剛—柔耦合支護防治沖擊地壓機理研究.pdf

1、世界范圍內淺部資源正日益枯竭,深部資源開采迫在眉睫。然而,隨著深井采礦、深埋隧道和硐室等人類活動的不斷深入地下,地應力呈非線性增加,地溫升高,地質環(huán)境更加復雜多變,沖擊地壓發(fā)生頻次和破壞程度也愈加強烈,釋放大量沖擊能造成支護圍巖體破壞,給人民生命、財產和生產安全帶來極大危害,亟待在防沖支護材料和方法方面做出重大突破。因此,建立剛-柔耦合支護模型,對多孔金屬材料動態(tài)力學特性和吸能性能進行實驗研究,分析不同支護巷道沖擊破壞規(guī)律,揭示剛-柔耦

2、合吸能機理,提出剛-柔-剛耦合支護方法,為防治巷道沖擊破壞提供一種防沖支護材料和方法,具有重要的理論研究意義和實用價值。采用理論分析、材料實驗、相似模擬試驗和數值計算相結合的研究方法,對剛-柔耦合吸能機理及防沖支護進行研究。實驗研究準靜態(tài)和沖擊載荷條件下多孔金屬材料的力學行為、吸能特性和防沖支護的吸能效果;理論分析沖擊地壓巷道圍巖破壞發(fā)生的應力判據和能量條件,建立剛-柔耦合吸能模型(剛-柔-剛耦合支護體系:R-F-R)并進行防沖理論研究

3、;相似材料試驗研究沖擊地壓發(fā)生和破壞過程及不同支護巷道變形規(guī)律,分析不同支護效果;數值模擬研究高速沖擊載荷作用下沖擊地壓巷道變形破壞規(guī)律,分析不同支護條件下巷道破壞程度,檢驗剛-柔耦合防沖支護的合理和有效性;基于防沖機理,進行防沖支護裝置研制,對防沖裝置提供初撐力大小和緩沖吸能作用進行理論分析和實驗研究,將柔性體+強力支護手段應用到躍進煤礦25110工作面下巷,對比分析傳統支護和防沖支護沖擊破壞結果,初步驗證剛-柔耦合防沖支護的可靠性。

4、1.多孔金屬材料及防沖支護吸能機理研究:利用準靜態(tài)壓縮實驗、高速沖擊實驗和SHPB實驗方法,結合細觀結構和宏觀力學兩方面對不同多孔金屬材料動態(tài)力學特性和防沖支護吸能性能進行實驗分析,研究材料參數、細觀結構變化對材料動態(tài)力學特性和防沖吸能性能的影響,揭示剛-柔耦合防沖支護吸能機理。(1)不同基體材料對泡沫金屬動態(tài)力學特性的影響研究采用高速沖擊實驗方法,借助電鏡掃描(SEM)技術手段,從細觀結構和宏觀力學兩方面出發(fā),對閉孔Al基、Al-Si

5、12基、Al-Si6基、泡沫鎂及泡沫鋁-纖維合金和泡沫鋁-稀土合金等泡沫金屬系列材料進行沖擊實驗,得到不同材料應力-應變曲線和吸能曲線,研究材料基體對其動態(tài)力學特性的影響,進而優(yōu)選沖擊吸能性能良好的多孔金屬材料。(2)材料參數影響的泡沫金屬動態(tài)力學特性分析材料參數對其沖擊吸能性能影響較大,選擇材料尺寸相同,不同材料密度、不同孔隙度以及材料孔徑的閉孔Al-Si6基泡沫材料,利用高速沖擊實驗和SHPB實驗研究方法,考慮材料參數對吸能性能的影

6、響,研究材料密度、孔隙度和孔徑與材料動態(tài)力學特性的關系,從而確定合適的材料參數。(3)考慮試件尺寸效應影響的多孔金屬材料動態(tài)力學特性分析考慮尺寸效應對材料吸能性能的影響,利用沖擊載荷實驗系統,選擇實驗材料均為閉孔Al-Si6基泡沫材料,研究試樣形狀和尺寸效應對其動態(tài)力學特性的影響,進而選擇合理的吸能材料尺寸高寬比。(4)多孔金屬材料及防沖支護吸能機理研究根據落錘沖擊實驗和SHPB實驗結果,利用電鏡掃描(SEM)技術,對基體材料(Al基、

7、Al-Si12基、Al-Si6基、泡沫鎂及泡沫鋁-纖維合金和泡沫鋁-稀土合金)破裂細觀形貌特征進行分析,研究細觀結構變化對材料吸能影響;利用沖擊實驗系統,對鋼支架、底腳式支架和頂端式支架吸能性能進行分析,揭示剛-柔耦合支護防沖機理。2.剛-柔耦合模型及防沖理論解析:從能量吸收的角度出發(fā),研究沖擊地壓巷道圍巖破壞發(fā)生的應力判據和能量條件,建立剛-柔耦合吸能模型并進行防沖理論解析,提出剛-柔-剛耦合支護方法。(1)從能量角度出發(fā),對沖擊地壓

8、巷道圍巖破壞機理進行研究,研究支護巷道圍巖沖擊破壞發(fā)生的應力判據和能量條件。(2)基于應力波的沖擊破壞理論,建立圍巖-吸能材料-鋼支架剛-柔耦合吸能支護力學模型,揭示剛-柔耦合吸能支護的耦合關系,進而研究吸能支護沖擊波耗散機理和支護耗能機理,得出防沖支護能量耗散標準。(3)對R-F-R支護結構進行簡化,根據材料力學和沖擊波理論相關知識,進行沖擊波作用下R-F-R支護結構衰減沖擊波性能理論解析,得到多孔金屬材料厚度和材料性能對其衰減沖擊波

9、的影響,對比分析設置多孔金屬材料前后支護結構的緩沖和吸能效果。(4)提出剛-柔-剛耦合支護方式,并對不同支護進行防沖實驗分析,研究防沖支護方法,進而提出建立柔性支護體+強力支護耦合支護手段,提高巷道安全程度,降低沖擊型動力災害。3.沖擊巷道支護模擬試驗研究:利用爆炸加載方式模擬高速沖擊載荷作用,借助數字散斑光測技術手段,研究巷道圍巖破壞過程及不同支護條件下巷道變形規(guī)律;同時,在實驗室研究沖擊地壓發(fā)生過程及錨桿、U型鋼、棚索協同支護以及剛

10、-柔耦合支護(巷道襯砌吸能材料+強力支護)條件下巷道沖擊破壞規(guī)律。(1)利用低能爆炸加載方式,借助高速采集數字散斑光測裝置,對高速沖擊載荷作用下巷道動態(tài)破裂規(guī)律進行相似試驗研究,并研究錨桿支護和剛-柔耦合支護巷道沖擊破壞規(guī)律。(2)利用相似理論,按照一定的配比制作脆性材料,采用單軸加載的方法,借助數字散斑光測方法,對制作標準試件進行壓縮沖擊破壞試驗研究,確定合適作為沖擊地壓相似模擬的材料配比和強度。(3)考慮尺寸效應的影響,模擬不同巷道

11、尺寸條件下沖擊破壞規(guī)律,確定模擬巷道沖擊破壞的合理巷道形狀及尺寸,對不同支護條件下巷道沖擊破壞過程進行試驗研究,對比分析不同支護巷道沖擊破壞規(guī)律,檢驗剛-柔耦合支護的合理和有效性。4.支護巷道沖擊破壞非線性動力學分析:將沖擊波作為離散的動態(tài)沖擊載荷施加在模型內部節(jié)點上,利用FLAC3D進行煤巖巷道沖擊變形破壞過程的三維數值計算,實現先加載后開挖及合理動力加載方式,分別研究裸巷、錨網錨桿、U型鋼支護和防沖支護等條件下的巷道沖擊破壞規(guī)律,并

12、從能量角度出發(fā),對不同支護方式的支護效果進行分析,進一步說明防沖支護的有效性。5.根據防沖結構設計的基本依據,研究了可實現提供較大初撐力,又起到良好緩沖吸能作用的防沖結構,并進行了防沖裝置的研制。利用理論分析和試驗研究相結合的研究方法,對防沖裝置提供初撐力大小和緩沖吸能作用進行了研究,得到了消除裝置自鎖發(fā)生的合理角度,彈簧壓縮量與裝置提供初撐力之間的關系,也說明剛-柔耦合防沖支護的可靠性,為防沖支護設計和應用提供了科學依據。6.基于剛-