巷道围岩失稳机制及冲击矿压机理研究

论文摘要

冲击矿压是煤矿开采等深部地下工程中的重大动力灾害之一,也是岩石力学界广泛关注的热点问题。随着煤矿开采不断向深部延伸,冲击矿压事故的频度及其危害性愈发严重,已成为我国矿山亟待解决的重大技术难题。本论文围绕煤矿巷道冲击矿压的发生机理及防治技术,综合应用物理模拟试验、理论分析和数值模拟等方法与手段对煤矿巷道围岩的失稳机制及冲击矿压发生机理进行了系统研究,取得了如下主要创新成果:(1)基于巷道围岩变形及破坏特征,建立了巷道煤帮层裂板结构的力学模型;应用弹性稳定理论、非线性突变理论等研究了煤帮层裂结构的稳定性特征及突变失稳机制,得到了煤壁层裂结构的形成及屈曲失稳的规律,给出了失稳最小临界载荷的估算公式及巷道埋深、岩性及巷道的几何尺寸对临界载荷的影响关系。(2)研究了动力扰动对巷道层裂结构稳定性影响,建立了巷帮层裂板结构稳定性分析的动力学控制方程,给出了层裂板结构的动力不稳定区域特征,得到了扰动频率、扰动载荷幅值等对动力不稳定区域的影响规律,揭示了巷道围岩冲击矿压的诱发机理。(3)应用数值模拟方法及相关软件FLAC3D,系统研究了巷道围岩的稳定性特征。给出了巷道围岩应力、变形、塑性破坏区域分布等随巷道埋深、围岩岩性、交岔巷道夹角、动力扰动等因素的变化规律。(4)基于数值分析结果,提出了巷道围岩能量积聚区的概念及确定方法。揭示了巷道围岩的能量积聚特征:能量积聚区的能量密度空间分布特征;平均能量分布密度、能量积聚区关于巷道边界的距离等量的变化规律。引入了平均能量密度因子k ,建立了冲击矿压危险性的平均能量密度因子判据。(5)自行设计研制了用于模拟煤壁层裂屈曲失稳试验的加载装置,配合美国MTS815.02电液伺服岩石力学试验系统,成功地测定了巷道煤壁层裂结构的形成及失稳破坏规律,初步揭示了巷帮岩体内裂隙发育、扩展、层裂板结构形成的力学机理。研究成果可为煤矿冲击矿压机理、预测预报方法及防治技术研究提供重要的理论依据。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• Abstract （detailed）
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 研究意义及背景
• 1.1.1 冲击矿压的研究意义
• 1.1.2 冲击矿压的基本特征
• 1.1.3 冲击矿压灾害历史与现状
• 1.2 冲击矿压的研究现状
• 1.2.1 围岩结构失稳理论研究
• 1.2.2 冲击矿压力学研究的经典理论
• 1.2.3 岩石动力学理论与冲击矿压诱发机理
• 1.2.4 冲击矿压的物理模拟研究
• 1.2.5 冲击矿压的数值模拟研究
• 1.3 研究目标与研究内容
• 1.4 研究方法与技术路线
• 2 煤（岩）体力学特性分析及测定
• 2.1 煤（岩）体力学特性及测定
• 2.1.1 煤（岩）体变形特性
• 2.1.2 煤（岩）体强度特性
• 2.1.3 煤（岩）体力学性能测试
• 2.2 煤（岩）体动力学特性及其动态损伤
• 2.2.1 动载作用下煤（岩）体的动力学特性
• 2.2.2 冲击载荷作用下煤（岩）体的动力学特性
• 2.2.3 煤（岩）体的动态损伤与能量耗散
• 2.3 煤（岩）体中应力波传播基本规律
• 2.3.1 应力波传播速度与岩石力学参数的关系
• 2.3.2 应力波传播速度与岩石物理性质的关系
• 2.4 本章小结
• 3 煤壁层裂结构及失稳特征的试验研究
• 3.1 试验加载装置的设计
• 3.2 试验系统和试样制备
• 3.2.1 试验系统
• 3.2.2 试样制备
• 3.3 试验方法和过程
• 3.4 试验结果和分析
• 3.4.1 煤壁侧向变形
• 3.4.2 煤壁层裂结构特征
• 3.4.3 煤壁层裂结构的失稳特征
• 3.5 本章小结
• 4 巷道围岩层裂结构稳定性的理论研究
• 4.1 巷道煤壁层裂板结构的形成
• 4.2 巷道煤壁层裂结构的稳定性
• 4.3 巷道煤壁层裂结构稳定性的非线性动力学特征
• 4.3.1 尖点突变理论
• 4.3.2 巷道层裂结构失稳的尖点突变模型
• 4.3.3 巷道层裂结构非线性动力失稳机制
• 4.4 扰动载荷对巷道煤壁层裂结构稳定性的影响
• 4.4.1 巷道煤壁层裂结构动力稳定性控制方程
• 4.4.2 动力不稳定区域的特征
• 4.4.3 扰动对巷道煤壁层裂板动力稳定性的影响
• 4.5 本章小结
• 5 巷道围岩冲击矿压危险性数值模拟
• 5.1 数值分析软件及分析基本原则
• 3D 软件介绍'>5.1.1 FLAC^3D软件介绍
• 5.1.2 数值分析基本原则
• 5.2 数值计算模型及方案
• 5.2.1 数值计算模型
• 5.2.2 数值计算方案
• 5.3 巷道围岩应力分布特征
• eqv 分布特征'>5.3.1 等效应力σ_eqv分布特征
• z 分布特征'>5.3.2 铅垂应力σ_z分布特征
• 5.4 巷道围岩塑性区分布特征
• 5.4.1 塑性区分布随埋深H 的变化
• d 的变化'>5.4.2 塑性区分布随顶底板弹模E_d的变化
• m 的变化'>5.4.3 塑性区分布随煤层弹模E_m的变化
• 5.4.4 塑性区分布随巷道夹角θ的变化
• 5.5 巷道围岩变形特征
• 5.5.1 巷道两帮相对移近量变化规律
• 5.5.2 巷道顶底板相对移近量变化规律
• 5.6 巷道围岩能量积聚特征
• 5.6.1 能量积聚区的确定
• 5.6.2 能量积聚特征随埋深H 的变化
• d 的变化'>5.6.3 能量积聚特征随顶底板弹模E_d的变化
• m 的变化'>5.6.4 能量积聚特征随煤层弹模E_m的变化
• 5.6.5 能量积聚特征随巷道夹角θ的变化
• 5.7 本章小结
• 6 冲击矿压危险性的平均能量密度因子判据
• 6.1 经典的冲击矿压危险性判据
• 6.2 冲击矿压危险性的能量密度判据
• 6.3 平均能量密度因子及冲击矿压危险性判据
• 6.3.1 问题的提出
• 6.3.2 平均能量密度因子
• 6.3.3 冲击矿压危险性的平均能量密度因子判据
• 6.3.4 平均能量密度因子判据的应用
• 6.4 本章小结
• 7 扰动载荷对冲击矿压危险性的影响
• 7.1 数值计算模型及方案
• 7.1.1 数值计算模型
• 7.1.2 数值计算方案
• 7.2 巷道围岩应力分布特征
• eqv 随时间t 变化'>7.2.1 等效应力σ_eqv 随时间t 变化
• eqv随扰动强度p_max变化'>7.2.2 等效应力σ_eqv随扰动强度p_max变化
• 7.3 巷道围岩变形特征
• 7.3.1 巷道两帮相对移近量
• 7.3.2 巷道顶底板相对移近量
• 7.4 巷道围岩塑性区分布特征
• 7.4.1 塑性区分布随时间t 的变化
• max 的变化'>7.4.2 塑性区分布随扰动强度p_max的变化
• 7.5 巷道围岩能量积聚特征
• 7.5.1 能量积聚特征随时间t 变化
• max 变化'>7.5.2 能量积聚特征随扰动强度p_max变化
• 7.6 本章小结
• 8 工程实例分析
• 8.1 某矿生产与地质概况
• 8.1.1 地质条件
• 8.1.2 围岩岩性
• 8.1.3 地应力分布
• 8.2 冲击矿压事故的概况
• 8.3 冲击矿压事故的数值分析
• 8.3.1 数值计算模型
• 8.3.2 围岩稳定性分析
• 8.3.3 能量积聚特征分析
• 8.4 冲击矿压事故主要原因分析
• 8.4.1 巷道埋深
• 8.4.2 巷道布局
• 8.4.3 扰动因素
• 8.5 冲击矿压防治对策
• 8.5.1 能量积聚监测
• 8.5.2 扰动因素控制
• 8.5.3 卸压爆破解危
• 8.6 本章小结
• 9 结论与展望
• 9.1 主要结论
• 9.2 进一步研究的展望
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集