煤岩体破坏机理与冲击倾向性研究.pdf

硕士学位论文 煤岩体破坏机理与冲击倾向性研究 I n v e s t i g a t i o no n f a i l u r em e c h a n i s ma n db u m p i n gt e n d e n c yo f c o a l - r o c kc o m b i n e db o d y 学2 1 2 0 6 0 1 4 大连理工大学 D a l i a nU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y 万方数据 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目 础垂谧拯血盟红蕴垄褪．臼丝堑宝 作者签名 ．舀拯盘． 日期拗堇年』月工曰 万方数据 大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着浅部煤矿资源的开采逐渐枯竭，煤矿开采深度的持续增加，随之而来的灾害问 题越来越严重。尤为代表的是深部煤矿的大量开采过程中，在矿井的巷道中预留的各种 煤柱，这些煤柱的功能是对巷道起到支撑。如果煤柱的稳定性受到影响，那么造成的灾 难将难以想象。煤柱主要是由煤体和岩体两部分组成，二者结合后的力学特性会影响到 煤柱的整体稳定性。煤矿冲击矿压事故发生频率越来越高，严重威胁了我国煤矿生产行 业的发展。从本质上来讲，岩爆的发生必须满足三个要素强度条件 煤岩体所受应力 超过其自身强度，煤岩体发生破坏 ，能量条件 煤岩体有积聚和突然释放能量的能力 ， 煤岩体本身含有冲击倾向特性 当受外部荷载作用下，煤岩体具有脆性破坏的能力 。 冲击倾向性是一个充分条件，没有煤岩体的突然破坏，冲击矿压现象就不会发生。但是 因为煤岩体具有不同于单体岩石的力学特性，因此将煤与岩石作为一个组合体来进行研 究对于预测和防治冲击矿压具有重要作用。 本文使用R F P A 对不同倾角、不同组合方式、不同围压煤岩体的冲击失稳破坏进行 模拟采用单轴和三轴载荷作用下，对不同倾角界面模型的强度与声发射现象进行分析， 以探索不同煤岩倾角与围压相互作用下对冲击破坏的影响；选用不同组合条件下单轴和 三轴载荷作用下的煤岩体，对煤岩体的破坏机制进行分析，并利用计算结果中的冲击能 量指数和声发射能量释放特点对冲击倾向性进行深入研究。研究得到的结果表明 1 在岩层厚度和围压对煤岩整体稳定性的研究中发现，随着岩层厚度与围压值 的增加，组合体峰值强度与残余强度升高，声发射的能量峰值提高，煤岩体的脆性破坏 与冲击倾向性增强。 2 基于数值模拟分析得到的结果，煤岩体的破坏主要发生在煤体内部，单轴压 缩下以剪切破坏为主，裂纹形状为V 型常规三轴压缩下以剪切破坏和挤压破碎为主， 裂纹形状主要为M 型。 3 围压的提高降低了煤岩体的脆性破坏程度，顶板．煤体和顶板一煤体一底板的抗 压强度逐渐趋近，说明围压对强度的影响程度超过了组合方式。 4 由冲击能量指数和声发射演化规律可知，相同围压下项板．煤体的冲击倾向 性比顶板．煤体．底板的冲击倾向性更强。 5 模拟结果发现煤岩体的声发射能量特性与抗压强度呈现相同的变化规律，倾 角越大，冲击破坏的危险性越低，界面滑移破坏的危险性越高。 万方数据 煤岩体破坏机理与冲击倾向性研究 6 通过分别模拟倾角与围压对煤岩体变形破坏时强度的影响，得到煤岩体倾 角越小、围压越大，煤岩体的抗压强度越大。相同围压下，倾角越大，煤岩体抗压强度 降低的速率越快，煤岩体在高地应力大倾角下抗压强度大小主要由围压来决定。 7 在应用数值分析软件R F P A 模拟不同倾角的试验中发现了，含有倾角煤岩体 的破坏模型以4 5 0 倾角为界限，分为压剪破坏和界面滑移破坏两种，当a 4 5 。时，煤岩 体呈现压剪破坏特征当眨4 5 。时，破坏模式转变为以煤岩交界面的滑移破坏为主。 关键词煤岩体倾角；围压；R F P A 破坏机制；声发射；冲击倾向性 万方数据 大连理工大学硕士学位论文 I n v e s t i g a t i o no nf a i l u r em e c h a n i s ma n db u m p i n gt e n d e n c yo fc o a l r o c k c o m b i n e db o d y A b s 仃a c t A st h es h a l l o wc o a lr e s o u r c e sd r y i n gu pa n dt h ec o a lm i n i n gd e p t h i n c r e a s i n g ，t h e r ea r e m o r ea n dl I 】o r ed i s a s t e ra p p e a r s ．I nt h ep r o c e s so fah r g en u m b e rd e e pc o a lm i n i n g ，t h e r ea l e s or m n yk i n d so fc o a lp i l l a rr e s e r v e di 1 1t h ei n i n et u n 地l , t h ef u n c t i o no ft h e s ec o a lp i l l a r si s s u p p o r tt h et u n n e LT h ed i s a s t e rw i l lb eh a r dt oi m a g i n e i ft h ec o a lp i l l a r s t a b i l i t ya l e i n f l u e ∞e d ．T h ec o a lp i l l a ri sr m i n l yc o m i s t so ft h ec o a la n dt h er o c k ．W h e nt h e yc o m b i n e t o g e t h e r , t h ec o m b i n a t i o nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw i l la f f e c tt h es t a b i l i t yo fc o a lp i l l a r ．T l ℃ f r e q u e n c yo ft h er o c kb u r s td i s a s t e ri I lc o a l m i n e si sh i g h e ra n dh i g h e r ．i th a sb e c o m ea s e r i o m t h r e a tt ot h ed e v e l o p m e n to fo I l rc o u n t r y sc o a li n d u s t r y ．I ne s s e n c e ，t h er o c k - b u r s tm u s t s a t i s f yt h r e ec o n d i t i o n s t h es t r e n g t hc o n d i t i o n w h e nt h es t r e s ss u f f e r e db yt h ec o a la n dr o c k i sm o r et h a ni t ss 仃e n 西l l ，c o a la n dr e e kw i l lb ed a m a g e d ，t h ee n e r g yc o n d i t i o n t h ec o a la n d r o c kc o m b i n e db o d yh a st h ea b i l i t yt oa c c u m u l a t ea n dr e l e a s ee n e r g ys u d d e n l y ，t h ec o a t - r o c k c o m b i n e db o d yh a sb u m p i n gt e n d e n c y i th a st h ea b i l i t yt oe m e r g eb r i t t l ef a i l u r ew i t h p r o m i n e n ts t r e s sd e c r e a s e ．r n 硷b u m p i n gt e n d e n c yi sas u f f i c i e n tc o n d i t i o n , i ft h ec o a la n d r o c kc o m b i n e db o d yd o e sn o td e s l r o y , t h ep h e n o m e mo fr o c k - b u r s tw i l ln o th a p p e r l - B u t b e c a u s et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h ec o a la n dr o c kc o m b i n e db o d yi sd i f f e r e n tf r o mt h e i n d i v i d u a lr o c k ，t h u sm k i n gt h ec o a la n dt h er o c ka Sac o m b i n a t i o nt h a tb e c o m i n ga n i m p o r t a n tr o l ef o rt h ep r e d i c t i o na n dp r e v e n t i o no f t h er o c kb u r s t T h i sa r t i c l eu s e st h en u m e r i c a la n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o ns o f t w a r eR F P At os i m u l a t et h e c o a l - r o c kc o m b i n e db o d y si m p a c tf a i l u r ef r o mt h r e ea s p e c I s i n c l i n e da n g l e s 、d i f f e r e n t c o m b i n a t i o nm e t h o d sa n dc o n f i n i n gp r e s s u r e ．I no r d e rt o e x p b r et h ei n f l u e n c eo ft h e i n t e r a c t i o nb e t w e e nd i f f c r e r ai n c l i n e da n g l e so ft h ec o a l - r o c kc o m b i n e db o d ya n dc o n f i n i n g p m s s Ⅲeo nt h ei m p a c td a m a g e ，t h u st h e r ea r es o m en u r m r i c a lt e s t st oa n a l y z es t r e n g t ha n d A Ep h e n o m e n o no f t h ed i f f e r e n ti n t e r f a c ei n c l i n e da n g l e sc o a l - r o c kc o m b i n e db o d ys e v e r e l y u n d e ru n i a x i a la n dt r i a x i a lc o m p r e s s i o n ．I no r d e rt oa n a l y z et h ef a i l u r em e c h a n i s m ，t h ea r t i c l e c h o o s e sd i f f e r e n tc o m b i n a t i 0 1 “ 1C O n d i t i o n so f t h ec o a la n dt h er o c ku n d e ru n i a x i a la n dt r i a x i a l c o m p r e s s i o n , t h e nu s e dt h er e s u l t so ft h ei m p a c te n e r g yi n d e xa n dA Ee n e r g yc h a r a c t e r i s t i c s t 0d of u r t h e rr e s e a r c ho nb t a n p h gt e n d e n c y ．丑圮r e s e a r c hr e s u l t ss h o wt h a t 1 I nt h es t u d yo ni n f l u e n c eo fr o c kt h i c k n e s sa n dc o n f i n i n gp r e s s u r ef o rc o a l - r o c k s t a b i l i t yi n d i c a t e s t h eb r i t t l ef a i l u r ea n dt h eb u m p i n gt e n d e n c yo ft h ec o a l - r o c kc o m b i n e d ．．I I I ．． 万方数据 煤岩体破坏机理与冲击倾向性研究 b o d i e sw i l le n h a n c ew i t ht h ei n c r e a s eofr o c kt h i c k n e s sa n dt h ec o n f i n i n gp r e s s u r ev a l u ea n d t h ep e a ks t r e n g t h 、r e s i d u a ls t r e n g t ha n dA Ee n e r g yp e a ki n c r e a s e s ．a sw e l l ． 2 B a s e do nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h ed e s t r u c t i o no ft h ec o a l r o c k c o m b i m t i o nm a i n l yo c c u r si nt h ec o a lb o d y ．T h ef a i l u r er m d ei ss h e a rf a i l u r eu n d e rt h e u n i a x i a lc o m p r e s s i o n , i t sc r a c ks h a p ea p p e a r sa s ”V ”；t h ef a i l u r em o d ei ss h e a rf a i l u r ea n d e x t r u s i o nu n d e rt h el r i a x i a lc o m p r e s s i o n , i t sc r a c ks h a p en m a l yp r e s e n tf o rM t y p e ． 3 T h ei n c r e a s eo ft h ec o n f i n i n gp r e s s u r er e d m e st h ed e g r e eo ft h ec o m b i n a t i o n ’S b r i t t l ef a i l u r e ．T h es t r e n g t ho fh a r dr o o f - c o a lb o d ya n dh r dr o o f - c o a lb o d y - f l o o ri sg r a d u a l l y c l o s i n gt oe a c ho t h e r ．T h u si ts e e m st h a tt h ed e g r e eo fi n f l u e n c eo fc o n f i n i n gp r e s s u r eo n s t r e n g t hm o r et h a nt h ec o m b i n a t i o n ． 4 A c c o r d i n gt o t h ei m p a c te n e r g yi n d e xa n dA Ee v o l u t i o nr u l e s ，t h eb u m p i n g t e n d e n c yo fl 】a r dr o o f - c o a lb o d yi s n l o r et h a n1 1 a r dr o o f - c o a lb o d y - f l o o ru n d e rt h es a m e c o n f i n i n gp r e s s u r e ． 5 S i m u l a t i o nr e s u l tw a sf o u n dt h a tt h eA Ee n e r g yc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h es t r e n g t ho f t h ec o a F r o c kc o m b i n e db o d yi n d i c a t e dt h es a m ev a r i a t i o nr e g u h t i o mA st h ei n c l i n e da n g l e b e c o m e sl a r g e r ，t h er i s ko ft h er o c k b u r s tb e c o m e sb w e ra n dt h er i s ko fi n t e r f a c i a ls l i d i n g f a i l u r ei sh i g h e r ． 6 I ti sr e s p e c t i v e l yt os t u d yt h ei n f l u e n c eo f t h ei n c l i n e da n g l e sa n dc o n f i n i n gp r e s s u r e o nt h es t r e n g t ho fc o a l - r o c kc o m b i n e db o d yd e f o r m a t i o na n dd e s t r u c t i o n ．I ft h ei n c l i n e d a n g l e so ft h ec o a l - r o c kc o m b i n e db o d yi ss m a l l e ra n dt h ec o n f i n i n gp r e s s u r ei sh i g h e r , t h e s t r e n g t ho f t h ec o a la n dr o c kc o m b i n e db o d yw i l lb e c o m eg r e a t e r ．U n d e rt h es a m ec o n f i n i n g p r e s s u r e ，t h er e d u c t i o nr a t eo ft h ec o a la n dr o c kc o m b i n e db o d ys t r e n g t hi sf a s t e rw i t ht h e i n c l i n e da n g l e si n c r e a s e s ．U n d e rt h eh i g hg e o s t r e s sa n dl a r g ei n c l i n e da n g l e s ，t h es t r e n g t ho f t h ec o a l - r o c kc o m b i n e db o d yi sm a i n l yd e t e n n i n e db yc o n f i n i n gp r e s s u r e ． 7 T h er e s e a r c ho nd i f f e r e n ti n c l i n e da n g l e so f t h ec o a k r o c kb o d yt h a th a db e e nf o u n d w i t hn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r eR F P Ar e v e a l st h a tt h ec o a P r o c kc o m b i n e db o d y ’S d a m a g em o d e lu n d e rt h ed i f f e r e n ti n c l i n e da n g l e si sl i n ew i t h4 5O ，i td i v i d e di n t ot w Ok i n d so f r m d e l t h es h e a rc o m p r e s s i o nf a i l u r ea n dt h ei n t e r r a c i a ls l i d i n gf a i l u r e ．W h e na 4 5 0 ， c o a P r o c kc o m b i n e db o d yp r e s e n t e dt h ec h a r a c t e r i s t i co f s h e a rc o m p r e s s i o nf a i l u r e ；w h e no ≥ 4 5 ，f a i l u r em o d et Ⅲn e di n t oi n t e r f a c i a ls l i d i n gf a i l u r e ． K e yW o r d s c o a l - r o c kc o m b i n e db o d y ；i n c l i n e da n g l e s ；c o n f i n i n gp r e s s u r e ；R F P A ； f a l s e m e c h a n i s m ；A E ；b u m p i n gt e n d e n c y I V 万方数据 大连理工大学硕士学位论文 目录 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I A b s t r a c t ．．⋯⋯．⋯⋯⋯．．⋯．．．．．．．．⋯⋯．．．⋯．⋯．⋯⋯．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．I I I 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 1 ．1研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l 1 ．2 国内外研究概况及发展趋势⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．1 冲击矿压研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ．2 ．2 煤岩冲击倾向性理论研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 ．3 煤岩损伤本构的理论研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．2 ．4 近代学者研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 1 ．2 ．5目前研究中存在的问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．3 主要研究内容以及技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 ．3 ．1 研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 ．3 ．2 技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 煤岩体各几何因素对破坏机理和强度的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．2 统计损伤理论及R F P A 介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．3 模型介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 2 ．4 数值模拟结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．4 ．1 岩层含量对破坏机理的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 3 2 ．4 ．2 岩层含量对峰值强度及残余强度的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 5 2 ．4 ．3 岩层含量对应变的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 6 2 ．4 ．4 煤岩倾角对破坏机理的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 8 2 ．4 ．5 煤岩倾角对峰值强度的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。2 0 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 l 3 围压对冲击破坏机理和强度的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 3 ．2 模型介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 2 3 ．3 数值模拟结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 3 ．3 ．1围压对不同岩层厚度煤岩体破坏机理的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 3 3 ．3 ．2 围压对不同岩层厚度煤岩体强度的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 7 3 ．3 - 3 围压对不同岩层厚度煤岩体应变的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 9 万方数据 煤岩体破坏机理与冲击倾向性研究 3 ．3 ．4围压对不同界面倾角煤岩体破坏机理的影响⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯．3 0 3 ．3 ．5围压对不同界面倾角煤岩体强度的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯一3 2 4 不同岩层构造煤岩体的冲击倾向性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 4 ．1引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 4 ．2 数值模拟结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 4 ．2 ．1不同岩层构造的冲击能量指数变化规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 4 4 ．2 ．2 不同岩层构造的声发射演变规律⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 6 4 ．3 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 9 5 界面模型的声发射演变规律和冲击特性研究⋯⋯“⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 5 ．1引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 5 ．2 界面倾角对煤岩体的冲击倾向性影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 5 ．3围压对煤岩体的冲击倾向性影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 5 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 4 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 6 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 大连理工大学学位论文版权使用授权书⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 4 万方数据 大连理工大学硕士学位论文 l绪论 1 ．1 研究意义 矿产资源在国民经济与社会发展中有着不可替代的作用，它是人类社会发展进步赖 以生存和发展的物质基础。中国的经济总量很大，但是人均的G D P 很少，还远远不如 西方发达国家。因此发展经济是我国目前的头等大事，而能源作为经济发展的动力则是 国家战略的重中之重。在我国，长久以来处于支配地位的主要能源矿产是煤矿资源。我 国的煤矿储量巨大，同时煤炭的价格便宜，非常适宜我国目前的国情，因此我国的能源 消费结构也要从这个国情出发。2 0 0 8 年，在中国一次能源结构中，煤炭资源的消费占比 为6 9 ．4 ％，水电、核电及风电占比为7 ．2 ％，石油消费占比为2 0 ．0 ％，天然气消费占比为 3 ．4 ％。目前我国正在进入全面建设小康社会的阶段，因此对于煤炭资源的消费需求必然 是巨大的，在我国的能源战略中，也已经明确了“以煤炭资源为主体的能源战略”。所以， 在相当长的时间内煤炭资源依然会是我国的主要能源，煤炭产业的可持续发展也将会是 关乎国家能源安全的重大问题。 一原煤． 7 2 ％ 3 ．4 ％ 图1 ．12 0 0 8 年前8 个月我国能源消费图 F i g ．1 ．1F i r s te i g h tm o n t h so f2 0 0 8C h i n a se n e r g yc o n s u m p t i o nd i a g r a m 近些年，地表和浅层的煤矿资源基本上已经开采枯竭，因此深部煤矿的开采成为了 一种新的趋势。深部煤矿开采有其独特的特点，首先是随着深度的加深，会遇到很多浅 部开采中所没有的灾害。其中危害最大的也是最难预测的就是冲击矿压事故，由于冲击 矿压是在毫无征兆的情况下发生，因此给灾害预警带来了很大的困难。其次是煤矿的其 他灾害问题也会变得突出，如项板垮落、突水等，这些都是具有突发性和破坏性的灾害。 其中，冲击矿压又因为其具有的突发性和巨大破坏性，给我国的煤矿生产造成了巨大的 财产损失和人员伤亡。冲击矿压一般没有明显的宏观预兆，难于预先预测其发生的时间、 万方数据 煤岩体破坏机理与冲击倾向性研究 地点和强度，因此被称为煤矿安全生产的‘镐症”。冲击矿压根据它发生时的应力状态不 同，可以分为重力型冲击矿压、构造应力型冲击矿压、中间型冲击矿压 重力型．构造 型 三种。 图1 ．2 为矿井冲击矿压的典型现场图片。 图1 ．2 冲击矿压灾害现场图 F i 9 1 ．2T h ed i s a s t e ro fr o c kb u r s ts c e n es k e t c h 世界历史上发生过的冲击矿压事故有很多，其中英国是最早发生并且记录到冲击矿 压的国家。截止到目前，全世界的已经开采的煤矿发生的冲击矿压事故多达三万多次， 冲击矿压灾害基本上没有停止过。中国最早发生冲击矿压事故的矿井是在上世纪三十年 代的抚顺胜利矿。根据研究i 在上世纪八十年代，我国煤矿开采深度大多在三百米左右， 当时已经有三十多次的冲击矿压记录；随着开采深度的增大，到二十一世纪初期，深度 已经迅速发展到了七百米左右，一部分比较大型的深矿开采深度到了一千一百米左右。 最近这几年，全国各地的很多煤矿都发生了冲击矿压灾害，造成了很大的人员伤亡和财 产损失，对我国的煤矿安全生产构成了实质性的威胁。所以，研究冲击矿压发生的机理 对预测冲击矿压灾害十分有意义。 1 ．2 国内外研究概况及发展趋势 1 ．2 ．1 冲击矿压研究现状 冲击矿压是危害煤矿安全生产的主要灾害之一，成因是当煤岩组成的力学系统受到 外部荷载的作用，井巷内煤岩体内部积聚的弹性能量达到极限时，煤体和岩体会剧烈的 蹦出，毁坏井巷以及煤柱结构，损毁仪器设备，严重时甚至会导致矿井中作业的人员伤 亡。除了冲击矿压本身的危害外，它还会引起一系列的连锁反应，包括火灾，突水等等， 同时还可能会导致地表严重沉陷。由于冲击矿压发生时，基本上没有事先的预兆，所以 导致很多时候没有采取有效的保护措施。冲击矿压的发生诱因很多，而且具有普遍性， 万方数据 大连理工大学硕士学位论文 很多的国家都发生过。这一危害引起了全世界范围科学家的重视，针对这一现象发生机 理的研究也逐渐成为热点。 近年来，国内以及国际的专家对冲击矿压的研究获得了很多有意义的成果【l - 5 1 ，研 究的重点集中在机制机理、预测、分类等方面，现在研究者们公认的冲击矿压形成的主 要因素坚硬项板、深部煤矿矿井开采的深度、应力集中、煤层的冲击倾向性等等。由 于这些因素与冲击矿压的发生关系密切，因此针对它们的研究，也是学者们研究的重点。 当前已经获得的成果有很多，比如煤矿的采深越大，冲击矿压发生的几率越大；巷道 顶板的强度与厚度越大，冲击矿压突发的可能性越高，而且发生时的程度越剧烈动力 开采中，往往会在巷道的某一区域形成很高的应力集中，这些区域是冲击矿压的多发地， 应该重点监测和防治；具有冲击倾向的巷道煤层，也是冲击灾害的多发区，应当予以重 视。冲击矿压的发生是多种影响因素共同作用的结果，不能只单独针对一种影响因子进 行研究，而是应该把单个影响因子放在其他多个影响因子之中进行研究，从它们相互作 用的过程和结果中找到冲击矿压发生的机理。冲击倾向性是冲击矿压研究中的一个热点 问题，不仅提供了冲击矿压预测预报的理论基础，同时对冲击矿压理论的研究也不可或 缺，并且可以有效加强对于冲击矿压发生的防范和治理。尽管目前针对冲击倾向性的研 究已经有了大量成果，但是关于通过改变煤岩组合体的高度比例建立不同组合情况下的 顶板．煤体和不同围压下的顶板．煤体、顶板．煤体．底板模型，分别展开单轴压缩、三轴 压缩数值试验，分析不同煤岩组合模式及围压对整体破坏机制与冲击倾向性的影响机制 和研究基于界面模型的煤岩体的冲击倾向性的相关研究还是比较少的，因此，研究单轴 压缩下的不同组合方式的顶板．煤体、三轴压缩下的顶板．煤体和顶板．煤体．底板组合模 型和含有界面模型的煤岩体对冲击倾向性的影响机制，对于深入认识冲击矿压失稳机理 和发生条件具有重要意义，为将来更全面、更准确的预测和防治奠定基础。 1 ．2 ．2 煤岩冲击倾向性理论研究现状 当煤岩体拥有储存和聚集弹性应变能的能力，同时在聚集的能量超过自身的强度极 限后会突然释放，这时所释放出来的各种物理力学性质的总和就是煤岩体的冲击倾向 性。世界上承受过很多次冲击矿压灾害的国家如波兰、南非等，他们都对煤岩冲击倾向 性的理论进行了相当多的研究，并取得了许多十分有意义的研究成果。学者们在整合了 物理试验结果和现场实际情况的基础上，提出了评价煤岩冲击倾向性的多项指标。 冲击倾向性理论的重要观点是当煤层拥有冲击破坏危险时，力学性能的标志是 点名兰K e c K e 为煤岩冲击倾向度 。煤岩冲击倾向度量叠的最直接表现是煤岩体的冲击倾向 性指标，通过大量的实验分析可以由K e 的大小，把煤岩冲击倾向性分为如表1 ．1 的三类。 国际上以及国内的很多专家学者针对评价煤岩体冲击倾向性的相关指标已经做了 许多研究，总结的最主要的四个方面是能量、变形、破坏时间和刚度，在所有这些指标 万方数据 煤岩体破坏机理与冲击倾向性研究 中，很具代表的有弹性能指数、有效冲