煤岩组合体动力破坏规律实验研究.pdf

硕士学位论文 煤岩组合体动力破坏规律实验研究 A COMBINATION OF COAL AND ROCK IN THE EXPERIMENTAL RESEARCH ON DYNAMIC DAMAGE 作 者陈光波 导 师张国华 教授 黑龙江科技大学 二〇一六年六月 万方数据 中图分类号 TD324 学校代码 10219 UDC 622 密 级 公开 黑龙江科技大学 硕士学位论文 煤岩组合体动力破坏规律实验研究 A COMBINATION OF COAL AND ROCK IN THE EXPERIMENTAL RESEARCH ON DYNAMIC DAMAGE 作 者 陈光波 导 师 张国华 申请学位 工学硕士 培养单位 矿业工程学院 学科专业 矿业工程 研究方向矿山压力与围岩控制理论与技术 答辩委员会主席 景海河 评 阅 人 秦涛 二○一六年六月 论文审阅认定书论文审阅认定书 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解黑龙江科技大学有关保留、 使用学位论文的规定， 同意本人所撰写的学 位论文的使用授权按照学校的管理规定处理 作为申请学位的条件之一， 学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位论文的部 分使用权，即①学校档案室和图书馆有权保留学位论文的纸质版和电子版，可以使用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；②为教学和科研目的，学校档案室和图 书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案室、 图书馆等场所或在校园网上供校内师生阅 读、浏览。另外，根据有关法规，同意中国国家图书馆保存研究生学位论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致，论文的公布（包括刊登）授权黑龙江科技大学研究生 学院办理。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 。 万方数据 研究生 陈光波 在规定的修业年限内，按照研究生培养方案的要求， 完成了研究生课程和其他培养环节的学习，成绩合格；在我的指导下独立完 成本学位论文,经审阅，论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文 撰写格式符合学校的相关规定， 同意将本论文作为学位申请论文送专家评审。 万方数据 致谢致谢 饮水思源，师恩难忘。首先感谢敬爱的张国华老师。本论文在导师张国华教授的悉心 指导下才得以完成，从选题、成文、修改等每个环节都渗透着导师大量的心血和汗水。导 师以其对研究方向的敏锐感知和对学科发展的准确把握为我提出了总体研究框架， 并及时 解决了我在课题研究期间所遇到的迷茫与困惑。没有导师的点拨、启迪与鞭策，论文不可 能得以顺利完成。 三年的研究生生活，收获甚丰，受益良多。导师严谨求学的治学态度、开拓创新的研 究精神、诲人不倦的授业之道，质朴谦和的长着风范永远是我的榜样。这将对我今后的工 作和学习产生重要的影响。值此论文完成之际，谨向导师表示衷心的感谢和崇高的敬意 衷心的感谢兰永伟老师、金珠鹏老师、刘刚老师以及同学郭海涛、马彦华、申志亮在 本文的实验过程中给予我极大的帮助 感谢含辛茹苦养育我的父母， 他们的爱是我心灵的港湾和永远的期盼； 感谢同门师兄 弟给予的诸多帮助，与你们一起的学习生活会成为我人生最美好的回忆 最后，向所有关心和帮助过我的领导、老师、同学和朋友表示由衷的谢意同时，衷 心的感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位专家、教授 万方数据 I 摘摘 要要 冲击地压威胁着煤矿的安全和高效生产。 随着开采深度的增加、 开采强度不断加大以 及开采条件越来越复杂，我国煤矿发生冲击地压的现象越来越多，危害越来越大，必须及 早引起重视。 冲击地压是煤岩地层受采动影响而发生的动力灾害现象， 是煤岩体在外部应 力作用下快速破裂的结果，是典型的能量突然释放与能量耗散过程。 冲击地压一定是在能量突然释放的驱使下发生的， 既然如此， 引发冲击地压的能量到 底积聚在哪儿对于这些积聚的能量， 能否在释放速度和强度上予以人为控制， 以此来避 免发生冲击地压呢基于上述问题， 本论文从能量积聚和释放的角度出发， 开展组合岩体 动力破坏规律实验研究， 目的是确定能量积聚的具体层位， 从理论上提出减缓能量释放的 有效措施，从而为有针对性的防治冲击地压提供支撑。 对煤岩体及组合体冲击破坏过程及能量转化规律进行理论分析， 结果表明， 受岩石内 部裂纹及空隙不同的影响， 其能量积聚能力的大小及能量耗散的方式有很大差别， 材料强 度、 材料均质度及能量输入率决定了煤样能量耗散的方式； 组合体煤岩在冲击破坏过程中， 内部岩石之间相互作用， 不断的进行能量的传递与整体的平衡自组织， 其中一部分岩层对 组合体的能量积聚量及能量耗散特征起主要作用。 对峻德矿 17 煤层的煤、细砂岩和粗砂岩单体进行变形破坏实验，分析对比煤岩单体 的全过程应力应变曲线，结果表明煤峰前积聚能量较低，发生破坏时消耗能量少，具有强 冲击倾向性，粗砂岩和细砂岩峰前积聚能量比煤高得多，能发生瞬间破坏，将能量大量释 放，具有中等冲击倾向性。岩石的强度越大，极限储能越大，脆性越强，弹性能释放的越 彻底。将细砂岩、粗砂岩和煤三种岩石按照设计要求进行组合，对比分析组合试件各组分 的能量储存情况，实验结果表明在软硬不同的组合煤岩层中，弹性模量大的坚硬岩块，虽 不易发生变形，但储能较小，不易积聚能量。而弹性模量较小的软弱岩层，在能量储存上 更占优势，更容易积聚能量，在发生整体冲击地压时，起主导作用。组合煤岩体中的能量 主要积聚在软弱岩层中，软弱岩层是能量积聚的关键层。组合体中硬度差别越大，冲击效 应越强。 研究成果有助于更加深入的从能量积聚角度解释冲击地压发生的本质， 对组合岩体内 的能量分布有了较深的认识，对现场有针对性的防治冲击地压问题具有重大的理论意义。 该论文有图 113 幅，表 29 个，参考文献 63 篇。 关键词关键词冲击地压；组合煤岩；能量积聚；能量释放；关键层 万方数据 II Abstract With the mining depth increasing, the intensity is enhanced and mining conditions worsen, the frequency and intensity of percussive ground pressure is more and more big, the harm is more serious, we must strengthen awareness. Impact pressure is a kind of disturbance caused by underground mining severe dynamic damage, is under the effect of high pressure surrounding coal and rock burst phenomenon as a result of the rapid release of energy. Impact earth pressure is the result of a sudden release of energy, in this case, the energy stored in where For these energy which can be artificially controlled release rate and intensity, in order to avoid shock pressure Based on the above problems, this paper from the perspective of energy accumulation and release, composite rock mass destruction rule of dynamic experiment study, the purpose is to determine the specific energy accumulation horizon, theoretically puts forward effective measures to slow the progress of the energy release, which provide support for targeted prevention and treatment of rock bursts. Combination of coal rock mass and the impact damage process and energy conversion law theory analysis, the results show that the rock crack and space inside the influence of different, its energy accumulation capacity and energy dissipation of the size of the has the very big difference, strength of materials, the homogeneous degree of the material and energy rate determines the way of the coal sample energy dissipation; Combination coal and rock in the process of impact damage, the interaction between internal rock, constant energy relay and self-organizing system balance, some of the rock is the key to the energy accumulation layers. Opened to DE 17 coal seam mining coal, fine sandstone and coarse sandstone monomer deation damage experiments, contrast analysis of the whole process of coal and rock monomer stress-strain curve, the result shows that coal peak before accumulated energy is low, less energy consumption when damage occurs, has a strong impact bias, before the thick sandstone and fine sand were accumulated energy is much higher than coal, instantaneous destruction, a large amount of energy released quickly, belongs to the weak. Rock compressive strength is larger, the greater the ability to store, the stronger the brittleness, elastic energy release more thoroughly. Three will fine sandstone and sandstone and coal rock according to the design requirements are combined, energy storage of components analysis combination specimens, the experimental results show that in different combination of hard and soft coal strata, elastic modulus of hard rock, is not easy to deation, but energy storage is small, not easy to accumulate energy. And smaller elastic modulus of weak rock, the more advantage in energy storage, it is easier to accumulate energy, in the case of the overall impact ground 万方数据 III pressure, play a leading role. Combination of energy in the coal and rock is mainly accumulated in weak rock, soft rock is the key to the energy accumulation layer. Combination of hardness difference, the greater the impact effect. Research results help to more deeply from the perspective of energy accumulation of rock bursts occurred in interpretation, the nature of the energy distribution of composite rock mass have a deeper understanding, to have the guide meaning to the scene of percussive ground pressure control. Keywordsrock burst; energy accumulation; combination of coal and rock; critical layer 万方数据 IV 目目 录录 摘摘 要要 ........................................................................................................................................ I I 目目 录录 ...................................................................................................................................... IVIV 1 1 绪论绪论 ........................................................................................................................................ 1 1 1.1 研究背景及意义 .......................................................... 1 1.2 国内外研究概况、水平和发展趋势 .......................................... 2 1.2.1 冲击矿压发生机理研究 ............................................................ 3 1.2.2 冲击能量理论研究 ................................................................ 5 1.2.3 存在问题及不足 .................................................................. 6 1.3 研究内容、方法、技术路线及论文特色与创新 ................................ 7 1.3.1 研究内容、方法、技术路线 ........................................................ 7 1.3.2 本论文的特色与创新之处 .......................................................... 8 2 2 煤岩体的能量机理分析煤岩体的能量机理分析 ........................................................................................................ 9 9 2.1 煤岩破坏过程中能量转化规律 .............................................. 9 2.1.1 煤岩的空隙特性 .................................................................. 9 2.1.2 煤岩破坏的宏观机制 ............................................................. 10 2.1.3 煤岩体中的能量转化 ............................................................. 12 2.2 煤岩破坏过程中能量耗散的影响因素 ....................................... 13 2.3 组合煤岩体冲击破坏的理论分析 ........................................... 15 2.3.1 组合煤岩体冲击破坏的机理 ....................................................... 16 2.3.2 组合煤岩体冲击破坏的能量分析 ................................................... 16 2.4 本章小结 ............................................................... 18 3 3 煤岩基本力学实验及能量积聚特征分析煤岩基本力学实验及能量积聚特征分析 .......................................................................... 2020 3.1 区域煤岩地质概况 ....................................................... 20 3.2 煤岩基本变形破坏实验 ................................................... 20 3.2.1 岩样的制备 ..................................................................... 20 3.2.2 实验系统 ....................................................................... 21 3.2.3 实验方法和实验结果 ............................................................. 23 3.3 实验数据分析 ........................................................... 26 3.4 本章小结 ............................................................... 28 万方数据 V 4 4 煤岩组合体实验研究及能量关键层判定煤岩组合体实验研究及能量关键层判定 .......................................................................... 2929 4.1 实验方案 ............................................................... 29 4.1.1 实验目的 ....................................................................... 29 4.1.2 试件制作与组合 ................................................................. 29 4.2 试验数据、变形曲线、破坏形态 ........................................... 35 4.3 实验结果分析 ........................................................... 44 4.4 本章小结 ............................................................... 51 5 5 冲击地压防治工程应用建议冲击地压防治工程应用建议 .............................................................................................. 5353 6 6 结论与展望结论与展望 .......................................................................................................................... 5454 6.1 主要结论 ............................................................... 54 6.2 展望 ................................................................... 54 参考文献参考文献 ................................................................................................................................. . 5656 作者简历作者简历 ................................................................................................................................. . 6060 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 .............................................................................................................. 6161 学位论文数据集学位论文数据集 ...................................................................................................................... 6262 万方数据 1 绪论 1 1 1 绪论绪论 1.1 研究背景及意义 我国能源种类多、储量大，尤其以煤炭能源为主。煤炭作为我国的第一能源，为我国 发展提供首要原料，因此从长远的角度来看，保证煤炭的安全、高产生产，是提升国家实 力的根基。 国家能源发展战略对未来五至十五年煤炭产量作了估算，随着科技的发展， 长量将达到 34 亿38 亿吨[1]。我国煤炭的综合生产机械化程度全部水平较低，又加上井 下地质条件复杂多变、职工素质及生产技术管理水平较低，致使人员伤亡和效益降低[2]。 表 1-1 是近十年来原煤产量与百万吨死亡率的统计情况，可以看出，尽管死亡率下降，但 死亡人员数量依然偏高，在全世界煤矿死亡总人数中占有很大比重。 表 1-1 近十年煤炭生产量与每百万吨煤人员死亡率 Table 1-1 Nearly a decade of coal production and production of one million coal workers mortality 年份 煤炭产量/亿吨 死亡人数 百万吨死亡率 2006 23.25 4746 2.041 2007 25.23 3786 1.485 2008 27.16 3210 1.182 2009 30.50 2721 0.892 2010 32.40 2428 0.749 2011 35.20 1973 0.564 2012 2013 2014 2015 36.50 37.70 38.70 37.00 1384 1067 931 581 0.374 0.293 0.257 0.157 冲击地压在矿山各种危害中发生频次最高。我国的大多数煤矿，都发生过冲击，范围 广，其中，华北、华东、中部地区的煤矿发生冲击地压次数较多，山东省煤矿是冲击地压 发生做多的煤矿，也是冲击最为严重的煤矿，数量多，危害大，其他地区受冲击影响也较 为严重，例如黑龙江、山西等[3]。2000 年至今，兖州、枣庄、新汶、义马、开滦、鹤岗 地区煤矿发生冲击地压事故高达 20 余起，上百人死亡。2002 年，老虎台煤矿发生冲击， 突出煤体近 470t。2006 年，赵各庄矿发生冲击地压，致使煤层全部突出、井巷设施破坏 严重。2008 年，河南千秋煤矿 21201 综采面和 21221 掘进面发生冲击，巷道完全破坏， 致使十余人死亡。2013 年鹤岗峻德煤矿发生冲击，造成了六百多万的经济损失。 众所周知，煤炭一般都是储存在底层的深部，且储存的内的煤炭占一半以上，随着科 学发展，对煤炭的开采深度越来越深，随着井田、采区的充分采动，采空区面积的不断加 大，以及大功率、长运距、高可靠性综采、综放装备的应用，工作面推进加快，采深加大， 冲击频发、烈度大。自 2010 年以来，冲击频次逐年升高。开采产生地压力达到煤岩系统 万方数据 硕士学位论文 2 强度，系统立即破坏，同时致使井巷设施破坏，生产系统瘫痪，人员伤亡。冲击地压还会 诱发其他危害，例如突水、火灾、干扰通风系统等，强度较大的冲击地压甚至能引起地表 的沉陷，造成地面建筑设施的破坏与崩坍。由此可见，冲击地压的防治是一项刻不容缓的 任务，对煤矿的安全生产有重大意义。 目前， 国内外对冲击地压的研究主要集中在以下三方面 （1） 冲击地压发生机理； （2） 冲击地压的监测与预报； （3）冲击地压的防治[4]。从长期的现场实践来看，由于复杂的地 质情况及开采方法的多样化，冲击地压的防治比较困难，治理效果不太理想。想要提出有 效的治理措施，必须从根源上认识其发生机理。只有准确的认清事物的本质，掌握事物的 发展规律，才能在其产生的根源处及发展途径中人为的控制其发展变化。 国内外对冲击地压的研究已经形成了多种理论， 能量理论受到了越来越多的重视。 能 量理论指出，矿体-围岩系统逐渐达到破坏强度，积聚的弹性能超过破坏时消耗能量，盈 余的能量作为突然破坏动力，诱发失稳。冲击发生期间，系统不断接受外界传递过来的能 量，并将之储存，诱发冲击时，盈余能量以动能、热能等释放[5-7]。能量是一个状态量， 这样就使得在计算、分析、推导的过程中，可忽略影响因素和简化其过程，运用能量的观 点探讨冲击问题是一条捷径。 目前从能量角度对冲击地压进行的研究主要停留在实验室研究及数学建模阶段。 对于 冲击地压能量理论的研究主要分为两部分， 首先是对岩石破坏能量机理的研究， 认为岩石 的破坏与其能量耗散密切相关， 能量的耗散诱发煤岩的损伤， 不同的破坏形态是由不同的 能量耗散形式造成的；其次是将围岩系统作为一个整体，研究其能量变化过程。认为围岩 系统释放的应变大于矿体消耗的能量时， 将可能产生岩石冲击地压， 并通过数值模拟的方 法判断出受采动巷道开挖及顶板断裂等因素影响下围岩能量集聚的大致区域。 从已取得的研究成果来看， 对冲击地压能量转化过程的研究主要集中在对能量耗散的 研究上，即煤岩破坏时能量的释放规律。研究成果虽能从某一角度上阐述系统失稳准则， 并预判冲击倾向， 但缺乏对煤岩体能量积聚具体位置的深入研究， 不能找到能量积聚规律。 煤岩系统是由硬度不同的岩体交叠而成， 演变为复杂的糅合岩性特色。 其力学特性受到组 分厚度和类型的相互作用。 要想根治冲击灾害， 必须明确冲击具体层位， 因为地下工程中， 围岩不是单一岩性的岩体， 是由很多层岩性不同的岩层交错而成， 因而力学特性表现出柔 和性。 基于上述因素， 储能和放能过程差异很大， 因而防冲的关键在于找到能量积聚层位。 本文在力学实验的基础上，针对粗砂岩、细砂岩、煤三种试件进行分析，探讨能量积聚规 律， 为防冲治理指引明确的方位。 冲击地压能量积聚关键层的研究在实际工程应用中意义 深远，扩充了能量理论，通过判定关键层来治理冲击地压能达到事半功倍的效果。 1.2 国内外研究概况、水平和发展趋势 万方数据 1 绪论 3 国内外学者在冲击地压诱发机理方面，得出了许些理论，而且在不断发展过程中；许 多学者利用能量观点解释了其诱发机理。 1.2.1 冲击矿压发生机理研究 冲击机理，即发生灾害时本质规律，有别外界作用因子，是防冲基础。主要理论有以 下几个 （1）强度理论[8-9]。该理论指出煤岩体因为达到其自身的强度极限才发生的失稳破 坏， 形成冲击。 早期提出的假说是基于岩体应力集中的形成。 后期， 克劳利将该假说扩充， 指出岩层失稳破坏的根本在于应力的集中，若失稳速度非常快，强度非常大，那么就会形 成冲击。直到后期，被人们普遍接受和认可的是拱顶理论和悬臂梁理论。前者指出，由于 巷道开挖，形成自然地由破碎岩石组成的拱顶区，在岩石卸载时，使得周围的岩体应力集 中；后者认为，矿体的顶板是悬臂梁，在矿体的支撑点处形成应力集中。布霍依诺将强度 理论发展为今天的夹持媒体理论， 顶底板夹持着中间的矿体， 其力学特性受加持特性的影 响非常大。该理论全面的解释了冲击强度条件，实用性非常强。 （2）刚度理论[10-11]。库克等人在该理论中指出煤岩体脆性破坏的条件是试验机刚 度较小，该破坏不规则，具有一定的瞬时性。后来布莱克发展了该理论，成功运用在当地 煤矿的冲击问题。近年来，佩图霍夫提出的冲击地压机理模型中也引入了刚度条件，并进 一步将矿山结构的刚度明确为达到峰值强度后其载荷-变形曲线下降段的刚度。 刚度理论， 实际上也是一种能量理论。 （3）能量理论[12-13]。库克等人指出，系统失稳破坏时消耗的能量小于释放能量，形 成冲击。佩图霍夫分析了能量的结构。瓦弗罗对比了单轴压缩试验时，端面摩擦对实验结 果造成的影响，得出了无摩擦盈余能量理论。 上述理论摆脱了传统思维的约束，运用能量的观点，揭示了诱发冲击的机理，但没有 说明时间因素和能量释放不等因素对冲击的影响， 没有验证能量的分布和时间差异。 能量 率理论和盈余能量理论完善了能量理论。 储存在系统中的能量越不均匀， 越容易形成能量 集中，在能量释放方面越容易。 （4）冲击倾向理论[14]。该理论指出冲击倾向是致使系统失稳的内在条件。倾向度为 表征倾向的参数，该参数大于规定值时，煤岩体具有失稳倾向，值越大，倾向性越高，反 之越低。关于冲击倾向的指标很多，在实际判定中，可以结合几个参数同时确定。 （5）变形系统失稳理论[15]。该理论其指出，系统的破坏可以看作是系统从稳定状态 到失稳状态， 最后到新稳定状态的过程， 也可认为是从原来形态状态到新形态的一种动力 现象。 （6）三准则理论[16-17]。在强度理论、能量理论、冲击倾向理论的基础上，强度理论 万方数据 硕士学位论文 4 是破坏准则， 能量理论和冲击倾向理论使得冲击地压的发生具有一定的瞬时性， 冲击的发 生必须同时满足三个准则。但该理论实用性不强，没有具体的判断形式，内容比较概括。 特别是约束前两个准则的因子太多，指标无法核准。导致理论与实际难以结合。 近年来， 随着学科领域的扩大和学科深度的加强， 对冲击地压的研究也产生了具有代 表性的新的理论。 （1）突变理论。Thom 的突变论是该理论产生的根基。尹光志[18]等建立了系统破坏 突变模型。潘一山[19]运用尖角突变模型，经过大量实验和严密的理论推导，成功运用于 煤柱的非稳定性问题，得出了煤岩失稳条件，同时，阐述了冲击从开始到推动直到结束的 的全过程。费鸿禄[20]运用该理论建立了煤岩失稳模型，得出具体的冲击条件和上覆岩层 移动量和耗能表示式； 探讨了圆形巷道， 在受到静水压力时的冲击， 再对比单轴实验结果， 验证了该理论的可信度。徐曾和[21]对含有坚硬岩层顶板下的矿体冲击机制进行了研究， 论述了影响因子和各因子之间到底构成多大影响， 有预见性的阐述了冲击前兆， 最重要的 是提出实用性非常强的检测手段。傅鹤林[22]对井下采掘活动发生冲击的预报方面成功运 用了该理论的可行性。 （2）分形理论[23]，谢和平从数学角度结合煤矿实际，阐述了冲击机理与分形特点。 李廷介[24]等通过大量实验数据，得出了煤岩失稳裂隙维数，研究了煤岩组成和维数、应 力分布关系对冲击机理的影响。李玉、黄梅[25]等指出某范围维数减小，说明其失稳可能 增加。 （3）断裂力学理论。大量的研究表明极限压应力对裂纹长度产生影响，裂纹的长 度受到围压约束。 Dyskin[26]研究了裂隙的延伸类型和平衡性， 裂隙的发展和延伸造成了冲 击。Bazant[27] 等认为裂纹的延伸是由耗能方式和尺度影响的，解决了以前在能量的大小 方面计算的问题。 张晓春[28-29]等运用现在煤矿存在的问题和出现的情况， 理论与实践相结 合，充分运用实验室试验和数值分析模型方法，建立破裂模型，指出冲击的发生是断裂结 构区的局部脱离的结果。缪协兴[30]在冲击的预测预报