本文關(guān)鍵詞：高強度開采工作面礦壓顯現(xiàn)的推進速度效應分析

  更多相關(guān)文章： 加載速率 推進速度 礦壓顯現(xiàn)規(guī)律 高強度開采 動載沖擊

【摘要】：本文從巖石在不同加載速率下表現(xiàn)出不同的物理力學特性入手,綜合運用巖石力學性質(zhì)室內(nèi)實驗,薄板理論、平面彈性的復變函數(shù)方法、能量原理、彈性動力學方法,ANSYS/LS-DYNA數(shù)值仿真計算以及相似材料模擬實驗等方法,研究了高強度開采工作面不同推進速度下的礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律。通過薄板理論和平面彈性的復變函數(shù)方法等理論分析得到采場頂板內(nèi)部應力變化和工作面尺寸的關(guān)系式,繼而對時間求導并結(jié)合力的邊界條件得出工作面推進速度與加載速率的聯(lián)系。由巖石的物理力學性質(zhì)室內(nèi)實驗得到巖石在不同加載速率下的強度變化規(guī)律,即加載速率越快,巖石的強度越大。因此,工作面推進速度不同時,采場頂板就表現(xiàn)出不同的強度,且工作面推進速度越快,頂板抵抗破斷的能力就越強。結(jié)合老頂破斷步距的計算公式建立起工作面推進速度和老頂破斷步距的聯(lián)系,并進一步分析不同破斷步距對工作面支架工作阻力等的影響。此外,結(jié)合頂板變形速率分析了工作面推進速度對頂板下沉量、下沉速度的作用規(guī)律,并使用能量原理、依據(jù)巖石的應力應變?nèi)糖�分析了高強度開采工作面頂板動載沖擊效應。分析過程中,使用了分子尺度的功能原理和彈性動力學方法解釋了加載速率對巖石強度的作用機理,并用ANSYS/LS-DYNA數(shù)值仿真計算驗證了巴西劈裂實驗中加載速率對巖石抗拉強度的影響規(guī)律,改進了相似材料模擬實驗平臺并模擬了高強度開采工作面的頂板動載沖擊效應,并通過相似模擬實驗模擬了不同工作面推進速度下的礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律。綜合上述工作,取得以下主要成果:(1)隨著工作面推進,采場空間懸露面積越來越大,上覆巖層逐漸對老頂加載。老頂受力是采高和推進度的函數(shù),通過薄板理論和平面彈性的復變函數(shù)方法建立起老頂內(nèi)力和工作面尺寸的關(guān)系表達式。將表達式對時間求導可得,內(nèi)力關(guān)于時間的導數(shù)是應力變化率,推進度關(guān)于時間的導數(shù)是工作面推進速度,由此得到內(nèi)力變化率和工作面推進速度的關(guān)系式。取老頂為研究對象,結(jié)合力的邊界條件,建立起上覆巖層對老頂?shù)募虞d速率與老頂內(nèi)力變化率之間的聯(lián)系,最終得到上覆巖層對老頂加載速率和工作面推進速度之間的表達式,定義兩者之間的相關(guān)系數(shù)為i,i的表達式可以通過薄板理論或是平面彈性的復變函數(shù)方法求得。結(jié)果表明,工作面推進速度越快,上覆巖層對老頂?shù)募虞d速率越大。(2)巖石在不同加載速率下表現(xiàn)出不同的物理力學特性,為此選取將近150塊砂巖試塊分別進行了單軸壓縮、剪切和巴西劈裂實驗,觀察實驗過程中加載速率對巖石破壞過程、破壞強度以及能量變化規(guī)律的影響,實驗發(fā)現(xiàn):(a)加載速率對巖石破壞過程影響較大,當加載速率較快時,試件破壞時間越短,破壞時發(fā)出聲響越大,內(nèi)部原生裂隙相互影響相對較弱,實驗所得結(jié)果波動越小。(b)砂巖的單軸抗壓強度、彈性模量隨加載速率增大而增大。(c)加載速率越大,砂巖的內(nèi)聚力越大、內(nèi)摩擦角越大。(d)一定范圍內(nèi),加載速率越大,試件的抗拉強度越大。并且相同的位移加載速率下,會出現(xiàn)不同的外力變化率,而且外力變化率越大,試件的抗拉強度越大。位移加載速率越大,出現(xiàn)的外力加載速率一般也越大。(e)通過對巴西劈裂過程中,試件表面的熱成像觀測發(fā)現(xiàn),加載速率越快,破壞時試件表面的溫度越高,表明破壞時釋放的能量越多。而抗剪實驗卻表現(xiàn)出相反的結(jié)論,即加載速率增大溫度極值卻逐漸減小。(3)依據(jù)分子尺度的功能原理建立起力學模型解釋了砂巖力學性質(zhì)受位移加載速率影響的作用機理。分析表明,巖石物理力學性質(zhì)實驗中,外力做功除克服分子力做功外,剩余能量還要轉(zhuǎn)化為分子的動能。而分子力做功大小只和物體的構(gòu)成以及破壞時的最終狀態(tài)有關(guān),和加載速率無關(guān),但位移加載速率越大,巖石試塊中分子的總動能就越大,故巖石試塊破壞時需要的外力做功就越大,在試塊破壞時極限應變值相同的情況下,所需要的外力自然就會越大。即加載速率越大,試件破壞時需要的外力就越大,抵抗破壞的能力就越強,呈現(xiàn)出的強度就越大。同樣,根據(jù)彈性動力學方法也可以解釋巖石強度受加載速率的作用原理。因為當考慮到加載速率的影響時,彈性靜力學方法求解時的平衡方程就必須使用運動方程來代替,就不得不考慮慣性力等因素的影響,所得結(jié)果必然有別于靜力學結(jié)果,即巖石的強度自然受加載速率的影響。另外,使用顯示動力學分析程序ansys/ls-dyna驗證了加載速率對巖石抗拉強度的影響規(guī)律。ansys/ls-dyna在進行瞬態(tài)分析或速率有關(guān)的靜態(tài)分析(蠕變或者粘彈性)時,時間代表實際的、按年月順序的時間,用秒、分鐘或小時表示,在分析加載速率的作用機理時具有天然的優(yōu)勢。仿真計算結(jié)果進一步證實,位移加載速率越大,巖石的抗拉強度越大;外力加載速率越大,巖石的抗拉強度越大。(4)結(jié)合頂板變形速率分析了工作面推進速度對頂板下沉量、下沉速度的作用規(guī)律,結(jié)合工作面推進速度對頂板抗拉強度的作用規(guī)律和老頂斷裂步距的求解公式分析了工作面推進速度對老頂破斷步距和工作面支架工作阻力的影響規(guī)律。分析指出,相同情況下工作面推進速度越快,老頂破斷步距越大,來壓時工作面支架工作阻力越大。最后,使用功能原理、依據(jù)巖石的應力應變?nèi)糖�分析了高強度開采工作面頂板動載沖擊效應。具體的,通過建立頂板破斷的彈性地基梁模型,得到了頂板動載沖擊的作用范圍;通過建立頂板運移的動力學模型并結(jié)合巖石受壓的應力應變關(guān)系曲線,得到了不同情況下的最大沖擊載荷表達式。結(jié)果表明,足夠的支架初撐力能夠避免動載沖擊的發(fā)生。初撐力不足的情況下,若直接頂受壓過程完全符合胡克定律,則最大沖擊載荷等于2倍的破斷頂板重量減去支架初撐力。由于巖石受壓過程中的應力應變關(guān)系并非全部是線彈性,所以動載系數(shù)會隨初撐力大小、破斷頂板重量和直接頂性質(zhì)的不同而圍繞“2”波動。最后通過高強度開采工作面的相似模擬實驗和數(shù)值分析驗證了理論分析的正確性,并提出了通過充填采空區(qū)、合理的支架選型和增大初撐力等措施來防治動載沖擊災害。(5)從相似模擬材料、加載系統(tǒng)和觀測方法等方面改進了相似模擬實驗平臺,模擬了不同工作面推進速度下的采場頂板下沉量、下沉速度、來壓步距和支架工作阻力的變化規(guī)律,進一步驗證了工作面推進速度對采場礦山壓力的作用規(guī)律。
【關(guān)鍵詞】：加載速率 推進速度 礦壓顯現(xiàn)規(guī)律 高強度開采 動載沖擊
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學(北京)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TD323
【目錄】：

• 摘要4-7
• Abstract7-14
• 1 緒論14-22
• 1.1 選題背景及研究意義14-15
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及問題提出15-19
• 1.2.1 推進速度對覆巖移動規(guī)律影響的研究現(xiàn)狀16
• 1.2.2 推進速度對支承壓力影響的研究現(xiàn)狀16-17
• 1.2.3 不同開采條件下推進速度的影響效果17-18
• 1.2.4 基于巖石加載速率的推進速度研究18
• 1.2.5 問題提出18-19
• 1.3 研究內(nèi)容及思路19-22
• 1.3.1 主要研究內(nèi)容19-20
• 1.3.2 研究思路及技術(shù)路線20-22
• 2 工作面推進速度與頂板所受外力的加載速率關(guān)系研究22-34
• 2.1 推進速度與加載速率關(guān)系研究22-24
• 2.2 薄板理論求解i24-27
• 2.3 復變函數(shù)求解i27-32
• 2.3.1 平面彈性復變方法的一般原理28-30
• 2.3.2 矩形外域到單位圓外域的共形映射30-31
• 2.3.3 采場圍巖應力分布求解31-32
• 2.4 本章小結(jié)32-34
• 3 加載速率對巖石物理力學性質(zhì)影響的實驗研究34-50
• 3.1 試件制備及實驗方案34-35
• 3.1.1 實驗試樣及設(shè)備34-35
• 3.1.2 實驗方法35
• 3.2 實驗結(jié)果分析35-48
• 3.2.1 單軸壓縮實驗35-37
• 3.2.2 剪切實驗37-40
• 3.2.3 巴西劈裂實驗40-42
• 3.2.4 熱成像分析42-48
• 3.3 本章小結(jié)48-50
• 4 加載速率對巖石強度影響的作用機理及數(shù)值方法驗證50-88
• 4.1 位移加載速率對抗拉強度作用機理的能量法分析50-52
• 4.2 外力加載速率對抗拉強度作用機理的彈性動力學分析52-53
• 4.3 加載速率作用機理的數(shù)值模擬驗證53-86
• 4.3.1 ANSYS軟件簡介53-54
• 4.3.2 數(shù)值模型的建立54
• 4.3.3 破壞準則的確定54-55
• 4.3.4 不同位移加載速率下的數(shù)值驗證55-71
• 4.3.5 不同外力加載速率下的數(shù)值驗證71-86
• 4.4 本章小結(jié)86-88
• 5 采場礦壓顯現(xiàn)的工作面推進速度效應分析88-108
• 5.1 推進速度對頂板下沉量和下沉速度的影響88
• 5.2 推進速度對來壓步距的影響88-91
• 5.3 推進速度對支架工作阻力的作用91-93
• 5.4 推進速度對頂板動載沖擊的影響分析93-106
• 5.4.1 支架沖擊載荷理論分析94-100
• 5.4.2 動載沖擊的相似模擬實驗驗證100-103
• 5.4.3 動載沖擊的數(shù)值分析103-105
• 5.4.4 推進速度對動載沖擊的影響105-106
• 5.4.5 動載沖擊的危害及防治106
• 5.5 本章小結(jié)106-108
• 6 工作面推進速度效應的相似模擬驗證108-132
• 6.1 相似模擬問題及其平臺改進108-110
• 6.1.1 高強度液壓加載系統(tǒng)108-109
• 6.1.2 工業(yè)視圖測量系統(tǒng)109-110
• 6.2 材料制備與模型鋪設(shè)110-115
• 6.2.1 材料制備與模型鋪設(shè)110-114
• 6.2.2 加載系統(tǒng)、位移觀測點和應力觀測系統(tǒng)布置114-115
• 6.3 合理開挖速度與工作面的推進115-122
• 6.3.1 1.0cm/min開挖速度下覆巖移動規(guī)律116-120
• 6.3.2 2.0cm/min開挖速度下覆巖移動規(guī)律120-122
• 6.4 實驗結(jié)果分析122-130
• 6.4.1 不同推進速度下的頂板下沉量122-125
• 6.4.2 不同推進速度下的頂板下沉速度125-129
• 6.4.3 不同推進速度下的支承壓力分布規(guī)律129-130
• 6.5 本章小結(jié)130-132
• 7 結(jié)論132-136
• 7.1 主要研究結(jié)論132-133
• 7.2 創(chuàng)新點133-134
• 7.3 不足與展望134-136
• 參考文獻136-144
• 致謝144-146
• 作者簡介146
• 在學期間發(fā)表的學術(shù)論文146
• 在學期間參加科研項目146-147
• 主要獲獎147

【參考文獻】

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本文編號：1051986