斷層帶瓦斯突出對(duì)巷道圍巖動(dòng)力效應(yīng)及防護(hù)研究.pdf

1、斷層帶巖石與瓦斯突出是一種復(fù)雜的破壞性動(dòng)力現(xiàn)象，會(huì)在巷道內(nèi)產(chǎn)生沖擊波，造成人員傷亡和破壞井下機(jī)電設(shè)備。突出產(chǎn)生的沖擊波作用在圍巖體上時(shí)，會(huì)引起巖體質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生搖擺和振動(dòng)，使井下巷道發(fā)生局部破壞，甚至?xí)鹫w坍塌和地（礦）震等地質(zhì)災(zāi)害，嚴(yán)重威脅井下生產(chǎn)安全。為了深入研究斷層帶巖石（煤）與瓦斯突出機(jī)理以及突出沖擊波的動(dòng)力效應(yīng)，本文首先從彈性力學(xué)角度分析了巖柱內(nèi)裂紋面上的應(yīng)力狀態(tài)，通過分析裂紋尖端周邊的應(yīng)力場(chǎng)，認(rèn)為斷層帶巖石（煤）與瓦斯突出是斷

2、裂帶孔隙氣壓力達(dá)到裂紋起裂條件，裂紋發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展從而產(chǎn)生破壞的動(dòng)力現(xiàn)象。其次，根據(jù)波動(dòng)基本理論推導(dǎo)了斷層帶線狀突出沖擊波峰值超壓和速度方程；結(jié)合大平煤礦10.20突出事故案例，利用LS-DYNA有限元和LS-PrePost后處理軟件，模擬分析了線狀突出沖擊波對(duì)巷道圍巖的動(dòng)力效應(yīng)。最后，通過斷裂力學(xué)分析了裂紋尖端的應(yīng)力狀態(tài)，修正了微元體中有效應(yīng)力的表達(dá)式，建立起了巖柱安全厚度的計(jì)算模型，運(yùn)用 ABA QUS模擬的煤巖體的蠕變應(yīng)變曲線，推導(dǎo)

3、出了安全巖柱與蠕變應(yīng)變和時(shí)間的關(guān)系式，可為巷道安全施工提供一定的理論支持。本文取得了以下主要研究成果：
　?。?）、在地應(yīng)力和高壓瓦斯等自然力營造環(huán)境中，工程開挖的擾動(dòng)導(dǎo)致掌子面附近巖體中的有效應(yīng)力減小，滲透率增大。當(dāng)斷層帶裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到巖體的斷裂韌度，孔隙氣壓力達(dá)到裂紋起裂條件時(shí)，微裂紋會(huì)逐漸擴(kuò)展、貫通，巖體發(fā)生失穩(wěn)破壞，高壓瓦斯氣體沿著貫通的裂隙高速運(yùn)動(dòng)，發(fā)生巖石與瓦斯突出現(xiàn)象。
　?。?）、瓦斯突出發(fā)生后，

4、斷層露頭處瓦斯流的速度和壓強(qiáng)超過臨界狀態(tài)時(shí)，會(huì)在巷道采空區(qū)形成沖擊波。沖擊波邊界與開挖巷道軸向的夾角為突出擴(kuò)散角?，與巷道頂?shù)装逍纬闪藘蓚€(gè)三角形區(qū)域，該區(qū)域無沖擊波直接作用，稱礦井突出盲區(qū)。沖擊波是一種強(qiáng)烈的壓縮波，依照空氣動(dòng)理論推導(dǎo)出了波陣面的超壓參數(shù)方程，超壓與突出總能量成正比，與傳播距離成反比。
　?。?）、漏斗狀沖擊波傳播邊界與巷道頂?shù)装褰唤绮课?，巖體質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)力破壞最嚴(yán)重，速度峰值可達(dá)78.015cm/s，為巷道最大破壞區(qū)

5、。沿巷道軸向，當(dāng)圍巖某質(zhì)點(diǎn)處的沖擊波超壓峰值衰減為0.02MPa，或者振動(dòng)速度小于5cm/s時(shí)，該質(zhì)點(diǎn)正好處于安全極限狀態(tài)。極限點(diǎn)至最大破壞區(qū)的距離是沖擊波衰減區(qū)，衰減區(qū)內(nèi)巖體仍有破壞現(xiàn)象，本文案例中衰減區(qū)的長度計(jì)算值為280m。
　?。?）、在巷道橫向剖面上，沖擊波對(duì)巷道側(cè)壁的侵蝕相對(duì)較輕。距離掌子面120m以內(nèi)的范圍內(nèi)，頂壁節(jié)點(diǎn)的速度和位移峰值均比側(cè)壁的相應(yīng)值高2-4倍；而120m以外，頂壁和側(cè)壁的速度與位移值逐漸趨于相同。當(dāng)