动载作用下巷道围岩变形试验研究.pdf

分类号TU311 密 级 公 开 UDC 单位代码 10076 工学硕士学位论文 动载作用下巷道围岩变形试验研究 作者姓名 董锁堂 指导教师 蓝成仁教授 申请学位级别 工学硕士 学科专业 矿业工程 所在单位 资源学院 授予学位单位 河北工程大学 万方数据 A Dissertation ted to Hebei University of Engineering For the Academic Degree of Master of Engineering Experimental study on deation of Experimental study on deation of surrounding rocksurrounding rock ofof roadwayroadway under dynamic under dynamic loadingloading Candidate Dong Suotang Supervisor Prof. Lan Chengren Academic Degree Applied for Master of Engineering Specialty Mining Engineering College/Department College of Civil Engineering Hebei University of Engineering May, 2016 万方数据 独创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得河北工程大学河北工程大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人 承担。 学位论文作者签名 签字日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 河北工程大学河北工程大学 有关保留、使用学位论文的规 定。特授权 河北工程大学河北工程大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学 校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名 签字日期 年 月 日 导师签名 签字日期 年 月 日 万方数据 摘要 I 摘 要 近年来，随着煤矿开采深度的增加，冲击地压发生越来越频繁，给人们的生产 带来了巨大的隐患。论文基于突变理论，比较了轻气泡卸载、霍普金森（SHPB） 压杆等方法以及其存在的不足，提出了加载介质 SCA 加载的试验方法，并通过多 种加载介质 SCA 的试验比较，选定了加载介质 SCAⅢ作为本次试验的加载介质。 然后在大载荷应力应变试验台上构建了动载应力试验台，用加载介质 SCA 对相似 材料进行双向加载，并采用土应力传感器、钻孔应力计、动态信号测试设备等测试 仪器，对巷道围岩的应力应变进行了测试，成功捕捉到了动载信号，验证了加载介 质 SCA具有动载特性，适用于巷道围岩的动力加载。 加载介质 SCA 的动载作用以及良好的密封效果，使得动载试验台达到了 11MPa，满足了动载对高应力的要求；在分析以往单轴和三轴加载试验的基础上， 提出了双向加载，使用土应力传感器、钻孔应力计测定巷道的径向应变；加载介质 SCA 具有动载特性，应力增大瞬间，压实巷道围岩开始聚集弹性能，当弹性能大 于巷道围岩的承受能力，巷道瞬间破坏发生岩爆现象。 关键词冲击地压；巷道变形；加载介质 SCA；动力加载；突变 万方数据 Abstract Ⅱ Abstract In recent years, with the increase of mining depth, rock bursts occur more and more frequent, brought great hidden danger to peoples production. Paper based on catastrophe theory, compared the light bubble unloading, Hopkinson bar SHPB pressure bar and shortcomings of the existing proposed test s for dielectric loaded SCA loading, and through a variety of dielectric loaded SCA test compared, selected dielectric loaded scaiii as loading medium in this experiment.Then in big load stress strain test plat to build the dynamic load stress test rig, loaded with dielectric SCA two-way loading of similar material, and USES the soil stress sensor, borehole stress meter, test instruments, such as dynamic signal testing equipment of roadway surrounding rock stress and strain were tested, successful captures the dynamic load signal, to verify the loading medium SCA dynamic load characteristics, for dynamic load of surrounding rock of roadway. Loading medium SCA dynamic load effect and good sealing effect, to achieve the dynamic load test bench 11 mpa, meet the requirements of the dynamic load of high stress; On the analysis of the uniaxial and triaxial loading test on the basis of the bidirectional loads are presented, using the soil stress sensor, borehole stress roadway of radial strain gauge measurement; Loading medium SCA dynamic load characteristics, stress, compaction of surrounding rock of roadway began to gather the elastic energy, when the elastic energy is more than the withstanding capability of the surrounding rock of roadway, instantaneous destruction of roadway rock burst occurs. Keywords Rockbrust；Roadway deation；Loading medium SCA；Dynamic load；mutation 万方数据 目录 目录目录 摘 要............................................................................................................................ I Abstract ..................................................................................................................... ⅡⅡ 第 1章 绪论 ................................................................................................................ 1 1.1 课题研究背景及意义 ........................................................................................... 1 1.2 冲击地压的现状和特点 ....................................................................................... 1 1.3 动载诱发冲击地压机理及防治 ........................................................................... 3 1.4 突变理论在矿业开采中的应用 ........................................................................... 4 1.5 平面应变仪及三轴仪的研究现状 ....................................................................... 5 1.6 DH5929 动态信号测试分析系统简介 ................................................................ 7 1.7 本章小结 ............................................................................................................. 11 第二章 新型加载试验方法...................................................................................... 12 2.1 加载介质 SCA的提出 ..................................................................................... 12 2.2 加载介质 SCA品种的试验选择 ....................................................................... 12 2.3 加载介质 SCA使用容器封闭状态的选择 ...................................................... 15 2.4 加载介质 SCA使用注意事项 .......................................................................... 17 2.5 本章小结 ............................................................................................................. 17 第 3章 平面应变试验装置的设计 .......................................................................... 19 3.1 应力应变试验原理 ............................................................................................. 19 3.2 平面应变试验装置构成及配件 ......................................................................... 20 3.2.1装置体的构成及其尺寸 .......................................................................... 20 3.2.2 高强螺栓及其配套扳手.......................................................................... 21 3.2.3构件的密封 .............................................................................................. 22 3.3 本章小结 ............................................................................................................. 24 第 4章 平面应力应变试验系统的建立 ................................................................ 25 4.1 平面应力应变试验系统线路的连接 ................................................................. 25 4.2 BX-2土应力传感器 .......................................................................................... 25 4.3 DHDAS 动态信号测试分析系统参数设置 .................................................... 27 4.3.1 模拟通道列表.......................................................................................... 27 4.3.2 模拟通道参数设定................................................................................. 28 万方数据 河北工程大学学位论 4.4 平面应变试验装置............................................................................................. 30 4.4.1巷道大小与原岩应力的关系 .................................................................. 30 4.4.2 应力应变试验装置填充材料.................................................................. 31 4.4.3应力应变试验台的铺装 .......................................................................... 32 4.4.4土应力传感器的埋设 .............................................................................. 34 4.5 本章小结 ............................................................................................................. 35 第 5章 动载作用下巷道围岩变形试验及数据处理 ............................................. 36 5.1 动载作用下巷道围岩变形试验方法及步骤 ..................................................... 36 5.2 动载应力应变试验及数据处理 ......................................................................... 37 5.2.1动态信号采集及分析 .............................................................................. 37 5.2.2钻孔应力计对动载试验数据的采集 ...................................................... 41 5.2.3巷道变形及理论研究 .............................................................................. 42 5.3 本章小结 ............................................................................................................. 44 第 6章 结论 ............................................................................................................. 46 6.1 主要研究成果 ..................................................................................................... 46 6.2 主要创新性研究成果 ......................................................................................... 46 6.3 存在的问题 ......................................................................................................... 46 致 谢......................................................................................................................... 48 参考文献................................................................................................................... 49 万方数据 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪论 1.1 课题研究背景及意义 动力加载试验装置是一个为动力加载试验搭建的复杂系统，用于测定动载作用 下巷道围岩的变形以及对巷道围岩应力应变数据进行采集的一种数字化装置结构。 矿业工程中巷道围岩的加载通常采用静力加载，静力加载试验只能模拟巷道受到来 自其它岩层的稳定的挤压力，不能模拟冲击地压瞬间释放的破坏力，再加上静力加 载试验中使用的静载应力应变采集设备的采集频率 k普遍偏小，不能扑捉冲击地压 下巷道围岩的应力应变信号，这就使得静力加载试验具有局限性。巷道开挖和煤层 开采都会引起巷道围岩应力的重新分布，此时巷道受到静力加载。当巷道受到冲击 地压的影响而缩小、破坏，此时巷道受到动力加载。冲击地压是有静力载荷和动力 载荷共同作用下形成的，而相对于动力载荷，静力载荷相对较小可忽略不计。因 此，这就要求加载介质要有足够的加载强度。 应力加载大多以单一方向为主，但是，一些特殊的试件由于工作状况复杂而导 致其工作载荷复杂，普通的单方向静力试验机很难对其进行全方位的测试试验。在 煤矿中巷道开挖以及煤矿的开采过程中，巷道围岩受到多个方向的应力，这就要求 动载应力试验装置必须能够从空间多个方向对相似材料加压，以尽可能的模拟井下 巷道围岩的受力状况。本文设计的试验装置通过顶和一侧同步施加压力，即对相似 材料双向加压。 冲击地压是巷道围岩中积聚的弹性能瞬间释放，造成巷道垮塌、人员伤亡的一 种力学现象。弹性能的突然释放是冲击地压发生的最主要的特征，这就要求巷道围 岩能能量释放的过程中具有突变性。 综上，论文对加载介质提出了三点要求具有高应力，足够造成巷道发生岩爆 现象；为更相近的模拟井下应力，对巷道围岩进行了双向加载；冲击地压瞬间完 成，要求加载介质使得巷道围岩积聚的能量通过岩爆的形式瞬间释放。 1.2 冲击地压的现状和特点 万方数据 河北工程大学硕士学位论文 2 冲击地压是聚集在煤岩体中的应变瞬间释放出来，具有突发性、急剧性和猛烈 性等特点，造成人员的重大伤亡，井巷及设备的重大毁坏[1]。近年来，随着煤矿开 采深度的增加与开采条件越来越复杂,冲击地压灾害越来越频繁。 对于冲击地压发生机理，国内外提出了强度理论、能量理论、刚度理论、冲击 倾向理论、变形失稳理论、“三准则”理论、“三因素”机理、振动干扰理论、巷道 平动冲击失稳机理、动载诱发冲击机理等一系列理论[2-5]。强度理论认为采掘活动 引起煤岩体的破坏，当煤岩体破坏达到临界状态时很有可能诱发冲击地压。能量理 论认为采掘活动引起巷道围岩应力重新分布，当巷道围岩承受的能量大于支架索能 承受的支撑能量时，冲击地压才能发生。刚度理论认为煤岩体自身的结构刚度大于 围岩和支架的支撑刚度是冲击地压发生的前提条件，在这个前提条件下冲击地压才 能发生。冲击倾向理论认为巷道采掘过程中围岩应力重新分布，应力重新分布后的 煤岩体具有冲击破坏的属性，是诱发冲击地压的内在因素。“三准则”理论指的是强 度理论、能量理论、冲击倾向性理论，该理论认为冲击地压只有同时满足能量理 论、强度理论和冲击倾向性理论时，才能发生冲击地压。 “三因素”机理认为冲击 地压发生的主要因素是结构因素、内在因素和力源因素，其中结构因素最为重要， 煤岩体结构破坏引起冲击地压的发生。振动干扰理论认为振动干扰是诱发冲击地压 的重要因素。巷道平动冲击失稳机理巷道围岩在受到采掘活动和外界扰动影响下煤 岩层中聚集的大量的弹性能瞬间释放出来导致冲击地压的发生。动载诱发冲击机理 认为动载作用增加了煤岩体的冲击倾向性，促使距采掘空间较远的深部煤岩层中的 弹性能释放，从而引起冲击地压的发生。以上理论分别从煤岩体自身内在属性、煤 岩体结构因素以及动载因素对导致冲击地压进行阐述，虽然这些理论能够反映冲击 地压发生的内在机制，但并无本质性突破，冲击地压发生机理并未完全清楚。 冲击地压预测和评价取得进展主要是基于煤岩体冲击倾向性，通过钻屑法、微 震监测法、电磁辐射法、地质动力区划法等方法来预测和评价冲击地压[6-8]。最 近，我们通过运用数量化理论，建立了一套新的评价方法,该方法具有精度高、效 果好等特点，克服了受人为控制、凭经验量化的评分法或指数法的不足,将安全评 价由定性过度到定量，为矿井安全评价工作开辟了新途径。冲击地压的预测和评价 为冲击地压的控制奠定了预见基础。冲击地压发生时的煤岩体具有临界破坏应力， 因此充根本上改变煤岩体应力分布规律,能够降低冲击危险程度。目前我国采用的 冲击地压控制方法主要包括合理的开采布置、煤层松动爆破、煤层预注水等;对于 万方数据 第 1 章 绪论 3 已具有冲击危险的煤岩层,采用的控制方法有煤层卸载爆破、钻孔卸压、煤层切 槽、底板定向切槽、顶板断裂等[9-10]。 综上所述就冲击地压的研究而言,冲击地压发生条件复杂，随着开采深度的近 一步加强,我国冲击地压将更加严重；冲击地压发生机理已有研究，但是发生机理尚 未不完全清楚；冲击地压预测与防治的有效性仍有待提高；目前在冲击地压研究方 面,资金、人力投入力度不够,各种技术也相对不成熟,缺乏实际的操作和完善,因此,有 效预防和控制冲击地压灾害的发生现状不容乐观，需全国各界的共同努力。 1.3 动载诱发冲击地压机理及防治 目前动载和静载的的划分并不统一、也没有严格的标准，通常将低应变范围 ε﹤10-4/s，称为静态ε。通常液压实验机研究岩石的力学性质的高应变范围为ε﹥ 102/s，称为动态。通常在此范围内，应用平面波发生器或轻气炮来研究岩石的状态 方程；10-7/s﹤ε﹤102/s 称为中等应变率。而在 510-4/s﹤ε﹤102/s 之间，称为准动 态。 对于不同载荷作用下的混凝土的应变率，通常应变率在 10-9/s﹤ε﹤10-6/s 之 间，混凝土发生蠕变；将 10-6/s﹤ε﹤10-5/s 之间称为拟静载速率；将 10-4/s﹤ε﹤10- 2/s 之间称为地震荷载；将 1s﹤ε﹤10-6/s 之间称为碰撞荷载；将 102/s﹤ε﹤10-3/s 之 间称为喷孔荷载。因此，估算岩体扰动下的应变速率为 10-4/s﹤ε﹤103/s 之间，属于 中高应变率[28-29]。可见本次采用 SCA施加压力其作用发生的频率为中高应变率。 动载和静载均影响岩石和混凝土的力学性质和破坏的形式。静载作用是由于岩 石埋藏在距地表几百米以下的地层深处，承受着来自原岩应力等的静压力的作用； 动载作用是收到顶板断裂、巷道开挖、煤层开采以及人工爆破等动压力后产生的。 动载的发生是基于静载的基础上的，因此，可以说巷道发生冲击地压灾害是动荷载 和静荷载联合作用的结果，在冲击地压发生的瞬间，动载和岩石上已经存在的静载 叠加，由于动载作用力大、发生时间短、冲击力强，能够使得巷道围岩压力迅速增 加。当动载和静载叠加后的作用力超过了巷道围岩的承受能力的时候，就会引起巷 道围岩的冲击破坏。巷道围岩产生的冲击变形与巷道开挖后产生的初始变形叠加， 当形变量超出围岩的变形能力时，巷道围岩墙壁首先发生破坏。 冲击地压的发生源于动载和静载的叠加，因此，冲击地压的源头是动载和静 载，有效的防治静载和动载对于预防冲击地压的发生起到决定性的作用[11]。静载源 万方数据 河北工程大学硕士学位论文 4 主要与采深、煤柱、孤岛开采，此外还和断层、地质构造、煤层倾角等因素有关， 很大程度上是由于自然条件形成的，很难通过人为作用去改变，但是静载引起的冲 击地压可以通过优化开拓布置和开采设计来进行优化，开采布置优化可以从根本上 预防冲击地压的发生，虽然如此，但是仅有个别的煤矿采用了此种预防措施，通过 优化开拓布置和开采设计来预防冲击地压的发生的煤矿并不多见。相反，目前冲击 地压的预防主要是通过主动的解除煤岩层中存在的岩石中蕴藏的势能。煤岩层的解 围主要是通过较弱和消除静载荷，通常预防冲击地压的方法有煤层卸压爆破、煤层 注水、开采保护层、大孔径卸压、断顶底的爆破和水压致裂等。由于冲击地压所具 有的复杂性，这就使得单一的预防冲击地压的方法不能完全清除冲击地压的危害， 必须通过多种防治措施相结合才能有效的防治冲击地压的发生。目前，我国预防冲 击地压的理论研究还处于初步阶段还有很长的一段路要走，因此，加强动载诱发冲 击地压的发生机理的研究，建立动载诱发冲击地压的防治工作还需要不断的进行。 1.4 突变理论在矿业开采中的应用 突变理论是法国数学家勒内 托姆于 1972年发表的结构稳定性和形态发生学 一书中提到的。突变理论提出一系列数学模型，用以解释自然界和社会现象中所发 生的不连续的变化过程，描述各种现象为何从形态的一种形式突然地飞跃到根本不 同的另一种形式[12]。如岩石的破裂，桥梁的断裂。突变理论通过建立一系列的数学 模型来描述岩石的破裂，分析结构的稳定性以及预测巷道中发生的岩爆和冲击地 压，可以说突变理论已经融入到了矿业开采中。以下是突变理论的研究内容和相关 结论唐春安应用突变理论详细阐述了岩石瞬间失去稳定的破坏过程，揭示了岩石 破坏过程中的相关特征，从而使岩石的瞬间失稳有了更深入的了解[13]。 潘一山通过突变理论中的尖点模型对发生于圆形洞室中的岩爆进行预测，成功 得到了岩爆发生后洞室周边的突跳收敛位移和发生位移所释放出的能量[14]。潘岳建 立了矿井断层冲击地压的折迭突变模型，分析得出断层岩体破裂是围压作用的结 果；借助增量理论，将冲击地压下的突变理论在均匀的围岩压力下的应用推广到了 非均匀围岩压力，成功推算出非均匀围岩压力下的断层失稳的半错距以及弹性能释 放量表达式。结合石失稳破裂的综合刚度和综合能量准则得出了新的理论准则。成 功确定了岩石失稳裂缝的起点和终点的位置，并且推导了当岩石失稳破裂时候的试 验机岩石样品系统的弹性能释放量的计算关系[15]。尹光志借助突变理论，研究了煤 万方数据 第 1 章 绪论 5 岩体在垂直水平力作用下的稳定问题。研究结果表明，煤岩体的物理力学性质、几 何尺寸、水平力和垂直力的大小及变化途径影响岩石失稳[16]。左宇军用突变理论分 析动载荷静载联合作用下岩石的破坏特征，分析结果表明动载信号的强度直接决定 这一维静载岩石系统的破坏程度[17]。张勇借助突变理论在弹性地基的条件下对没住 冲击地压进行了分析，结果表明煤柱冲击失稳的最主要的原因是工作面开挖和采空 区的增大造成的岩梁刚度明显减小所造成的[18]。牟宗龙等利用突变模型分析了硬顶 板突然断裂的过程。傅鹤林借助突变模型理论预测了地下采场中的冲击地压的发生 [19]。徐曾和，徐小荷借助突变理论对处于坚硬顶板下的煤柱的冲击地压进行了分 析，并提出了一些可行的冲击地压的预测的方法[20]。李玉借助尖点型的突变模型描 述了媒体自由表面处的冲击性失稳破坏[21]。秦四清借助突变理论在斜坡演化非线性 动力学模型建立的基础上研究了斜坡平面滑动失稳的一系列问题[22]。 综上，突变理论是本世纪年代末有法国的数学家托姆提出的，在矿业开采及相 关领域应用广泛，主要是为了描述现实破坏失稳、冲击地压和岩爆等一系列问题 的，并且取得了很多有价值的研究成果。目前突变理论大部分应用于分析动载或者 静载下的力学系统破坏失稳的问题，对于动载和静载的联合作用下的力学系统尚不 多见。总之，突变理论的提出和应用有助于分析和解释生产和生活中的一有一种形 式突变到另一种形式的变化过程，并应用于矿业开采中用于分析和预测岩石失稳、 岩爆和冲击地压等瞬间发生的突变问题。 1.5 平面应变仪及三轴仪的研究现状 平面应力应变试验的研究离不开平面应变试验装置，因此对平面应力应变试 验装置的研制和开发成为了早期开展岩土工程试验课题之一。随着平面应力应变试 验的研究，平面应变试验装置的应用也愈加广泛。平面应力应变试验装置的应用涉 及土体的抗剪强度的测定、剪切带发生机理与形成过程的研究、等应力比平面应变 试验中主应力转换的研究、局部分叉破坏理论的研究等一系列应力应变试验。平面 应力应变试验是一个将理论和实际相结合的在实践过程，试验要求平面应力应变试 验装置必须有足够的可靠性和精度，因此，平面应力应变试验对平面应力应变试验 装置提出了更好的要求，我们在做平面应力应变试验时必须对平面应变试验装置进 行深入的改良和研究。目前，平面应力应变试验使用的平面应力应变试验装置，都 是三轴压缩仪改良过来的。 万方数据 河北工程大学硕士学位论文 6 平面应力应变试验装置的发展经历了一个漫长的发展历程，平面应变装置的研 究工作始于 60年代初，英国剑桥大学和帝国学院首先进行的，由于当时科学技术发 展落后，研制出的试验仪器只能简单的测量和处理相关的数据。至到 60年代末，日 本和美国 IS分别将传感器引进到了平面应变试验的试样中，这使得平面应变试验装 置能够采集平面应力应变试验过程中较为复杂的数据。1971年，世界第一装置功能 相对齐全的平面应力应变装置在美国麻省理工学院诞生了[23]。平面应力应变试验装 置的问世，为此后国内为科研机构平面应力应变试验装置的改良工作奠定了坚实的 理论和实践基础。 70 年代中期，日木谷滕会社在平面应力应变试验装置的基础上，设计研发了多 功能三轴仪，很快多功能三轴仪以正式商品向市场供应。随后 Goldscheider[24]提出了 平面应力应变试验装置在岩土方面的设计思想和相关原理，他认为相对于传统平面 应力应变试验装置的施压方式，现在所设计的平面应力应变装置的最主要的特点是 对试样最小主应力的施加方式的不同。传统的平面应力应变试验装置采用刚性加 载，而现在使用的加载方式为液压加载，即约束试样在侧方向发生应变，在主应力 方向对试样进行刚性加载，液压加载能够降低试样的端头效应，从而提高试验的可 靠性和准确性。通过液压加载的平面应力应变试验装置，其试验对象主要是土，因 为土本身抗剪强度低，容易约束侧方向发生的应变。C.C.Wood 成功研制的 Bishop- Comforth 型平面应力应变试验装置，相对于较早的平面应力应变试验装置在技术上 有了新的突破，首次将长方形应力应变试验装置应用到试验中。以上是外国对于平 面应力应变试验装置的研究，而我国对于其研究也是相对较早的，60年代中期，中 国科学院武汉岩土力学研究所引进英国剑桥大学研究并制造的三轴试验仪器，并对 其进行了详尽的研究和分析，最后成功的研发了具有自主知识产权的真三轴仪。真 三轴仪除具有三周试验的功能外还能够对试样进行剪切试验，对于当时真三轴仪的 出现具有重大的意义，真三轴仪随着科技的发展，只是对其进行修改，直到今天仍 然在应用。 70 年代末，西北水利科学院研究所和清华大学分别引进了日本谷滕会社研究和 制造的多功能三轴仪，通过详细的研究和改良，后使得多功能三轴仪不仅仅能够对 试样进行三轴试验，而且还可以利用多功能三轴仪进行平面应力应变试验。1978年 开始，清华大学的刘凤德及李树勤对国产三轴仪进行了研究和改良，将前后用钢板 约束替代三轴仪的压力室，从而与最为简单的方式将三轴仪改装成平面应力应变试 验装置[25]。陈愈炯等人对于三轴仪改装成平面应力应变试验装置也做了相似的研 万方数据 第 1 章 绪论 7 究。同济大学在 2000年的时候在以往经验的基础上研发和制造了自己的平面应力应 变试验装置，该平面应力应变试验装置的改进也是基于真三轴[