煤岩局部化变形及含断层工作面冲击预警研究.pdf

论文题目 煤岩局部化变形及含断层工作面 冲击预警研究 作者姓名王海蝰 专业名称果贮王翟 指导教师程国强 论文提交日期 论文答辩日期 授予学位日期 入学时间至Q 曼至生鱼月 研究方向芷出塞蛊嚣邂皇随渔 职称塾援 垒Q 曼5 生5 目 至Q 呈生鱼且 专量 S T U D Yo NL o A L I Z E DD E F o R M A T I o No F C o A L ．R o C KA N DR o C K 丑U R S TW A R N I N Go F W O R l I N GE A C EW I T HF A U I J A D i s s e r t a t i o ns u b m i t t e di nf u W d l m e n to ft h er e q u i r e m e n t so ft h ed e g r e eo f M A S T E Ro FP H I L o S o P H Y f r o m S h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y Y u H a i f e n g S u p e r v i s o r P r o f e s s o rC h e n gG u o q i a n g C o l l e g eo fM i n i n ga n dS a f e t yE n g i n e e r i n g J u n e2 0 1 5 声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公认的文献 外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于其它任何学术机关作 鉴定。 A F F I R M A T I O N 硕士生签名 日期 Id e c l a r et h a tt h i sd i s s e r t a t i o n ，s u b m i t t e di nf u W d l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o rt h e a w a r do fM a s t e ro fE n g i n e e r i n gi nS h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y , i s w h o H ym yo w nw o r ku n l e s sr e f e r e n c e do fa c k n o w l e d g e ．T h ed o c u m e n th a sn o tb e e n s u b m i t t e df o rq u a f i f i c a t i o na ta n yo t h e ra c a d e m i ci n s t i t u t e ． S i g n a t u r e D a t e 山东科技大学硕士学位论文 摘要 摘要 利用数值模拟来预演或重现采掘过程中不同区域的应力演化过程，能够预测动力灾害 的可能危险区域，但在数值模拟中，通过用应力与位移监测量来划定冲击危险区域不够严 谨，冲击危险时应力与位移的阀值也会受到许多因素的影响，难以确定。局部化变形作为 岩土材料在荷载作用下常见的一种变形模式，是材料失稳及破坏的起因和前兆，认为材料 的失稳和破坏归因于材料在变形过程中某个局部区域的变形模式发生了分叉，利用该理论 可为数值模拟预测断层冲击地压提供新的研究思路和方法。本文采用临界微小扰动时断层 滑移量分叉现象作为判断断层滑移失稳发生的指标，从而对断层冲击地压临界距离进行有 效预测，对断层冲击地压防治提供科学指导。主要工作如下 1 利用M o h r - C o u l o m b 屈服准则，推导了岩石峰后软化阶段应力斜率，分析了峰后 软化程度对试件失稳的影响；针对弹脆性岩石材料，在满足均匀变形与非均匀变形时的两 组解在满足边界条件和平衡方程时，求出了平面应变条件下的单向压缩时分叉解，并利用 F L A C3 D 模拟结果证实了理论解的正确性，并得到了分叉点与失稳点之间的关系。 2 利用数值模拟的方法，验证了施加缺陷扰动得到的岩石材料分叉点方法的合理 性，提出了一种判断岩石结构稳定性的数值方法，可以有效的解决以往危险阀值主观确定 的问题。试件的应力分叉点位置都在应力峰值之后，对试件中间位置的扰动对应力分叉的 影响比较敏感。含弱面试件轴向应变增大到一定程度时，试件基体会发生滑移。无弱面的 试件的应力峰值远远大于有弱面试件的应力峰值。 3 采用F L A C3 D 数值模拟软件模拟了试件的剪切带形成过程。端面效应影响着试 件剪切带的形成，在不同的端面条件下，试件的剪切带形状不同。对含有缺陷的岩石试件， 剪切带总是从缺陷位置处开始启动，缺陷位置对剪切带最终的形状影响比较显著。 4 通过对含断层冲击工作面回采过程数值模拟研究，采用微小扰动断层滑移响应 准则对断层冲击地压发生机制进行理论分析。研究利用微小扰动时断层滑移量分叉准则作 为判断断层冲击失稳预警的指标，并对断层冲击地压I 临界距离的有效预测。 5 根据集贤煤矿西二采区地质条件和开采条件，采用数值模拟的手段对断层滑移 失稳过程进行研究。并根据峰前缺陷扰动时断层面应力、位移分叉点对断层冲击地压危险 区域进行了初步划分，并得到了现场实测的证明。 关键词局部化变形；断层冲击失稳；分叉缺陷；扰动；F L A C3 D 山东科技大学硕士学位论文 A B S T R A C T A B S T R A C T U s i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt or e h e a r s eo rr e p r o d u c es t r e s se v o l u t i o nd u r i n ge x c a v a t i o ni n d i f f e r e n tr e g i o n sm a yb ea b l et op r e d i c tt h er i s ko fr e g i o n a lp o w e rd i s a s t e r , b u tm o n i t o r i n gt h e a m o u n to fs t r e s sa n dd i s p l a c e m e n tu s e dt od e l i n e a t et h ei m p a c to ft h ed a n g e rz o n ei sn o tp r e c i s e e n o u g hd u r i n gt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，t h es t r e s sa n dd i s p l a c e m e n tt h r e s h o l d sa r ea l s oa f f e c t e d b ym a n yf a c t o r s ，i ti sd i f f i c u l tt o d e t e r m i n e ．L o c a l i z e dd e f o r m a t i o na sag e o t e c h n i c a lm a t e r i a l u n d e rl o a d sac o m m o nm o d eo fd e f o r m a t i o ni st h ei n s t a b i l i t ya n dp r e c u r s o ro fi n s t a b i l i t ya n d d e s t r u c t i o n ．D e f o r m a t i o nl o c a l i z a t i o nt h e o r yd e s t a b i l i z a t i o na n dd e s t r u c t i o no ft h em a t e r i a ld u e t ot h em a t e r i a ld u r i n gd e f o r m a t i o nm o d eo fd e f o r m a t i o no c c u r r e di nal o c a l i z e da r e ao ft h e b i f u r c a t i o n ，t h a ti s ，i t ss t r e s s s t r a i nr e l a t i o n s h i pi sb i f u r c a t i o n ，a n dt h et h e o r yp r o v i d e sn e w r e s e a r c hi d e a sa n dm e t h o d sf o rt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ff a u l tr o c k b u r s t ．I nt h i sp a p e r , u s i n g f a u l ts l i pb i f u r c a t i o ni st od e t e r m i n et h ei n d i c a t o r so ff a u l ts l i pi n s t a b i l i t yw h e nas m a l l p e r t u r b a t i o no c c u r r e db a s e do nm i n i n gd i s t u r b a n c ei n d u c e df a u l tm e c h a n i s m o fr o c k b u r s t ．I tC a n p r e d i c tf a u l tr o c k b u r s tc r i t i c a ld i s t a n c eo ft h ef a u l tr o c kb u r s tp r e v e n t i o na n dp r o v i d es c i e n t i f i c g u i d a n c ee f f e c t i v e l y ．T h em a i n w o r ki sa sf o l l o w s I U s i n go fM o h r - C o u l o m by i e l dc r i t e r i o n ，s l o p e a f t e rp e a ks t r e s ss o f t e n i n gs t a g ei s d e r i v e d ，a n dt h ed e g r e et os o R e nt h ei m p a c to ft h ei n s t a b i l i t yo ft h es p e c i m e ni sa n a l y z e d ． B i f u r c a t i o np o i n tp o s i t i o ns o l u t i o ni se x p l o r e db yu s i n ge l a s t i ct h e o r ya n dd a m a g et h e o r y ． B a l a n c ee q u a t i o ni sd e r i v e di np l a t ew i t hc i r c u l a rh o l e sc o n s i d e r i n gd a m a g ea n df o u n dt h e l o c a t i o no fb i f u r c a t i o nu n d e rp l a n es t r a i nc o n d i t i o n ． 2 T h eu n i a x i a lc o m p r e s s i o nt e s ta p p l i e dt o f i n dt h ed e f e c t so fd i s t u r b a n c es t r e s s b i f u r c a t i o np o i n ta n dm o n i t o r i n gt h es p e c i m e nt of i n do u tt h es t r e s sl a t e r a ls t r a i nb i f u r c a t i o n p o i n tp o s i t i o ni sc o n s i s t e n t ，t h i sp a p e rp u t sf o r w a r dad i s t u r b a n c ec a u s e db yt h eb i f u r c a t i o n p h e n o m e n at oj u d g ew h e t h e rt h ei n i t i a le q u i l i b r i u ms t a t eo fi n s t a b i l i t yb yt h em e t h o do fm i c r o d e f e c t s ．T h es t r e s so fb i f u r c a t i o np o i n ti sa f t e rt h es t r e s sp e a k ，i ti sm o r es e n s i t i v et oi m p a c t s t r e s sb i f u r c a t i o nw h e nt h es p e c i m e nm e d i a l l yd i s t u r b e d ．S p e c i m e nm a t r i xs l i p p a g eO C C u r Sw h e n t h ea x i a ls t r a i ni n c r e a s e st oac e r t a i ne x t e n t ．S t r e s sp e a k so fs p e c i m e n sw i t h o u tw e a ks u r f a c ei s f a rg r e a t e rt h a ns p e c i m e n sw i t hw e a k ’S ． 3 U s i n gt h eF L A C3 Ds o f t w a r es i m u l a t e st h es h e a rb a n do ft h es p e c i m e nf o r m a t i o n p r o c e s s ，a n dw ec a nv e r i f yt h er e a s o n a b l e n e s so ft h e s o f t w a r et h a tc o m e sw i t ht h es t r a i n h a r d e n i n g - s o f t e n i n gm o d e ls i m u l a t i o no fs h e a rs t r a i nl o c a l i z a t i o nb a n d s ．S u r f a c ee f f e c t sc o u l d a f f e c tt h ef o r m a t i o no fs h e a rb a n d ss p e c i m e n su n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n so ft h ee n ds u r f a c es h e a r 山东科技大学硕士学位论文 A B S T R A C T s p e c i m e n sw i t hd i f f e r e n ts h a p e s ．R o c ks p e c i m e n ss h e a rb a n d sa l w a y ss t a r t e df r o mt h e d e f e c t p o s i t i o n ，a n dt h ed e f e c tp o s i t i o ni sr e l a t i v e l ys i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo nt h ef i n a ls h a p eo ft h es h e a r z o n e ． 4 U s i n gs m a l lp e r t u r b a t i o nf a u l ts l i pr e s p o n s ec r i t e r i aa n a l y z et h em e c h a n i s mo ff a u l t r o c k b u r s td u r i n gn u m e r i c a ls t u d yo ft h ei m p a c to fi n s t a b i l i t yp r o c e s s ．U s i n gf a u l ts l i pi n d i c a t o r s b i f u r c a t i o nc r i t e r i aj u d g e st h ei m p a c to fi n s t a b i l i t yw h e nas m a l lp e r t u r b a t i o no c c u r r e d ，a n dw e c a np r e d i c tf a u l tr o c k b u r s tc r i t i c a ld i s t a n c e ． 5 R e s e a r c hf a u l ts l i pi n s t a b i l i t yp r o c e s su s i n gn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt o o l sa c c o r d i n gt ot h e g e o l o g i c a lc o n d i t i o n sa n dm i n i n gc o n d i t i o n so f J i x i a nm i n ew e s td i s t r i c t ．A n dp r e l i m i n a r yd i v i d e f a u l tr o c k b u r s td a n g e rz o n ea c c o r d i n gt ot h ef a u l tp l a n es t r e s sa n dd i s p l a c e m e n tb i f u r c a t i o nw h e n d e f e c t sd i s t u r b e d ，a n di th a sb e e np r o v e ni nt h ef i e l dt e s t K e y w o r d s l o c a l i z e dd e f o r m a t i o n ；f a u l ti m p a c ti n s t a b i l i t y ；b i f u r c a t i o n ；d e f e r ；d i s t u r b a n c e ； F I ，A C3 D 山东科技大学硕士学位论文 目录 目录 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 选题的背景和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．3 主要研究内容及技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 煤岩材料应变局部化失稳理论分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．1 应变局部化与失稳现象⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2 煤岩材料的软化失稳及判据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．3 弹脆性岩石材料的分叉分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 8 2 ．4 应变局部化分叉数值模拟的实现⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 3 煤岩材料局部化分叉及剪切带数值模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 0 3 ．1 缺陷扰动确定分叉点的建模研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 3 ．2 缺陷扰动对试件局部化分叉的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 3 3 ．3 含弱面试件局部化分叉模拟结果及分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 5 3 ．4 平面应变条件下岩石试件局部化剪切带数值模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 4 扰动诱发断层冲击失稳机理研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5l 4 ．1 含断层工作面回采过程的数值研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 l 4 ．2 采掘扰动诱发断层冲击地压的机制分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 8 4 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 0 5 工程应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 2 5 ．1 工程地质条件概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 2 5 ．2 西二采区含断层工作面冲击失稳预测预警⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 4 5 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 9 6 主要结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 0 6 ．1 结j - 呛⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 0 山东科技大学硕士学位论文．目录 6 ．2 创新点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 6 ．3 不足与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 j 改谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 3 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 4 主要成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 9 山东科技大学硕士学位论文 C b n t e n t s C o n t e n t s 1I n t r o d u c t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1B a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo f t h er e s e a r c h ⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．2R e s e a r c hs t a t u so f d o m e s t i ca n do v e r s e a s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 ．3M a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n dm e t h o d s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2C o a l - r o c km a t e r i a ls t r a i nl o c a l i z a t i o ni n s t a b i l i t yt h e o r ya n a l y s i s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 。lS t r a i n l o c a l i z a t i o n a n d i n s t a b i l i t y p h e n o m e n o n ⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．2S o f t e n i n gi n s t a b i l i t ya n dc r i t e r i o no f c o a l - r o c km a t e r i a l s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．3B r i t t l em a t e r i a lb i f u r c a t i o nt h e o r ya n a l y s i s ⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．18 2 ．4N u m e r i c a ls i m u l a t i o no f s t r a i nl o c a l i z a t i o nr e a l i z a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯弘 2 ．5S u n m m r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3C o a l - r o c km a t e r i a lI o c a l i z e ds h e a rb a n da n db i f u r c a t i o ns i m u l a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 0 3 ．1N u m e r i c a ls i m u l a t i o ns t u d yo f l o c a l i z e ds h e a rr o c ks p e c i m e nu n d e rp l a n es t r a i nc o n d i t i o n ⋯⋯3 0 3 ．2M o d e l i n gr e s e a r c ho f u n i a x i a ls p e c i m e nl o c a l i z a t i o nb i f u r c a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 3 3 ．3D e f e c t sd i s t u r b a n c eo nt h es p e c i m e nl o c a l i z a t i o nb i f u r c a t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 3 ．4S i m u l a t i o nr e s u l t sa n da n a l y s i so f s p e c i m e nw i t hf r a c t u r el a y e rl o c a l i z a t i o nb i f u r c a t i o n ⋯⋯⋯．．4 0 3 ．5S u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．51 4R e s e a r c ho np e r t u r b a t i o n si n d u c e di n s t a b i l i t ym e c h a n i s mf a u l ti m p a c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 4 ．1N u m e r i c a ls t u d yo nt h ef a u l tr o c k b u r s tp r o c e s s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 3 4 ．2M e c h a n i s ma n a l y s i so f t h ef a u l tr o c k b u r s tw i t hp e r t u r b a t i o n si n d u c e d ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6 1 4 ．3S u m m a r y ⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 3 5E n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 q I 5 ．1E n g i n e e r i n gg e o l o g i c a lc o n d i t i o n so u t l i n e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 4 5 ．2 W e s t d i s t r i c t i n c l u d i n g t h e i m p a c t o f i n s t a b i l i t y f a c e f a u l t p r e d i c t i o n a n d w a r n i n g ⋯⋯⋯⋯⋯⋯一6 6 5 ．3S u m m a r y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 6M a i nc o n c l u s i o n sa n dp r o s p e c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ ⋯⋯。7 2 6 ．1M a i nc o n l u s i o n s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 2 6 。2I n n o v a t i o nP o i n t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 4 6 ．3O u t l o o k s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．7 4 A c k n o w l e d g m e n t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 5 R e f e r e n c e s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 6 M a i nw o r ka c h i e v e m e n t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 1 山东科技大学硕士学位论文绪论 1 ．1 选题的背景和意义 近年来，随着我国现代化建设快速、持续的发展，对能源的需求量越来越大，在一次 性能源消费结构中煤炭占6 5 ％左右。专家预测，为了满足未来国家经济建设的需要，在相 当长的历史时期内仍需要确保煤炭资源稳定而高产，到2 0 2 0 年，中国的煤炭产量占世界 煤炭产量的比例将由目前的3 5 ％提高到5 0 ％左右【1 1 。随着煤炭开采深度的增加，地质条件 的复杂，冲击地压事故发生频次也呈增加趋势。通过对冲击地压发生规律统计分析发现， 冲击地压灾害往往在地质构造发育的区域更容易发生。据统计【2 1 ，由于断层等地质构造因素 诱发的冲击地压事故占所有事故比例接近6 4 ．1 8 ％。 许多学者在对冲击地压的现场调查和实验室研究的基础上，相继从不同的角度提出了 一系列关于冲击地压的重要理论。但是，由于冲击地压等岩石力学问题的复杂性以及我们 现阶段认识的局限性，在预测冲击地压方面还存在一些问题。随着计算机技术的发展，数 值模拟方法越来越多的应用于矿山动力灾害的预测。在采掘过程中利用数值模拟来实现不 同地质区域的应力演化过程，能够预测动力灾害发生的可能的危险区域。但在数值模拟中， 通过用应力与位移监测量来划定冲击危险区域不够严谨，冲击危险时应力与位移的阀值也 会受到许多因素的影响，根本难以确定。因此，在数值模拟过程中，通过简单监测应力与 位移的方法预测冲击危险区域有些困难。 随着非线性理论的发展，尤其是应变局部化分叉理论的发展，冲击地压是处于非平衡 态状态时煤岩承载体在外界扰动下发生的动力失稳。当煤岩材料的应力超过其应力峰值强 度后，会出现包括裂纹在内的广义变形区，在该区内煤岩材料处于非稳定平衡状态，其力 学性质发生了显著变化，此时在外界的扰动下即会产生动力失稳现象【3 】。 本文通过对岩石试件的局部化变形数值模拟分析，并采用分叉点来判断破坏初始的平 衡状态是否发生失稳，这能够为冲击地压的理论研究提供新的思路及方法，从而以新的角 度去认识、掌握冲击地压发生的机理和条件。依据采掘扰动诱发断层冲击地压的发生机制， 采用数值模拟的研究手段，利用临界微小扰动时断层滑移量分叉现象作为判断断层滑移失 稳发生的指标，从而对断层冲击地压临界距离进行有效预测，为断层冲击地压的现场预测 和防治提供科学指导，对保障矿山安全、高效生产具有非常重要意义。 山东科技大学硕士学位论文绪论 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 冲击地压机理的研究现状 冲击地压是煤矿开采过程中最典型的动力灾害之一，它以突然、猛烈的形式抛出煤岩 体，造成工作面支架损坏、巷道片帮冒顶、伤及人员，并造成巨大的声响和岩体震动‘4 1 。 冲击地压孕育和发生过程是围岩应力在一定条件下，打破原有的极限平衡状态而引起的煤 岩体突然破坏，并且释放大量能量，它严重威胁着矿井的正常生产和安全。 在冲击地压的发生机理方面，许多学者通过对冲击地压现场调查和实验室研究的基础 上，相继从不同的角度提出了一系列关于冲击地压的重要理论 冲击地压的强度理论【5 1 以煤岩体局部应力与强度的关系为出发点，解释一些冲击地压 现象。当煤岩体局部应力超过强度而发生失稳，即 仃≥仃’ 1 ．1 但是该理论对冲击地压动力发生特征描述不能完全解释，不能为冲击地的发生提供充 分的判据。 能量理论[ 6 】从能量的转化方面解释了冲击地压的成因，如果支架．围岩力学系统在其力 学平衡状态破坏时产生的能量大于消耗的能量，即发生冲击地压。考虑到发生冲击地压时 能量转换的不均匀性和时间效应，所以，采用单位时问的能量释放和消耗作为判据 口 警] 4 - ∥ 警] 铡 ㈦2 ， 式中坨一围岩存储的能量 w 。一矿体存储的能量； 口一围岩释放能量有效系数； ∥一矿体释放能量有效系数； ％．消耗于矿体一围岩交界处和矿体破坏阻力的能量。 该理论只是基于纯弹性的煤岩体，不符合冲击地压造成煤岩体破坏的事实，特别是围 岩释放能量的条件。 刚度理论由C o o k 等人【6 - 7 】在2 0 世纪6 0 年代提出的，该理论根据刚性试验机分析得来， 认为矿山结构的刚度大于围岩一支架刚度是产生冲击地压的必要条件。刚度理论只是简单 的分析矿山结构的刚度与围岩一支架刚度的关系，没有考虑到矿山结构与矿山负荷系统本身 可以存储和释放能量。 山东科技大学硕士学位论文 绪论 冲击倾向性理论从煤岩体的属性和固有能力方面研究，认为煤岩体的固有属性是产生 冲击地压的内在因素。赵毅鑫、姜耀东等1 舡1 0 1 研究发现不连续性和非均质煤体对动态裂 纹扩展模式和速度有较大影响，冲击倾向性的煤岩内裂纹扩展具有高度的非线性特征。 失稳理论【1 1 J 2 1 以稳定性理论为基础研究材料的破坏形式，该理论解释冲击地压的实质 是变形系统的软化特性是发生冲击地压的必要条件。该理论的缺点是没有对冲击地压的 发生条件进行具体分析。潘一山【1 3 1