加载速率影响下的类煤岩力学及损伤演化特性研究.pdf

万方数据 论文题目论文题目 加载速率影响下的加载速率影响下的类煤岩类煤岩力学及损伤演化力学及损伤演化 特性研究特性研究 作者姓名作者姓名 赵振龙赵振龙 入学时间入学时间2015 年年 09 月月 专业名称专业名称采矿工程采矿工程 研究方向研究方向矿山压力及其控制矿山压力及其控制 指导教师指导教师 蒋宇静蒋宇静 职职 称称 教教 授授 文志杰文志杰 副副 教教 授授 论文提论文提交日期交日期2018 年年 6 月月 论文答辩日期论文答辩日期2018 年年 6 月月 授予学位日期授予学位日期 万方数据 STUDY ON MECHANICAL CHARACTERISTICS AND DAMAGE EVOLUTION OF COAL-ROCK MASS UNDER DIFFERENT LOADING RATES A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Zhao Zhenlong Supervisor Professor Jiang Yujing College of Mining and Safety Engineering June 2018 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 摘摘 要要 煤矿开采过程中，由于煤层赋存条件及开采技术条件的不同，受采动应力、 构造应力、施工扰动等的影响，煤体或岩体常处于不同荷载速率的影响下。本 文从宏观与细观联合分析的角度，通过自主研制的采动应力试验系统对 500mm150mm150mm 尺寸的类煤岩试件进行了不同应力加载速率的应力转 移试验，利用液压伺服刚性试验机进行了石膏材料和水泥砂浆材料（尺寸， 100mm100mm200mm）的不同位移加载速率的单轴压缩试验，借助于颗粒离 散元分析软件进行了单轴压缩模型的构建和不同加载速率的数值模拟试验，并 利用声发射参数和损伤裂纹演化规律进行了损伤本构模型的构建，主要分析和 研究了加载速率对煤岩体力学特性、声发射规律和损伤演化关系等的影响。研 究结果表明 （1）单轴压缩过程中，煤岩体的声发射规律主要经历试件压密及弹性变形 时期的声发射信号数少，到试件破裂失稳时期的声发射数突增，再到试件损伤 残余时期的信号数骤减 3 个声发射主要变化时期； （2）在不同应力加载速率的采动应力转移试验中，应力以 1kN/s、3kN/s、 5kN/s 不同的速度向试样内部转移的过程中， 试样的破坏特征及声发射参数呈现 明显的阶段性规律，随着应力转移速度的增大，各区域声发射振铃计数率和累 积振铃计数明显减小的趋势，振铃计数增加的幅度越来越小但是，应力转移期 间振铃计数增长率却随着应力转移速率的增大而增大； （3）比较不同位移加载速率下的石膏材料类煤岩试件的声发射率规律，加 载速率对煤岩材料声发射信号的影响是显著的，随着加载速率的增大，声发射 率明显升高，表现出声发射活动更为剧烈，主要是由于在低应变率下，试件内 微小裂隙缓慢发育和扩展，而较快的加载速率使微小裂隙来不及发展，能量不 断积聚，在应力峰值点附近导致突然释放，产生较大的瞬时声发射率； （4）比较不同位移加载速率下的水泥砂浆材料试件，加载速率越大，破坏 越集中于某一宏观断裂面，破坏形态从多宏观断裂面向单一宏观断裂面转变， 整体破碎度程度降低，加载速率为 0.01mm/s 时宏观断裂面呈现“Ⅹ”型，加载速 率为 0.02mm/s 时宏观断裂面呈现“Ⅴ”型，加载速率为 0.05mm/s 宏观断裂面呈 现“Y”型的锥形破坏形态，加载速率为 0.10mm/s 时试件呈现出沿对角线破坏的 I 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 剪切破坏特点； （5）煤岩试件的损伤演化过程可分为初始损伤阶段，损伤稳定发展阶段， 损伤加速发展阶段 3 个阶段，加载速率对损伤发展的影响主要表现损伤稳定发 展阶段，即加载速率越大，试件开始进入损伤稳定发展阶段的应变值越小，且 应变范围越小。 关键词关键词采矿工程，加载速率，力学特性，损伤演化，声发射，本构方程 II 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 ABSTRACT In the process of coal mining, due to different coal seam and mining technology conditions, coal or rock mass is often affected by different loading rates that is caused by mining-induced stress, tectonic stress and construction disturbance. In this paper, stress transfer test of different loading rates was carried out by mining-induced stress testing machine, and uniaxial compression tests of gypsum materials and cement mortar materials at different loading rates were carried out by using hydraulic servo rigid testing machine. And with the help of particle discrete element analysis software, the construction of uniaxial compression model and related numerical simulation analysis were carried out, and the damage constitutive model was built by acoustic emission evolution law. From the perspective of macro and micro analysis , the mechanical characteristics, acoustic emission rule and damage evolution relationship of coal and rock mass are analyzed and studied. 1 In the process of uniaxial compression, the acoustic emission law of coal and rock mass is mainly experienced by 3 periods. Number of acoustic emission signal is small during the compaction and elastic period, and the number of acoustic emission increases abrupt in the stage of fracture instability, and the number of signals in the residual phase of the specimen is reduced. 2 During stress transfer test of different stress loading rates, the failure characteristics of the specimen and the acoustic emission parameters present a distinct phase rule. Maximum ringing count of the corresponding region is decreasing, and the cumulative ringing count of the acoustic emission is most obviously more than 3kN/s when the velocity of transfer is 1kN/s. during the transfer of stress at different speeds of 1kN/s, 3kN/s and 5kN/s, III 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 3 The effect of loading rate on acoustic emission signals of coal and rock material is significant. With the increase of loading rate, the acoustic emission rate is obviously increased and the acoustic emission activity is more intense. 4 The greater the loading rate, the more concentrated the damage to a certain macro fracture surface, and the failure changes from a multi macro fracture to a single macro fracture surface, and the degree of overall fragmentation is reduced. 5 The damage evolution process of coal rock specimen can be divided into initial stage of damage, the stage of damage stable development and the stage of damage accelerating development. The effect of loading rate on damage development mainly shows the stage of damage stability, that is, the greater the loading rate, the smaller the strain value is, and the strain range is smaller. Keywords mining engineering, loading rate, mechanical properties, damage evolution, acoustic emission, constitutive equation IV 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 目目 录录 摘摘 要要 ........................................................................................................ I 目目 录录 ..................................................................................................... V 1 绪绪 论论 ..................................................................................................... 1 1.1 研究目的和意义 ..................................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 ..................................................................................................... 3 1.3 主要研究内容及技术路线 ..................................................................................... 7 1.4 主要创新点 ............................................................................................................. 9 2 煤岩体损伤演化规律研究煤岩体损伤演化规律研究................................................................. 10 2.1 煤岩破坏机制 ....................................................................................................... 10 2.2 颗粒离散元理论 ................................................................................................... 15 2.3 本章小结 ............................................................................................................... 24 3 采动应力不同演化速率的仿真采动应力不同演化速率的仿真 ........................................................ 25 3.1 理论基础 ............................................................................................................... 25 3.2 试验系统介绍 ....................................................................................................... 27 3.3 不同转移速率的采动应力试验 ........................................................................... 32 3.4 本章小结 ............................................................................................................... 41 4 加载速率影响下的煤岩体力学特性的研究加载速率影响下的煤岩体力学特性的研究 .................................... 43 4.1 类煤岩试件制备 .................................................................................................... 43 4. 2 试验设备及方案 .................................................................................................. 44 4.3 石膏材料试件特性分析 ....................................................................................... 45 4.4 水泥砂浆试件特性分析 ....................................................................................... 50 V 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 4.5 本章小结 ............................................................................................................... 52 5 加载速率影响下的煤岩试件损伤模型构建加载速率影响下的煤岩试件损伤模型构建 .................................... 54 5.1 煤岩不同损伤本构关系模型 ............................................................................... 54 5.2 数值模型 ............................................................................................................... 54 5.3 基于细观裂纹演化规律的损伤本构模型 ........................................................... 57 5.4 本章小结 ............................................................................................................... 59 6 结论及展望结论及展望 ......................................................................................... 60 6.1 主要结论 ............................................................................................................... 60 6.2 展望 ....................................................................................................................... 61 参考文献参考文献 ................................................................................................... 63 硕士期间的主要成果硕士期间的主要成果 ............................................................................... 70 致致 谢谢 ....................................................................................................... 71 VI 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 Conntents Abstract ........................................................................................................................... I Contents ........................................................................................................................ V 1 Introduction ............................................................................................................. 1 1.1 Purpose and Significance........................................................................................................... 1 1.2 Research status at home and abroad .......................................................................................... 3 1.3 Main research contents and technical route ............................................................................... 7 1.4 Main innovation points .............................................................................................................. 9 2 Law of coal and rock damage .............................................................................. 10 2.1 Failure mechanism of coal and rock ........................................................................................ 10 2.2 Particle discrete element theory ............................................................................................... 15 2.3 Conclusions ............................................................................................................................. 24 3 Simulation of different rates of mining-induced stress ..................................... 25 3.1 Theoretical basis ...................................................................................................................... 25 3.2 Introduction of testing system ................................................................................................. 27 3.3 Experiments under different transfer rates ............................................................................... 32 3.4 Conclusions ............................................................................................................................. 41 4 Influence of loading rates on mechanical properties ......................................... 43 4.1 Preparation of specimens ......................................................................................................... 43 4.2 Test equipment and scheme ..................................................................................................... 44 4.3 Gypsum specimens .................................................................................................................. 45 4.4 Cement mortar specimens ....................................................................................................... 50 4.5 Conclusions ............................................................................................................................. 52 5 Construction of damage model under different loading rates .......................... 54 5.1 Different Constitutive relation models .................................................................................... 54 5.2 Numerical model ..................................................................................................................... 54 5.3 Constitutive model based on crack evolution rule ................................................................... 57 5.4 Conclusions ............................................................................................................................. 59 VII 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 6 Conclusion and Prospect ...................................................................................... 60 6.1 Main conclusions ..................................................................................................................... 60 6.2 Prospect ................................................................................................................................... 61 References .................................................................................................................... 63 Main achievements ..................................................................................................... 70 Acknowledgements ..................................................................................................... 71 VIII 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 绪绪 论论 1.1 研究目的和意义研究目的和意义 煤炭资源作为我国的主要生产和消费能源，在我国现有的能源结构体系中 约占一次能源消费的 60， 并且在未来相当长的时间内仍将占有 5～6 成以上的 比例，对我国社会经济的发展和能源体系的稳定发挥着重要作用[1-3]。同时，我 国的煤炭资源储量丰富，已探明的资源量约占世界总量的 12，因此，保证煤 矿安全生产对煤炭工业的可持续发展及经济社会的健康稳定具有重要意义。然 而，受浅部煤炭资源开采殆尽和粗放式开采方法弊端的影响，并且随着向深部 要资源的“深部采矿”战略的实施，冲击地压、煤与瓦斯突出等与煤（岩）失 稳破坏相关的动力灾害日趋严重，严重威胁着煤炭资源的安全高效开采[4-9]，因 此，新时期在“精准开采”思想的指引下[10-11]，对各种复杂条件下的煤岩体力 学特性的研究越来越引起人们的重视。煤炭开采过程中，由于煤层赋存条件及 开采技术条件的不同，受采动应力、构造应力、施工扰动等的影响，煤体或岩 体常处于不同荷载速率的影响下。煤矿开采、金属矿爆破、隧道开挖等岩体工 程建设施工过程中，冲击地压、岩爆、煤与瓦斯突出、围岩失稳等灾害的发生 与作用在煤岩体上的应力的加载速率密切相关[12-13]。 以煤矿中的巷道掘进速度和回采工作面推进速度为例，采掘速度能够间接 影响作用在采掘空间周围煤岩体上的应力加载速率，进而影响煤岩体的破坏规 律[14-18]，如采掘速度过慢，采掘空间周围煤岩应力不断累积，而采掘速度过快， 容易导致冲击地压等事故，图 1.1 所示为掘进速率过快引起的巷道严重变形事 故。在采矿工程中，如，2008 年 7 月 15 日在鸡西矿区的城山煤矿开采工程中， 在某一工作面回采大约 9m 左右时，由于设备维修等原因停止作业，导致作用 在采动空间周围煤岩体上的应力集中效应不断加大，围岩的变形进一步得到累 积，在 18h 再次开挖后，二次采动诱发煤岩体上的加载速率瞬间增大，引发了 严重的冲击地压事；2013 年 1 月 12 日，由于五龙煤矿 3431B 掘进工作面设计 不规范，工作面布置出现了严重的错误，在掘进过程中导致掘进面前方的煤岩 体处于较大的集中应力影响下， 当应力集中超过该处煤岩体的力学承载极限时， 发生了造成 8 人死亡的冲击地压事故；同年 10 月份，王庄煤矿在对厚煤层应用 大采高一次采全高采煤方法开采过程中，由于回采初期的推进速度过快，作用 1 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 在围岩上的应力来不及释放，当工作面推进至一定距离后，煤壁发生了严重的 片帮现象，进一步导致顶板破碎、冒顶，给安全生产造成了很大的隐患；2014 年 5 月，乌东煤矿某采区由于开采深度的不断增加，在采动应力、原岩应力及 构造应力的叠加作用下，顶板应力对预留煤柱和岩柱的加载速率增加，致使又 一起冲击地压事故的发生。在水力水电工程中，2009 年在锦屏二级水利水电工 程中，由于开挖速率过快，围岩中的集中应力来不及释放，不断累积的应力导 致施工过程中的排水洞发生岩爆，导致洞内的支护设施发生大范围的毁坏，进 而引发了排水洞的大面积塌方事故。这些由于作用在煤岩体上的应力加载速率 的变化引起的安全事故严重影响着采矿等相关岩体工程的施工进展和作业人员 安全。 a 回采巷道 b运输大巷 图 1.1 灾后巷道破坏情况 Fig. 1.1 Disaster field 在矿山岩体力学的研究中，作用在煤岩体上的应力加载速率不是一个稳定 的参数，其变化范围比较大，不同开采条件下的煤岩体常处于不同量级和幅度 的加载速率影响下。如，在爆破掘巷和爆破回采过程中，由于爆破引起的作用 在煤岩体上的应力卸载速率极快，在几