沖擊地壓演化過程及能量耗散特征研究.pdf

1、沖擊地壓對煤礦安全和高效生產(chǎn)造成嚴重威脅。隨著采深增加和開采強度不斷加大,我國煤礦沖擊地壓日趨嚴重和復雜。沖擊地壓是煤巖地層受采動影響而發(fā)生的動力災害現(xiàn)象,是煤巖體在外部應力作用下快速破裂的結(jié)果,是典型的能量釋放與能量耗散過程。為此,本文實驗研究了煤巖變形破壞過程能量耗散的時域特征;分析了沖擊地壓活動域系統(tǒng)(RADS)的時-空演化過程,建立了MRADS的動壓型沖擊地壓演化模型;結(jié)合模型研究了MRADS在卸壓條件下應力場、能量場的演化規(guī)律

2、,并進行了現(xiàn)場驗證。
　　分析了煤巖破壞過程中的能量類型及轉(zhuǎn)化規(guī)律,研究了煤巖單軸壓縮破壞能量耗散的時域特征,并探討了能量耗散的影響因素。結(jié)果表明,煤巖體變形破壞對應其內(nèi)部能量的變化,外力做功通過能量的積累、釋放與耗散進行自組織調(diào)節(jié);電磁輻射能量累計與對應的耗散能累計服從y=alnx+b的關系,電磁輻射能夠較好的反映煤巖內(nèi)部能量耗散規(guī)律;受載煤巖破壞過程的能量耗散表現(xiàn)出顯著的階段特征,可以作為煤巖破壞狀態(tài)及穩(wěn)定性的有效判據(jù);煤巖體

3、能量耗散的主要影響因素包括材料強度、均質(zhì)度及能量輸入效率。
　　提出了沖擊地壓活動域系統(tǒng)(RADS)的概念,分析了系統(tǒng)時-空二維的熵變及能量耗散特征;建立了沖擊地壓活動域系統(tǒng)主體(MRADS)中煤體體元的能量平衡及熵平衡方程,并對其進行了穩(wěn)定性分析。結(jié)果表明,RADS中熵流與熵產(chǎn)生反映了系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的時-空演化,其代數(shù)關系可判定沖擊地壓是否發(fā)生;能量耗散路徑不暢導致的彈性儲能的大量聚集,是沖擊地壓的能量來源。MRADS煤體體元內(nèi)能

4、的變化主要取決于熱量的流動和內(nèi)力的變化,其內(nèi)部始終自發(fā)進行著利用率低的能量類型替代利用率高的能量的不可逆過程;隨著該過程的發(fā)展,MRADS將進入遠離平衡態(tài)的非線性區(qū)域,成為沖擊地壓的潛在發(fā)生區(qū)域;系統(tǒng)的穩(wěn)定性可通過煤體內(nèi)熱力學過程中某一狀態(tài)下的超熵產(chǎn)生來判定。
　　基于能量耗散建立了RADS動壓型沖擊地壓演化模型。計算得到了MRADS內(nèi)平行于最大主應力方向周期裂紋的起裂強度及有限區(qū)域內(nèi)的損傷應變能;分析了層狀儲能結(jié)構(gòu)的形成及穩(wěn)定性

5、,計算得到了結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的最小臨界載荷及失穩(wěn)之前內(nèi)部積聚的彈性能;分析了不同動力擾動下儲能結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)破壞及沖擊地壓的最終顯現(xiàn)。利用老頂來壓與卸壓爆破兩種典型動力擾動對模型進行了數(shù)值模擬驗證,基于該模型利用現(xiàn)場煤巖電磁輻射數(shù)據(jù)分析了RADS演化特征規(guī)律。
　　研究了MRADS在水射流卸壓條件下應力場、能量場的演化規(guī)律,并以電磁輻射為主要技術手段進行了現(xiàn)場驗證。結(jié)果表明,水射流割縫卸壓破壞了煤體的儲能結(jié)構(gòu),大幅減小了應力集中、能量積聚的程