煤岩体蠕变本构关系及其稳定性研究(1).pdf

论文题目煤岩体蠕变本构关系及其稳定性研究 专 业工程力学 硕 士 生马咪娜 签名 指导教师张天军 签名 摘要 随着煤矿开采深度的增加，井下开采条件越来越复杂，煤岩体的灾变失稳问题变得 愈加突出。由于受到深部煤层煤岩蠕变特性的影响，煤岩体延迟失稳及高瓦斯矿井中的 煤与瓦斯延迟突出事故时有发生，这些事故的延时性和隐蔽性对煤矿安全的危害极大。 因此，研究深部煤岩体的蠕变本构关系，并对其延迟失稳机理进行分析，对于煤矿安全 具有重要的理论和实践意义。 文中采用理论分析、实验室试验及数值计算等方法，进行了深部煤岩体蠕变本构关 系的研究，并对井巷预留煤柱以及高瓦斯矿井中煤岩体进行了稳定性分析。 对煤岩的蠕变本构关系的研究，基于粘塑性统一本构模型，结合煤岩的力学特性， 引入软化函数、硬化函数，提出了一种新的时变参数的非线性蠕变模型TPM 模型；采 用 TPM 模型，从能量角度，利用最小势能原理分析了煤柱的稳定性，得到其蠕变失稳 判据。同时，文中结合煤岩单轴压缩蠕变试验结果，通过对煤岩蠕变方程进行数值计算， 得出 TPM 模型更能反映煤岩的蠕变过程；并根据文中所提出的失稳判据，针对沿空留 巷开采时的预留煤柱，计算得到了煤柱的延迟失稳时间，计算结果反映了基于 TPM 模 型的稳定性能量分析法对工程实践具有指导意义。 此外，针对高瓦斯矿井中的煤岩，基于有效应力原理，考虑瓦斯流动因素和瓦斯压 力带来的损伤，提出了含瓦斯煤岩体的 TPM 模型；采用最小势能原理分析了掘进面煤 岩体的延迟失稳过程，结果表明初始瓦斯压力 P 越大，失稳判据 U 变化速度越快，即 破坏速度越快。 关键词 蠕变；时变参数；最小势能原理；稳定性；有效应力 研究类型理论研究 Subject The Study of Creep Constitutive Equation of The Coal-rock Body and Its Stability Specialty Engineering Mechanics Name Ma Mina signature Instructor Zhang Tianjun signature ABSTRACT With mining depth increasing continuously in our country, Geological conditions of underground mining become more complicated. Then, destabilization problem of coal-rock body are increasingly emerging. Due to the influence of coal-rock body creep features in the deep mine, the accident caused by delayed destabilization of the coal-rock body and delayed outburst coal and gas occur frequently. Delay and concealment of these accidents harm the safety of coal mine greatly. Therefore, the study of creep constitutive equation and mechanism of delay destabilization of the coal-rock body for coal mine safety is of important theoretical and practical significance. Based on theoretical analysis, laboratory test and numerical , the paper studied on creep constitutive equation of the coal-rock body, and analyzed stability of the established coal pillar in roadway and the coal-rock body in high thickness gas mines. In order to study creep constitutive equation of the coal-rock body, this paper combined with visco-plastic unified constitutive model and the mechanical characteristics of coal and rock. Then, we introduced a softening and a hardening function for a new nonlinear rheological model with time-varying parameters PTM model. From the angel of energy, we presented the delayed destabilization condition of PTM model by using the principle of minimum potential energy. Meanwhile, based on the results of uniaxial compression creep test, we realized that TPM model can reflect the true creep process of the coal-rock body by calculating parameters of PTM model. According to the delayed destabilization condition, we calculated the delay unstable time period of coal pillar, which was established for retaining roadways. The result shows the energy analysis of stability analysis has a guiding significance for engineering practice. In addition, based on the principle of effective stress factors and the damage caused by flow and pressure of the gas, we putted forward the TPM model of the coal-rock body in high thickness gas mines. Using the principle of minimum potential energy, we also analysis delay destabilization process of coal-rock body on the heading face. The result shows that the decreasing of destabilization criterion U changes faster when the initial gas pressure P is lager. That is, destruction speed of the coal-rock body will faster. Key words Creep; Time-varying parameters; the principle of minimum potential energy; Stability; Effective stress Thesis Theory research 目 录 I 目 录 1 绪论 1 1.1 选题背景及研究意义 1 1.1.1 选题背景 1 1.1.2 研究意义 3 1.2 煤岩蠕变理论的研究现状 3 1.2.1 蠕变学的发展 3 1.2.2 煤岩蠕变的实验研究 5 1.2.3 煤岩蠕变的理论研究 6 1.3 煤岩稳定性机理研究现状 7 1.4 研究内容及技术路线 9 1.4.1 研究内容 9 1.4.2 技术路线 9 2 煤岩体蠕变本构关系的研究及稳定性分析 11 2.1 煤岩体蠕变本构关系的研究 11 2.1.1 常见的蠕变模型 11 2.1.2 煤岩体蠕变模型的建立 13 2.2 煤柱稳定性分析 15 2.2.1 最小势能原理 15 2.2.2 煤柱稳定性分析 16 2.3 本章小结 18 3 煤岩单轴压缩蠕变试验研究 19 3.1 煤岩单轴压缩蠕变试验 19 3.2 实验结果 20 3.3 蠕变模型的参数拟合方法及结果 21 3.3.1 参数拟合方法 21 3.3.2 结果分析 24 3.4 煤柱稳定性分析 26 3.5 本章小结 27 4 含瓦斯煤岩体蠕变本构关系及延迟失稳研究 28 4.1 含瓦斯煤岩体的蠕变本构关系以及稳定性研究 28 4.1.1 瓦斯压力 29 4.1.2 应力偏量 30 目录 II 4.1.3 含瓦斯煤岩蠕变本构关系以及稳定性研究 31 4. 2 掘进面煤岩体稳定性实例分析 32 4.2.1 瓦斯压力的计算 33 4.2.2 应力偏量的计算 36 4.2.3 掘进面煤岩体稳定性分析 37 4.3 本章小结 39 5 结论与展望 40 5.1 结论 40 5.2 展望 41 致 谢 42 参考文献 43 附 录 48 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题背景及研究意义 1.1.1 选题背景 我国是世界上最早认识、开采和利用煤炭的国家，至少在1800年前就已经开始进行 煤矿开采。矿业的发展与扩大矿产资源的开发利用，对人类社会文明的发展与进步产生 了巨大的、无可替代的促进作用。我国地域辽阔、矿产资源丰富，是当今世界上最大的 煤炭生产和消费国家，目前除上海以外的其他省级行政区都发现有煤矿资源，煤炭是我 国的主体能源和重要原料。在未来相当长时间内，煤炭仍是我国能源消费结构中最主要 的品种，煤炭需求也将稳步增长。在一次能源消费结构中，煤炭一直是第一主要能源占 70以上，有研究表明到2030年，煤炭在我国能源消费结构中仍占70左右[1]。煤炭 工业是我国的基础产业，关系到国计民生的重要生产资料和支撑我国国民经济体系的主 要能源，其健康、稳定、持续地发展是关系到国家能源安全的重大问题。 煤矿的开采技术直接影响了煤炭的产量，重视开采过程的安全是确保煤炭顺利开采 的重要方面。目前，我国煤炭生产的安全形势仍然十分严峻，煤矿生产事故时有发生， 造成了生命财产损失。随着科技的发展和采掘技术的进步，开采深度、宽度不断加大， 地质条件也越来越复杂，给地下开采的发展带来了更加严峻的挑战。煤岩的稳定性问题 变得异常突出，主要表现在以下两个方面一是变化的应力造成煤岩变形，破坏和移动， 形成采空区冒落、 “岩爆” “煤爆”等冲击地压现象；二是富含瓦斯煤岩还可能形成瓦斯 喷出、煤与瓦斯突出等现象。在煤矿开采过程中，这两项影响煤矿安全的煤岩稳定性问 题日趋受到关注。 我们知道，在各种岩土工程中，岩土的破坏大都经历了一段相当长的时期。陈宗基 教授曾指出一个工程的破坏往往是有时间过程的。蠕变是岩石的重要力学特性之一， 很多岩体工程都存在蠕变现象。例如深埋于地下的巷道围岩，其变形具有随时间的延长 而缓慢增大的明显特征。大量的工程实践也表明[2-7]在许多情况下，岩石工程的失稳和 破坏并不是在开挖完成或工程完工后立即发生的，而是经历了一个长期过程。煤岩工程 也不例外，自煤矿开采后，各方面的压力都在发生着变化，随着开采的进行，煤岩压力 会集中，煤岩的逐步破坏以及煤与瓦斯突出过程就是一个与时间效应息息相关的蠕变现 西安科技大学硕士学位论文 2 象。刘成丹等曾指出煤矿工程中，矿山压力的变化是在一定时间内完成的，特别是当巷 道刚开挖完毕和工作面刚落煤之后，矿山压力在很短的时间内变化很大，各种事故也往 往在这一时间内发生[8]。 岩爆是指矿井采掘空中间周围岩体在高应力作用下局部失稳， 弹性应变能突然释放， 使岩体向采空区抛射的一种动力破坏现象。它是矿山生产中易发生的重大灾害之一，常 迫使采空区或整个矿井停产， 造成重大的人员伤亡和巨大经济损失。 为防止采空区冒落、 岩爆，维护巷道安全，常采用沿空掘巷方法进行巷道支护，即巷道内预留煤柱。巷道支 护是煤炭开采中一项关键技术，可靠的支护技术是实现矿井安全、高效的必备条件[9]。 煤柱是考虑安全因素而预留的类似于隔离带和承重墙的作用，它主要为了保护水，地压 等方面破坏地表和巷道的作用。 随着矿井产量和效率不断提高， 要求巷道断面越来越大、 巷道形成速度越来越快，对巷道支护的技术要求越来越高。 煤炭开采时由于为了安全，采煤时在采面留下不采的那部分，就是煤柱，它是衡量 一个采区开采率的一个重要标准．也是煤炭安全生产的一个重要指标。巷道之间保留煤 柱和巷道与回采工作面之间保留煤柱，一直是煤矿中传统的保护巷道通畅的方法，沿空 掘巷技术对合理开发地下资源，提高煤炭采出率，延长矿井开采期限具有重要意义，采 用沿空掘巷的方法维护回采巷道的必然趋势。许多学者对各种充填体的承载能力和稳定 性等进行了深入研究[10-12]，然而，往往作为支护的预留煤柱的破坏不是随工作面矿体脱 落而即时发生的，学者对煤柱稳定性与时间相关的力学分析研究较少。因此，研究煤岩 的蠕变本构关系以及煤岩体的失稳过程，为研究煤岩力学性质提供良好的理论基础，更 为预留煤柱支护技术的实施提供了保证，有助于提升回采率。另一方面，我国煤矿地质 构造及煤层赋存条件比较复杂，现开采的矿井30以上是高瓦斯或煤与瓦斯突出矿井。 随着采掘深度不断增加，地应力与瓦斯压力不断加大，煤与瓦斯突出矿井的数目会不断 增多，突出次数也将日益频繁。煤与瓦斯突出是一种复杂的矿井瓦斯动力现象，也是种 非常严重而又比较