本文關(guān)鍵詞：斷層帶瓦斯突出對(duì)巷道圍巖動(dòng)力效應(yīng)及防護(hù)研究

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【摘要】：斷層帶巖石與瓦斯突出是一種復(fù)雜的破壞性動(dòng)力現(xiàn)象,會(huì)在巷道內(nèi)產(chǎn)生沖擊波,造成人員傷亡和破壞井下機(jī)電設(shè)備。突出產(chǎn)生的沖擊波作用在圍巖體上時(shí),會(huì)引起巖體質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生搖擺和振動(dòng),使井下巷道發(fā)生局部破壞,甚至?xí)鹫w坍塌和地(礦)震等地質(zhì)災(zāi)害,嚴(yán)重威脅井下生產(chǎn)安全。為了深入研究斷層帶巖石(煤)與瓦斯突出機(jī)理以及突出沖擊波的動(dòng)力效應(yīng),本文首先從彈性力學(xué)角度分析了巖柱內(nèi)裂紋面上的應(yīng)力狀態(tài),通過(guò)分析裂紋尖端周邊的應(yīng)力場(chǎng),認(rèn)為斷層帶巖石(煤)與瓦斯突出是斷裂帶孔隙氣壓力達(dá)到裂紋起裂條件,裂紋發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展從而產(chǎn)生破壞的動(dòng)力現(xiàn)象。其次,根據(jù)波動(dòng)基本理論推導(dǎo)了斷層帶線狀突出沖擊波峰值超壓和速度方程;結(jié)合大平煤礦10.20突出事故案例,利用LS-DYNA有限元和LS-Pre Post后處理軟件,模擬分析了線狀突出沖擊波對(duì)巷道圍巖的動(dòng)力效應(yīng)。最后,通過(guò)斷裂力學(xué)分析了裂紋尖端的應(yīng)力狀態(tài),修正了微元體中有效應(yīng)力的表達(dá)式,建立起了巖柱安全厚度的計(jì)算模型,運(yùn)用ABA QUS模擬的煤巖體的蠕變應(yīng)變曲線,推導(dǎo)出了安全巖柱與蠕變應(yīng)變和時(shí)間的關(guān)系式,可為巷道安全施工提供一定的理論支持。本文取得了以下主要研究成果:(1)、在地應(yīng)力和高壓瓦斯等自然力營(yíng)造環(huán)境中,工程開(kāi)挖的擾動(dòng)導(dǎo)致掌子面附近巖體中的有效應(yīng)力減小,滲透率增大。當(dāng)斷層帶裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到巖體的斷裂韌度,孔隙氣壓力達(dá)到裂紋起裂條件時(shí),微裂紋會(huì)逐漸擴(kuò)展、貫通,巖體發(fā)生失穩(wěn)破壞,高壓瓦斯氣體沿著貫通的裂隙高速運(yùn)動(dòng),發(fā)生巖石與瓦斯突出現(xiàn)象。(2)、瓦斯突出發(fā)生后,斷層露頭處瓦斯流的速度和壓強(qiáng)超過(guò)臨界狀態(tài)時(shí),會(huì)在巷道采空區(qū)形成沖擊波。沖擊波邊界與開(kāi)挖巷道軸向的夾角為突出擴(kuò)散角?,與巷道頂?shù)装逍纬闪藘蓚�(gè)三角形區(qū)域,該區(qū)域無(wú)沖擊波直接作用,稱(chēng)礦井突出盲區(qū)。沖擊波是一種強(qiáng)烈的壓縮波,依照空氣動(dòng)理論推導(dǎo)出了波陣面的超壓參數(shù)方程,超壓與突出總能量成正比,與傳播距離成反比。(3)、漏斗狀沖擊波傳播邊界與巷道頂?shù)装褰唤绮课?巖體質(zhì)點(diǎn)的動(dòng)力破壞最嚴(yán)重,速度峰值可達(dá)78.015cm/s,為巷道最大破壞區(qū)。沿巷道軸向,當(dāng)圍巖某質(zhì)點(diǎn)處的沖擊波超壓峰值衰減為0.02MPa,或者振動(dòng)速度小于5cm/s時(shí),該質(zhì)點(diǎn)正好處于安全極限狀態(tài)。極限點(diǎn)至最大破壞區(qū)的距離是沖擊波衰減區(qū),衰減區(qū)內(nèi)巖體仍有破壞現(xiàn)象,本文案例中衰減區(qū)的長(zhǎng)度計(jì)算值為280m。(4)、在巷道橫向剖面上,沖擊波對(duì)巷道側(cè)壁的侵蝕相對(duì)較輕。距離掌子面120m以?xún)?nèi)的范圍內(nèi),頂壁節(jié)點(diǎn)的速度和位移峰值均比側(cè)壁的相應(yīng)值高2-4倍;而120m以外,頂壁和側(cè)壁的速度與位移值逐漸趨于相同。當(dāng)巖體較為軟弱時(shí),其沖擊質(zhì)點(diǎn)的振幅較大。當(dāng)巖體彈性模量減小到0.05GPa時(shí),振幅已增加到64.776mm,巷道破壞效應(yīng)也相應(yīng)增大。(5)、應(yīng)用斷裂力學(xué)理論,分析了巖體在地應(yīng)力和瓦斯氣壓力共同作用下,裂紋尖端的應(yīng)力狀態(tài),通過(guò)應(yīng)力強(qiáng)度因子建立了臨界開(kāi)挖厚度計(jì)算模型。應(yīng)用ABAQUS模擬出了煤巖體的蠕變應(yīng)變曲線,推導(dǎo)出了安全開(kāi)挖厚度與蠕變應(yīng)變及時(shí)間的關(guān)系式,彌補(bǔ)了該領(lǐng)域的空白,與實(shí)際工程相比較,具有較高的吻合性。
【學(xué)位授予單位】：鄭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TD713

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：1276496