煤礦瓦斯爆炸危害極大,可在較短的時(shí)間內(nèi)造成群死群傷。而且一旦發(fā)生事故,爆炸波還會(huì)破壞巷道圍巖材料及結(jié)構(gòu),使巷道失效破壞、甚至垮塌,造成人員被困,進(jìn)而直接阻礙救援工作的開(kāi)展,給救援帶來(lái)極大困難。本文研究了瓦斯爆炸載荷與地應(yīng)力耦合作用下巷道損傷破壞效應(yīng),綜合運(yùn)用理論分析、實(shí)驗(yàn)研究及數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,研究了巷道圍巖材料及其結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)及圍巖損傷特性,取得創(chuàng)新結(jié)果如下:(1)研究了煤巖體材料的靜、動(dòng)態(tài)力學(xué)性能,揭示了其在高速?zèng)_擊壓縮過(guò)程中的裂隙演化規(guī)律及損傷特征。發(fā)現(xiàn)與靜態(tài)壓縮不同,動(dòng)態(tài)壓縮在曲線回彈階段會(huì)出現(xiàn)明顯的滯回現(xiàn)象;硬度較大的石灰?guī)r的破裂形態(tài)表現(xiàn)為徑向破壞,而硬度較小的煙煤試樣的破裂形態(tài)表現(xiàn)為剪切破壞;此外,研究了沖擊載荷與試樣破碎尺度分布特征的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)小尺度試樣碎片的分布特征隨沖擊載荷的增大而明顯。(2)揭示了瓦斯爆炸載荷與深部高應(yīng)力耦合作用下巷道圍巖的應(yīng)力演化規(guī)律。發(fā)現(xiàn)與淺埋基巖相比,深部煤巖體在瓦斯爆炸載荷和高應(yīng)力耦合作用下,圍巖內(nèi)的應(yīng)力時(shí)程曲線呈多波峰特點(diǎn),巷道圍巖先后受到?jīng)_擊波、壓縮波以及彈性波的作用,對(duì)應(yīng)產(chǎn)生了多個(gè)應(yīng)力波峰、負(fù)壓區(qū)以及明顯的應(yīng)力振蕩。在巷道角隅處應(yīng)力曲線存在一定的滯留期,且隨地應(yīng)力的增大,滯留周期會(huì)減小,甚至消失。(3)研究了爆炸載荷和地應(yīng)力耦合作用下的巷道圍巖損傷機(jī)制,提出了其損傷分區(qū)劃分方法。發(fā)現(xiàn)在爆炸載荷和地應(yīng)力耦合作用下,巷道圍巖損傷區(qū)大致呈梯形分布,且損傷范圍分為三個(gè)區(qū)域,即完全損傷區(qū)、塑性損傷區(qū)和彈性損傷區(qū)。此外,在爆炸載荷與初始應(yīng)力耦合作用下,巷道頂?shù)装褰怯缣帟?huì)出現(xiàn)應(yīng)力集中,在水平和豎直方向均呈現(xiàn)出明顯的擴(kuò)張變形,導(dǎo)致巷道在角隅處產(chǎn)生宏觀破壞,而在兩幫和頂?shù)装逦闯霈F(xiàn)明顯的宏觀破壞。(4)發(fā)現(xiàn)了爆炸載荷誘發(fā)的地應(yīng)力瞬態(tài)卸荷現(xiàn)象,揭示了兩者耦合作用下巷道圍巖的損傷規(guī)律。瓦斯爆炸造成的瞬態(tài)卸荷主要發(fā)生在巷道兩幫和頂?shù)撞恐車(chē)〔糠謪^(qū)域,且隨著側(cè)壓系數(shù)的增大,巷道兩幫圍巖塑性損傷范圍減小。研究結(jié)果對(duì)于豐富和完善高地應(yīng)力、爆炸載荷和瞬態(tài)卸荷耦合作用致災(zāi)機(jī)理具有一定的學(xué)術(shù)價(jià)值和科學(xué)意義,對(duì)指導(dǎo)巷道抗爆設(shè)計(jì)具有現(xiàn)實(shí)意義。另外,相關(guān)研究成果發(fā)表論文2篇,其中SCI已發(fā)表1篇,EI發(fā)表1篇。
【學(xué)位單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類(lèi)】：TD712.7
【部分圖文】：

圖 1-1 瓦斯爆炸事故現(xiàn)場(chǎng)巷道破壞情況Figure 1-1 Roadway damage at the scene of gas explosion accident因此，開(kāi)展瓦斯爆炸載荷與高地應(yīng)力耦合作用下的巷道損傷失穩(wěn)機(jī)制研究，不僅對(duì)豐富和完善高地應(yīng)力、爆炸載荷和瞬態(tài)卸荷耦合作用致災(zāi)機(jī)理具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和科學(xué)意義，對(duì)指導(dǎo)巷道抗爆設(shè)計(jì)也具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀（Review）在不斷創(chuàng)新發(fā)展的潮流下，國(guó)內(nèi)外也格外注重科研創(chuàng)新能力的發(fā)展，因此不斷出現(xiàn)新理論、新技術(shù)和新方法來(lái)促進(jìn)學(xué)術(shù)科研的進(jìn)步。目前，我國(guó)在采礦工程、地質(zhì)工程、巖土工程等領(lǐng)域也采用了許多新的理論、技術(shù)和方法。其中，圍巖損傷的研究從以前的簡(jiǎn)單理論分析已經(jīng)深入到其他學(xué)科交叉研究，比如，結(jié)合數(shù)學(xué)學(xué)科和統(tǒng)計(jì)論，建立了圍巖統(tǒng)計(jì)損傷理論和損傷本構(gòu)模型，這已經(jīng)從定性分析向定量分析方向發(fā)展。目前，很多巖土工程學(xué)者針對(duì)圍巖損傷問(wèn)題，提出可以通過(guò)損傷因子和損傷變量這兩個(gè)參數(shù)來(lái)分析圍巖的破壞特性和損傷范圍的劃分。1.2.1 爆炸載荷對(duì)圍巖沖擊破壞研究現(xiàn)狀

載荷的加載速率，爆炸載荷的方向也會(huì)顯著改變硐室的破壞形環(huán)載荷的施加也會(huì)加劇巖體的破壞[15-16]。當(dāng)然，圍巖性質(zhì)也是巖石密度，低密度松散有裂隙的介質(zhì)可降低爆炸應(yīng)力[17]。人采用 FEM–DEM 方法（即有限元和離散元結(jié)合的方法）研究質(zhì)的非均勻性，爆炸載荷對(duì)巖石的破壞效果具有高度的非均勻誘發(fā)的上述巖石損傷，會(huì)大大降低巖體的抗壓、抗剪能力[19]，定性。Ver ma 將爆炸載荷下巷道圍巖內(nèi)部損傷分為三個(gè)區(qū)：動(dòng)區(qū)（如圖 2 所示）[20]。此外，爆炸載荷對(duì)巷道圍巖穩(wěn)定性素作用，孫惠香等人對(duì)爆炸沖擊波造成的應(yīng)力傳播和加載過(guò)程跨度關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)研究[21]。Ma 等人利用 AUTODYN 模擬石硐室的損傷效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)巷道穩(wěn)定性與和巷道形狀、爆炸載荷度都有直接關(guān)系[22]，王豪等人也發(fā)現(xiàn)巷道形狀對(duì)爆炸載荷的作關(guān)系[23]。同時(shí)，巷道的埋藏深度及所受應(yīng)力的側(cè)壓系數(shù)也會(huì)顯的破壞效果[24-25]。而且隨著爆炸在巷道中的傳播，巷道中的爆多次反射現(xiàn)象，造成巷道不同位置處的破壞效果存在很大不同

圖 2-1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖Figure 2-1 Schematic of the experimental system1）壓力加載系統(tǒng)力加載系統(tǒng)主要包括 MTS 試驗(yàn)機(jī)與操作主機(jī)，如圖 2-2 所示。M驗(yàn)力測(cè)量最大值可達(dá)到 1000KN，其測(cè)試范圍為 0.2%~100%FS。設(shè)置應(yīng)力加載方式，本章采用位移控制的方式，位移分辨率，同時(shí)測(cè)量形變的范圍為 10~800mm，其分辨率為 0.008mm。本作主機(jī)，對(duì)試樣進(jìn)行單軸壓縮，同時(shí)在通過(guò)操作主機(jī)中可以得到載力等參數(shù)的時(shí)程曲線。
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