磁信号产生的主要原因在现场实践章节,以平煤十矿掘进工作面和回采工作面为研究对象,揭示掘进爆破、机械割煤和钻探作业时产生的微震和电磁辐射信号特性,发现不同作业工序情况下煤体破坏的声电信号均表现出较强的时域同步性,两者相对幅值较大,持续时间较短,均呈现明显的瞬时脉冲特征。以爆破作业时的声电信号为重点研究对象,从微震信号中分离出p波和s波,并将电磁信号单发性电磁脉冲部分(Ⅰ)、群发性簇状部分(Ⅱ)和低频振荡部分(Ⅲ)三类,结果表明上述信号能量均与爆破药卷数正相关,而和传播距离之间呈现负相关性。结合同源性原理探讨了现场煤岩损伤破坏声电信号相关性的产生机理,指出rc振荡回路可能是导致群发性簇状电磁信号(Ⅱ)产生的主要原因。
【关键词】：组合加载 受迫振动 破坏失稳 裂隙演化 微震 电磁辐射
【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】：TD32;TD771
【目录】：

• 摘要4-8
• Abstract8-16
• 1 引言16-36
• 1.1 论文选题背景及研究意义16-18
• 1.2 国内外研究现状18-31
• 1.2.1 煤岩破坏失稳的静态力学研究现状18-22
• 1.2.2 煤岩破坏失稳的动态力学研究现状22-27
• 1.2.3 煤岩破坏失稳的动静组合加载研究现状27-28
• 1.2.4 煤岩破坏失稳与煤岩动力灾害研究现状28-31
• 1.3 存在的不足及需要进一步研究的问题31-32
• 1.3.1 存在的不足31-32
• 1.3.2 需要进一步研究的问题32
• 1.4 研究内容及方法32-36
• 1.4.1 研究目标32-33
• 1.4.2 主要研究内容33
• 1.4.3 研究方法及技术路线33-36
• 2 受载煤岩破坏与结构失稳致灾机理分析36-54
• 2.1 煤体原始应力场与采动应力场时空耦合演化规律36-44
• 2.1.1 静载作用下的煤体应力场耦合演化规律36-40
• 2.1.2 动静组合加载作用下的煤体应力场耦合演化规律40-44
• 2.2 煤体静载破坏的应力场与位移场参数44-48
• 2.2.1 煤体静载微观破裂类型44-46
• 2.2.2 煤体静载宏观破裂与破坏失稳46-48
• 2.3 煤体动载破坏的应力场与位移场参数48-52
• 2.3.1 典型煤体动载微观破坏的解析解48-50
• 2.3.2 煤体振动作用下的裂纹演化与损伤破坏50-52
• 2.4 本章小结52-54
• 3 煤体静载破坏试验研究54-80
• 3.1 煤样坚固性系数测定试验54-56
• 3.2 型煤试样制备与超声波波速特征测定试验56-70
• 3.2.1 完整型煤试样制备56-60
• 3.2.2 节理型煤试样制备60-62
• 3.2.3 超声波波速特征测定试验62-70
• 3.3 煤体静载破坏过程中的微震和电磁辐射信号特征70-78
• 3.3.1 试验过程介绍70-71
• 3.3.2 信号去噪与分析71-75
• 3.3.3 煤体静载破坏过程中的微震信号特征及弹塑性临界状态判定75-78
• 3.4 本章小结78-80
• 4 受载煤体振动破坏实验研究80-118
• 4.1 自振频率测定试验80-91
• 4.1.1 自振频率测试系统81-85
• 4.1.2 自振频率分析过程与测试结果85-91
• 4.2 受载煤体振动破坏过程中的声电信号特征91-104
• 4.2.1 试验系统和试验过程简介92-97
• 4.2.2 信号去噪与分析97-101
• 4.2.3 声电信号的能量统计101-104
• 4.3 受载煤体振动破坏过程中裂隙分布的定量化描述104-115
• 4.3.1 图形处理算法简介104-107
• 4.3.2 处理软件简介107-108
• 4.3.3 典型裂隙演化图像处理过程108-113
• 4.3.4 裂隙分布的定量化描述113-115
• 4. 本章小结115-118
• 5 受载煤体振动条件下的动力学响应参数模拟研究118-138
• 5.1 FLAC 3D软件简介118-121
• 5.1.1 有限差分法118-120
• 5.1.2 混合离散法120-121
• 5.2 FLAC 3D动力学分析121-123
• 5.2.1 瑞利阻尼121-122
• 5.2.2 局部阻尼122
• 5.2.3 滞后阻尼122-123
• 5.3 煤体动力扰动模拟结果分析123-131
• 5.3.1 煤体静载模拟123
• 5.3.2 受载煤体振动试验模拟123-131
• 5.4 受载煤体振动模拟结果的验证与讨论131-135
• 5.4.1 受载煤体振动模拟结果的验证131-134
• 5.4.2 受载煤体振动破坏机理的初步探讨134-135
• 5.5 本章小结135-138
• 6 基于声电信号的受载煤岩体破坏特征现场测试138-164
• 6.1 现场试验区域及监测系统简介139-143
• 6.1.1 试验区域简介139-140
• 6.1.2 监测系统简介140-143
• 6.1.3 监测系统布置143
• 6.2 现场测试信号及去噪分析143-151
• 6.2.1 不同作业工序的声电信号143-146
• 6.2.2 声电信号去噪处理146-151
• 6.3 现场煤岩损伤破坏声电测试信号同步性分析151-156
• 6.3.1 爆破作业声电信号同步性分析152-155
• 6.3.2 打钻作业声电信号同步性分析155-156
• 6.3.3 割煤作业声电信号同步性分析156
• 6.4 基于声电信号特征预测煤岩损伤破坏及失稳致灾机理探讨156-161
• 6.4.1 爆破作业声电信号的能量关联性及其影响因素157-159
• 6.4.2 煤岩损伤破坏声电信号的同源性159-161
• 6.5 本章小结161-164
• 7 结论与展望164-168
• 7.1 结论164-166
• 7.2 主要创新点166
• 7.3 研究展望166-168
• 参考文献168-186
• 致谢186-188
• 作者简介188-189

【参考文献】

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本文编号：960022