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密密级级公开 中图分类号中图分类号TD324 硕硕士士学位论文学位论文 煤岩组合体冲击破坏试验研究煤岩组合体冲击破坏试验研究 研研 究究 生生高宇高宇 导导师师叶洲元叶洲元 学学科科矿业工程矿业工程 研究方向研究方向岩石力学岩石力学 20172017 年年 6 6 月月 万方数据 A Thesis ted for the Degree of Master Experimental study on impact failure of coal- rock combination CandidateGao Yu Supervisor and RankA.P. Ye Zhouyuan 万方数据 煤岩组合体冲击破坏试验研究煤岩组合体冲击破坏试验研究 学位类学位类 型型 学术型学位学术型学位 作者姓名作者姓名高宇高宇 作者学号作者学号1401010100414010101004 学科（专业学位类别学科（专业学位类别 矿业工程矿业工程 研究方向（专业领域研究方向（专业领域 岩石力学岩石力学 导 师 姓 名 及 职 称导 师 姓 名 及 职 称叶洲元叶洲元副教授副教授 实 践 导 师 姓 名 及 职 称实 践 导 师 姓 名 及 职 称 所在学院所在学院资源环境与安全工程学院资源环境与安全工程学院 论文提交日期论文提交日期20172017 年年 6 6 月月 万方数据 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名日期年月日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南科技大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名日期年月日 导师签名日期年月日 万方数据 i 摘摘 要要 近些年由于我国经济的快速腾飞，且工业产业在我国经济中占主要地位，我 国的能源资源生产及消耗量日益增多。当地面矿产资源的开采日渐枯竭，世界各 国许多矿产资源的挖掘深度也不断增加，我们称此为深部开采。但是随着开采的 不断深入或者在深部采矿过程中，人们逐渐对深部复杂的岩层性能存在一些现有 岩石力学理论无法对此作出很好的阐述。当开采深度不断增加时，许多复杂的地 理与天然地质问题等也伴随产生，随之而来的煤矿安全事故时有发生，所以人们 在巷道中的安全性受到极大的影响。其中煤岩组合岩体的动力扰动失稳也是地下 工程中较为严峻的灾害之一。 针对煤岩的动态力学特性,本文对 SHPB 实验装置进行了稍许改进，在入射杆 与透射杆各贴两片应变片，以便更好的得到煤岩体的应力波形。通过计算发现一 维应力理论不适用于煤岩体的波形计算，因此本文提出了对煤岩体的波形进行分 层计算，并提出其计算公式。 本文运用岩石力学、岩石冲击动力学等理论分析了动力扰动下层状岩体的动 力学特性。通过层状在 SHPB 试验系统下的冲击破坏试验得出数据，并同时整理、 分析数据以及同时对破坏后的试件进行研究分析后，得出冲击载荷下层状岩体试 样的破坏过程分析。通过 SHPB 实验装置系统对层状岩体进行单轴冲击试验，并 对实验结果数据的整理与分析，利用一维应力理论得到其应力-应变曲线，综合其 试验后破裂特征与数据分析得到了煤岩组合体试样在单轴冲击下的破坏特征与整 体强度分析。最后利用 Ansys 软件对煤岩组合体破坏规律进行仿真还原，同时对 模拟结果与试验分析处理后的结果相结合，从动态力学性能的角度研究与分析煤 岩组合体的动力学破坏机制。 关键词冲击破坏；煤岩组合体；Ansys 数值模拟；破坏特征；SHPB 实验装置 万方数据 ii 万方数据 iii ABSTRACT With the rapidly development of economy and the main position of industrial industry in economy, the energy resources and consumption have increased gradually. When the mining of ground mineral resources is mined up, the depth of mining resources in many countries are also increased which is called deep mining. However, with the deepening of mining or deep mining process, there are some existing rock mechanics theory that can not be explained exactly on the deep complex rock perance. When the depth of mining is increasing, many complex geography and natural geological problems are also accompanied by the occurrence of coal mine safety accidents, so the safety of people in the roadway has been greatly affected. The volatility of the dynamic disturbance of the coal-rock mass is one of the more severe disasters in the underground engineering. In view of the dynamic mechanical characteristics of coal and rock, this paper makes a slight improvement on the SHPB experimental device. Two stress slices are placed on the rod and the transmission bar, and the stress wave of the coal and rock mass is better obtained. It is found that the one-dimensional stress theory is not applicable to the calculation of wave shape of coal and rock mass. Therefore, this paper presents a hierarchical calculation of the wave of coal and rock mass. The dynamic characteristics of layered rock mass under dynamic disturbance are analyzed by using rock mechanics and rock impact dynamics. The damage process of the layered rock mass under impact loading is obtained by analyzing the data and analyzing the data and analyzing the damaged specimen at the same time. The damage process of the layered rock specimen under the impact load is obtained by analyzing the data under the SHPB test system. The stress-strain curve is obtained by using the one-dimensional stress theory. Through the analysis of the experimental data, the fracture characteristics and data are analyzed by experimental analysis. The results of the stress-strain curve is obtained by the SHPB experimental system. The failure 万方数据 iv characteristics of the rock assemblage specimen under uniaxial impact are analyzed by Ansys software, and the simulation results are combined with the results of the experimental analysis. Perance analysis and analysis of the kinetics of coal and rock failure mechanism. Key WordsBurst Failure；；coal-rock combination; Ansys numerical simulation；； Failure characteristics；；SHPB experimental system 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 目录目录 摘 要...........................................................................................................................................i ABSTRACT.............................................................................................................................iii 第 1 章绪论..................................................................................................................... - 1 - 1.1 研究背景及意义..................................................................................................- 1 - 1.1.1 课题来源..................................................................................................- 1 - 1.1.2 选题目的和意义.....................................................................................- 1 - 1.2 研究现状及评述..................................................................................................- 3 - 1.2.1 岩石动力学研究.....................................................................................- 3 - 1.2.2 层状岩石力学性质研究........................................................................- 5 - 1.3 本文研究内容及方法........................................................................................- 7 - 1.3.1 本文研究内容.........................................................................................- 7 - 1.3.2 本文研究方法.........................................................................................- 8 - 第 2 章 SHPB 装置的试验原理与方法.........................................................................- 9 - 2.1 前言....................................................................................................................... - 9 - 2.2 SHPB 装置的沿革发展....................................................................................- 10 - 2.2.1 SHPB 试验原理简介............................................................................- 13 - 2.3 SHPB 在岩石动力学方面的应用...................................................................- 17 - 2.4 本文所用的 SHPB 装置的应用.....................................................................- 19 - 2.4.1 层状岩石材料存在的问题................................................................. - 19 - 2.4.2 SHPB 实验中层状岩石波形计算.......................................................- 20 - 2.5 本章小结............................................................................................................- 21 - 第 3 章 冲击载荷下组合岩体力学性能试验研究.....................................................- 23 - 3.1 试验技术............................................................................................................- 23 - 3.1.1 试件制备................................................................................................- 23 - 3.1.2 试验设备................................................................................................- 24 - 3.2 试验方法及步骤...............................................................................................- 25 - 3.2.1 概述 ......................................................................................................- 25 - 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 3.2.2 试验方法及步骤...................................................................................- 26 - 3.3 试验结果与分析...............................................................................................- 27 - 3.3.1 冲击载荷下煤岩组合体的破坏模式................................................- 28 - 3.3.2 冲击载荷下煤岩组合体的应力波形分析....................................... - 30 - 3.3.3 冲击载荷下煤岩组合体的变形与强度分析...................................- 32 - 3.4 本章小结............................................................................................................- 36 - 第 4 章 冲击载荷下煤岩组合试样力学响应数值模拟............................................- 38 - 4.1 引言....................................................................................................................- 38 - 4.2 数值模拟方法的选择及其原理.....................................................................- 39 - 4.2.1 数值模拟方法简介............................................................................... - 39 - 4.2.2 数值模拟方法原理..............................................................................- 39 - 4.2.3 本文数值模拟方法选择......................................................................- 40 - 4.3 冲击载荷下煤岩组合体数值模拟................................................................ - 42 - 4.3.1 数值模拟模型建立..............................................................................- 42 - 4.3.2 数值模拟的参数及边界值设置..........................................................- 43 - 4.4 数值模拟结构分析..........................................................................................- 44 - 4.4.1 数值模拟结果应力波形结论分析.................................................... - 44 - 4.4.2 数值模拟位移图结论分析................................................................. - 46 - 4.4.3 数值模拟试样塑性区分析................................................................. - 50 - 4.4.4 数值模拟试样强度分析......................................................................- 52 - 4.5 本章小结............................................................................................................- 56 - 第 5 章 爆破掘进巷道稳定性数值模拟研究.............................................................- 58 - 5.1 巷道掘进动力响应的模拟与分析................................................................ - 58 - 5.1.1 巷道模型及网格划分..........................................................................- 58 - 5.1.2 数值模拟参数选取..............................................................................- 59 - 5.1.3 数值模拟结果及分析...........................................................................- 60 - 5.2 本章小结............................................................................................................- 66 - 第 6 章 结论与展望........................................................................................................ - 67 - 6.1 本文结论............................................................................................................- 67 - 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 6.2 研究的不足与展望..........................................................................................- 68 - 参考文献............................................................................................................................- 69 - 附录 A 攻读硕士学位期间论文发表情况及参与项目............................................- 73 - 致 谢..................................................................................................................................- 75 - 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 - 1 - 第第 1 章章绪论绪论 1.1 研究背景及意义研究背景及意义 1.1.1 课题来源课题来源 依托导师项目 动静组合载荷下复合岩石破坏机理研究（51204068），拟就 冲击扰动下的煤岩组合体的动力响应进行研究和分析，得到煤岩组合体在动力扰 动下的动力响应规律。 1.1.2 选题目的和意义选题目的和意义 近年来，由于地面矿山的挖掘日渐枯竭，国内外许多矿山的开采程度也不断 增加，因此逐渐转向地下深部开采。但是随着进入深部或者在深部采矿过程中， 我们逐渐发现深部岩层岩体存在一些现有岩石力学知识不能专业的解释的问题， 如岩体分区破裂、冲击地压、巷道大范围变形等[1-4]。这些破坏不仅给深部开采有 着巨大威胁，也给工人人身生命安全造成严重威胁。 针对采矿过程中频繁发生的工程危害，世界许多学者纷纷对复杂的岩体环境 进行基础试验研究，世界各国许多学者都积极展开研究，随着研究的不断深入， 各国学者都有着丰富的研究成果。 但是这些研究成果大多集中在同一材质的矿岩， 并把研究的矿岩看作均匀整体。所以，这与现实的工程情况状况存在一定不同， 比如现在一些煤矿存在煤岩组合岩体、层状岩体、多种岩类岩体。在这种现场情 况下，采空区或巷道的安全与稳定就依靠于煤岩组合岩体或层状岩体的整体力学 性能。那么这种煤岩组合岩体或层状岩体的整体强度、力学性能如何得出，和每 一种构成的岩石的强度之间有着何种联系，整体的力学响应性能如何，两种不同 材料接触的端面对整体力学响应是否有一定影响等，这些都是需要我们去研究的 问题。 现已有研究成果表明，复杂岩层与浅部岩层更加复杂且由于受种种影响，其 受扰情况存在明显不同。岩石在受到工程扰动、爆破、地震等冲击荷载或准冲击 载荷，即岩体处在一种冲击载荷的受力状态[5]。因此，在采矿中的环境实际上是 万方数据 第 1 章绪论 - 2 - 处在动应力作用之下，即是岩体处于冲击荷载施加载荷的作用状态。在冲击扰动 环境中下，单一岩体与层状岩体在同样的环境中必然存在不同的力学性能，而这 种区别正式我们现有研究成果所缺乏的，这正是我们无法解释在复杂的层状岩体 情况下我们无法做出更好的解释的关键原因之一。 根据已有的统计报告显示，世界各国的矿产开采深度已经达到甚至超过 1000m，并且其开采深度每年大概增加 812m，图 1.1 是当前主要的几个资源开 采国就目前的开采深度，如图可知南非的开采深度领先其他各国其，其大部分矿 产开采都已进入深部开采行列，其中不乏有开采深度甚至超过 6000m，如 West Driefoten 金矿的矿体，这就表明以后深部开采的深度可能会突破 6000m 以下。根 据我国相关部门的勘测，我国 53的矿产资源的都深埋在 1000m 甚至之下，这些 矿产资源都是我国工业发展的重要保障，直接影响到我国的经济命脉；其中如冬 瓜山铜矿、红透山铜矿的掘进面都已突破 1000m，向更深的地层开挖，湘西金矿、 凡口铅锌矿、寿王坟铜矿、金川镍矿、高峰锡矿等都将进入到深部开采系列[6] 在进开采深度不断增加时在我国制定的采矿准则中标注，当开采深度达到 600900m 时就已经是深部开采）以后，因为岩石本身受到重力作用时，产生的 垂直地应力已达到自然条件下的岩体的抗压强度20MPa，同时由于工程施工时 机械作业的扰动或爆破所引发的震动所产生的冲击扰动更是比工程环境中的岩体 的岩体强度40MPa超出甚多。根据可查资料可知，深部的各类岩体的形成错综 复杂，并由于不断的大陆板块的发展、移动时碰撞等原因，形成了构造、残余两 种应力场，两种应力场由于日积月累的运动叠加作用，最终形成高应力环境，成 为了一种特别的应力场。有研究学者对地下垂直原始应力测试可知，当深度达到 或超过 26006000m 时，地应力大约处在 88125MPa 范围内[7]。因此，在这样高 的应力现场情况下进行深部采矿工作，对从采矿工作者的安全与高效采煤面临严 峻挑战。 有学者经研究分析得到，“三高一扰动”是深部开采的重要特征，即高地应力、 高地温、高岩溶水压和工程的施工冲击，而岩层的失稳破坏的引发与其特殊环境 和开采的动力扰动有着直接的联系。所以，当开采深度不断向下时，因为复杂的 力学环境，我们所面临的岩爆可能发生的概率及大小和强度也会随之上升。 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 - 3 - 图 1.1 各国开采深度 Fig.1.1 Mining depth by country 在岩石工程中，层状岩石由于在开采过程中，不断承受爆破冲击、施工作业 等冲击动力加载影响。所以，对冲击载荷下煤岩组合体的试验有着重要意义，因 此对煤岩组合体的冲击破坏规律研究势在必行。 1.2 研究现状及评述研究现状及评述 1.2.1 岩石岩石动动力学研究力学研究 因施工扰动，如工程爆破、机械作业的扰动等产生的动态扰动对岩体的力学 性能响应，岩体的动态响应特种有多种形式体现，如应力播、声发射、电波和动 力扰动等的传播特征都可反应， 而这些机理都可作为在岩石的动力学机理的方向， 并对岩石的动态响应的引发机理和发展提供了更多的研究方向。 当前材料在动力扰动下需要主要以研究应变为主。当前，材料在此应变率下 的进行岩体动力学性能研究的设备主要有两种第一种为岩石气动快速加载机， 能够实现在应变率下的试样本构参数的量定。第二种为霍布金逊杆，也能够进行 在应变率下的岩石本构参数的量定。 对煤岩体进行动力扰动试验的科学关键在于探讨试样在动力扰动影响下动态 响应以及应力波在整个试验中的传播及边界效应。在施工过程中的不间断扰动环 境下对巷道的复杂岩层的破坏的预警所发生的地运动的预警和对层状岩体地下工 程结构的稳定性的监测， 如果能从中找到与地下工程结构的抗爆的破坏诱发原因， 还有对于地下工程施工环境的安全设计等条件充分的研究出深部层状岩体的在冲 万方数据 第 1 章绪论 - 4 - 击载荷的动态机制与本构关系，尤其是在爆破、震动加载影响下的联系，这些都 是探讨支护体系设计、岩体岩爆机理、应力波传播特征以及地下工程，岩土工程 等这些研究必备的重要资料[8] 关于岩石冲击动力学的性能机理，大多是以在特定的速率加载为条件下的材 料的响应。文献[9]系通过以 10-4～82MPa/s 冲击速度完成了花岗岩的动态冲击实验， 通过结果分析得到此周期内的花岗岩的破坏响应机理，以及其变化规律。文献[10] 则利用高压动三轴仪， 并用三种不同的加载速率分别对试件实现了动态压缩试验， 同样也得到了岩样的整体强度随加载速率变化的联系。李海波、赵坚[11]等曾经也 进行了动力学扰动试验，通过数据分析显示单轴冲击荷载的扰动下岩呈现出锥 型破裂形式把此种破坏模式与试验时端部摩擦影响联系，而在三轴条件下岩体 试件呈剪切破坏模式；当把应变速率从 4 10 1 s调整到 0 10 1 s时，随即可得到其破坏 强度的临界点会增加 15，其数据分析还显示，当在施加载荷速度啄步上升的条 件下时，试样的各类参数大小并未产生显著的变化，李夕兵[12]、郑永来[13]、单仁 亮[14]等使用 Hopkinson 实验装置分别对多种不同岩石种类进行了冲击破坏试验， 并对其破坏机制和冲击动力响应机理进行了阐明。 为了对冲击荷载的材料做出更好的分析与解释，为深部工程中动力扰动下的 岩石的力学特性提供理论基础，世界各国学者都对此做出了大量的试验与理论分 析研究F.Birch[15]研对在静水压条件下，探讨研究了围压与弹性波波速的关系并 指出，当围压不断增大时，对同时传播在该孔中的空隙的应力波波速也会不断增 加，所以得出围压变大使得传播波的介质的空隙变小的原因。黄承贤等[16]对为了 研究围压对弹性波的影响，通过试验发现当轴压和围压处于较小时段时，当围压 不断变化时其弹性波速会迅速增大，但当轴压和围压相对较大时，则其波速的变 化速率相对应会减小。刘殿书等[17]为了研究对爆破应力波在动光弹条件下其波的 传播过程进行分析与研究，试验后发现冲击应力波的传播轨迹在有原始地应力作 用时会改变其波形的传播轨迹原始地应力所对应的方向其压应力值增大，但拉 应力部分其应力值减小，则会导致在波的传播路程中波会愈来愈小和反射波波头 表现不明显，但其压缩波头得到了增大，由此导致压缩破碎区域变大，即破碎范 围增大。钱七虎、戴俊等[18]等为了得到深部巷道因其特有的应力环境下坍塌时其 动态参数，认为爆破应力波因高地应力的影响会阻缓波的传播，当地应力增大时， 万方数据 湖南科技大学硕士学位论文 - 5 - 最小抵抗线减小会使其炮孔距离增大，会使炸药用量与炮孔数不断增多。 万国香等[19]为了研究岩石在动力扰动下的损伤破裂机理与特性，对花岗岩通 过 SHPB 试验系统进行了其在冲击荷载下的破坏实验。根据实验结果得到，不同 动应力下岩石碎裂的颗粒散布的率变效应明显，且岩石破坏的裂纹通过张开位移 法得到其裂纹宽度。金解放等[20]为了研究岩石在冲击荷载下的破坏机制，通过对 不同的砂岩试样在 SHPB 试验系统上反复冲击。主要以研究试样与杆交接界面的 摩擦为主，以区别静应力影响对试样的受力环境进行分析。研究表明岩石试样 通过循环动应力作用后的破坏形式受静应力的连接形式影响较大；当无静应力影 响时，岩石由于反复的冲击会逐渐破裂成几块，破裂面与纵向面处于同一水平面， 此为张应变破坏。金解放等[21]为了研究岩石在不同轴压下的反复冲击后的动应力 响应与破坏特征，对岩石通过 SHPB 试验系统进行冲击荷载下的试验。 1.2.2 层状岩石层状岩石力学性质研究力学性质研究 左建平等[22]以 MTS815 试验机对煤岩组合体进行了不同等级的循环加载研究。 通过试验分析试样通过此种加卸载后其破坏特征主要为脆性损坏，但在单轴影 响下而言，试样在循环加卸载影响下的破碎更加严重，其结构岩层的破坏强度增 大，相反，其应变有所减小。郭东明等[23]为了对煤岩组合体在单轴抗压试验下其 试样的裂纹扩散、生长更好的观察与分析，对此采用工业 CT 检测方法和对应试 验系统，对煤岩组合体在试验中进行及时 CT 扫描，根据实验结果，随着试验的 不断进行最后试样的破坏形式呈现为剪切破裂带，最终可从宏观角度煤岩组合体 的破坏形式为剪切破坏。赵毅鑫等[24]研究煤与岩体通过两种不同形式组合并通过 受压后分析其在破坏时能量耗散规律。通过红外像、声发射、应变仪等观察技术 同时