應(yīng)力波產(chǎn)生機(jī)制及對沖擊地壓影響研究.pdf

1、煤礦沖擊地壓災(zāi)害具有顯著的動力學(xué)特征，其發(fā)生演化過程往往受到動載擾動因素的影響，包括頂板斷裂、斷層滑移、工程爆破和天然地震等。目前針對擾動因素對沖擊地壓的影響研究側(cè)重于動載的沖擊破壞作用，對于應(yīng)力波的產(chǎn)生及傳播特性研究仍然存在不足。本文采用理論建模、實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬手段，分別對煤巖體破裂震源模型及關(guān)鍵影響因素、煤體應(yīng)力波傳播衰減規(guī)律及主導(dǎo)機(jī)制、煤體沖擊破壞動力學(xué)特性及失效準(zhǔn)則展開了深入研究，綜合分析了應(yīng)力波對沖擊地壓的影響。本研究主

2、要內(nèi)容包括：
　?、呕谖诲e震源理論和動態(tài)斷裂力學(xué)，建立了采場空間頂板張性斷裂和煤體壓剪破裂震源模型，開發(fā)了煤巖體破裂三維應(yīng)力波數(shù)值計(jì)算程序，模擬分析了頂板斷裂和煤體破裂震源產(chǎn)生的應(yīng)力波動態(tài)速度場，確定了兩類震源模型關(guān)鍵影響因素為斷裂尺度和介質(zhì)強(qiáng)度。結(jié)果顯示，頂板斷裂震源和煤體破裂震源產(chǎn)生的應(yīng)力波持續(xù)時間、動態(tài)速度幅值分別隨著斷裂尺度和介質(zhì)強(qiáng)度的增大而增大。這表明采場頂板厚度越大、強(qiáng)度越高，則頂板斷裂產(chǎn)生的應(yīng)力波強(qiáng)度就越高；煤體破

3、裂尺度越大、強(qiáng)度越高，產(chǎn)生的應(yīng)力波強(qiáng)度也越高。
　?、崎_展SHPB實(shí)驗(yàn)研究了無軸壓和施加軸壓后煤體應(yīng)力波傳播衰減規(guī)律，建立了應(yīng)力波作用下煤體裂紋閉合模型，揭示了煤體裂隙結(jié)構(gòu)變化對應(yīng)力波傳播衰減的影響機(jī)制。應(yīng)力波造成煤體裂隙閉合或擴(kuò)展時，其傳播衰減的主導(dǎo)機(jī)制為裂紋面摩擦效應(yīng)和裂紋擴(kuò)展耗能，可分別采用裂紋閉合模型和脆性損傷模型描述煤體中應(yīng)力波傳播衰減規(guī)律。大尺度數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場煤層巷道爆破應(yīng)力波傳播衰減規(guī)律一致，驗(yàn)證了該模型用于分析

4、現(xiàn)場煤層沖擊應(yīng)力波傳播衰減的可行性。應(yīng)力波強(qiáng)度不足以改變煤體裂隙結(jié)構(gòu)時，應(yīng)力波傳播衰減主導(dǎo)機(jī)制為散射效應(yīng)、流動效應(yīng)和基質(zhì)摩擦效應(yīng)。
　　⑶研究了應(yīng)力波作用下煤體沖擊破壞產(chǎn)物的斷口微觀形貌特征，揭示了應(yīng)力波作用下煤體裂紋起裂擴(kuò)展匯聚機(jī)制與脆性斷裂機(jī)理，建立了煤體沖擊破壞失效準(zhǔn)則。應(yīng)力波作用下煤體沖擊破壞過程以張性裂紋起裂擴(kuò)展為主，沖擊破壞模式包括橫向拉伸破壞和軸向拉伸破壞，兩類破壞模式下煤體斷口微觀形貌存在明顯的河流狀花樣、人字形花

5、樣和臺階狀花樣，證實(shí)煤體沖擊破壞屬于脆性斷裂所致，脆性斷裂機(jī)理為不同平面內(nèi)大量I型張性裂紋擴(kuò)展匯聚形成大尺度III型裂紋。根據(jù)煤體的橫向和軸向拉伸破壞模式，分別建立了兩類破壞模式對應(yīng)的裂紋組模型，確定了裂紋擴(kuò)展臨界長度對應(yīng)的損傷閾值，提出了煤體沖擊破壞失效準(zhǔn)則。
　?、染C合考慮應(yīng)力波的產(chǎn)生、傳播與破壞三個階段，以千秋煤礦21141工作面上覆巨厚礫巖層頂板斷裂活動為例，模擬了應(yīng)力波致災(zāi)過程并進(jìn)行了現(xiàn)場驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上分析了地應(yīng)力、應(yīng)