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

  更多相關(guān)文章： 加載速率 推進(jìn)速度 礦壓顯現(xiàn)規(guī)律 高強(qiáng)度開采 動(dòng)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(xué)特性入手,綜合運(yùn)用巖石力學(xué)性質(zhì)室內(nèi)實(shí)驗(yàn),薄板理論、平面彈性的復(fù)變函數(shù)方法、能量原理、彈性動(dòng)力學(xué)方法,ANSYS/LS-DYNA數(shù)值仿真計(jì)算以及相似材料模擬實(shí)驗(yàn)等方法,研究了高強(qiáng)度開采工作面不同推進(jìn)速度下的礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律。通過(guò)薄板理論和平面彈性的復(fù)變函數(shù)方法等理論分析得到采場(chǎng)頂板內(nèi)部應(yīng)力變化和工作面尺寸的關(guān)系式,繼而對(duì)時(shí)間求導(dǎo)并結(jié)合力的邊界條件得出工作面推進(jìn)速度與加載速率的聯(lián)系。由巖石的物理力學(xué)性質(zhì)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)得到巖石在不同加載速率下的強(qiáng)度變化規(guī)律,即加載速率越快,巖石的強(qiáng)度越大。因此,工作面推進(jìn)速度不同時(shí),采場(chǎng)頂板就表現(xiàn)出不同的強(qiáng)度,且工作面推進(jìn)速度越快,頂板抵抗破斷的能力就越強(qiáng)。結(jié)合老頂破斷步距的計(jì)算公式建立起工作面推進(jìn)速度和老頂破斷步距的聯(lián)系,并進(jìn)一步分析不同破斷步距對(duì)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(jìn)速度對(duì)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(yīng)力應(yīng)變?nèi)糖�分析了高強(qiáng)度開采工作面頂板動(dòng)載沖擊效應(yīng)。分析過(guò)程中,使用了分子尺度的功能原理和彈性動(dòng)力學(xué)方法解釋了加載速率對(duì)巖石強(qiáng)度的作用機(jī)理,并用ANSYS/LS-DYNA數(shù)值仿真計(jì)算驗(yàn)證了巴西劈裂實(shí)驗(yàn)中加載速率對(duì)巖石抗拉強(qiáng)度的影響規(guī)律,改進(jìn)了相似材料模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)并模擬了高強(qiáng)度開采工作面的頂板動(dòng)載沖擊效應(yīng),并通過(guò)相似模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)M了不同工作面推進(jìn)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(jìn),采場(chǎng)空間懸露面積越來(lái)越大,上覆巖層逐漸對(duì)老頂加載。老頂受力是采高和推進(jìn)度的函數(shù),通過(guò)薄板理論和平面彈性的復(fù)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(dá)式。將表達(dá)式對(duì)時(shí)間求導(dǎo)可得,內(nèi)力關(guān)于時(shí)間的導(dǎo)數(shù)是應(yīng)力變化率,推進(jìn)度關(guān)于時(shí)間的導(dǎo)數(shù)是工作面推進(jìn)速度,由此得到內(nèi)力變化率和工作面推進(jìn)速度的關(guān)系式。取老頂為研究對(duì)象,結(jié)合力的邊界條件,建立起上覆巖層對(duì)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(duì)老頂加載速率和工作面推進(jìn)速度之間的表達(dá)式,定義兩者之間的相關(guān)系數(shù)為i,i的表達(dá)式可以通過(guò)薄板理論或是平面彈性的復(fù)變函數(shù)方法求得。結(jié)果表明,工作面推進(jìn)速度越快,上覆巖層對(duì)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(xué)特性,為此選取將近150塊砂巖試塊分別進(jìn)行了單軸壓縮、剪切和巴西劈裂實(shí)驗(yàn),觀察實(shí)驗(yàn)過(guò)程中加載速率對(duì)巖石破壞過(guò)程、破壞強(qiáng)度以及能量變化規(guī)律的影響,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn):(a)加載速率對(duì)巖石破壞過(guò)程影響較大,當(dāng)加載速率較快時(shí),試件破壞時(shí)間越短,破壞時(shí)發(fā)出聲響越大,內(nèi)部原生裂隙相互影響相對(duì)較弱,實(shí)驗(yàn)所得結(jié)果波動(dòng)越小。(b)砂巖的單軸抗壓強(qiáng)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(qiáng)度越大。并且相同的位移加載速率下,會(huì)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(qiáng)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(guò)對(duì)巴西劈裂過(guò)程中,試件表面的熱成像觀測(cè)發(fā)現(xiàn),加載速率越快,破壞時(shí)試件表面的溫度越高,表明破壞時(shí)釋放的能量越多。而抗剪實(shí)驗(yàn)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(xué)模型解釋了砂巖力學(xué)性質(zhì)受位移加載速率影響的作用機(jī)理。分析表明,巖石物理力學(xué)性質(zhì)實(shí)驗(yàn)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(dòng)能。而分子力做功大小只和物體的構(gòu)成以及破壞時(shí)的最終狀態(tài)有關(guān),和加載速率無(wú)關(guān),但位移加載速率越大,巖石試塊中分子的總動(dòng)能就越大,故巖石試塊破壞時(shí)需要的外力做功就越大,在試塊破壞時(shí)極限應(yīng)變值相同的情況下,所需要的外力自然就會(huì)越大。即加載速率越大,試件破壞時(shí)需要的外力就越大,抵抗破壞的能力就越強(qiáng),呈現(xiàn)出的強(qiáng)度就越大。同樣,根據(jù)彈性動(dòng)力學(xué)方法也可以解釋巖石強(qiáng)度受加載速率的作用原理。因?yàn)楫?dāng)考慮到加載速率的影響時(shí),彈性靜力學(xué)方法求解時(shí)的平衡方程就必須使用運(yùn)動(dòng)方程來(lái)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(xué)結(jié)果,即巖石的強(qiáng)度自然受加載速率的影響。另外,使用顯示動(dòng)力學(xué)分析程序ansys/ls-dyna驗(yàn)證了加載速率對(duì)巖石抗拉強(qiáng)度的影響規(guī)律。ansys/ls-dyna在進(jìn)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(shí),時(shí)間代表實(shí)際的、按年月順序的時(shí)間,用秒、分鐘或小時(shí)表示,在分析加載速率的作用機(jī)理時(shí)具有天然的優(yōu)勢(shì)。仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步證實(shí),位移加載速率越大,巖石的抗拉強(qiáng)度越大;外力加載速率越大,巖石的抗拉強(qiáng)度越大。(4)結(jié)合頂板變形速率分析了工作面推進(jìn)速度對(duì)頂板下沉量、下沉速度的作用規(guī)律,結(jié)合工作面推進(jìn)速度對(duì)頂板抗拉強(qiáng)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(jìn)速度對(duì)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(jìn)速度越快,老頂破斷步距越大,來(lái)壓時(shí)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(yīng)力應(yīng)變?nèi)糖�分析了高強(qiáng)度開采工作面頂板動(dòng)載沖擊效應(yīng)。具體的,通過(guò)建立頂板破斷的彈性地基梁模型,得到了頂板動(dòng)載沖擊的作用范圍;通過(guò)建立頂板運(yùn)移的動(dòng)力學(xué)模型并結(jié)合巖石受壓的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線,得到了不同情況下的最大沖擊載荷表達(dá)式。結(jié)果表明,足夠的支架初撐力能夠避免動(dòng)載沖擊的發(fā)生。初撐力不足的情況下,若直接頂受壓過(guò)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(guò)程中的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系并非全部是線彈性,所以動(dòng)載系數(shù)會(huì)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(dòng)。最后通過(guò)高強(qiáng)度開采工作面的相似模擬實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析驗(yàn)證了理論分析的正確性,并提出了通過(guò)充填采空區(qū)、合理的支架選型和增大初撐力等措施來(lái)防治動(dòng)載沖擊災(zāi)害。(5)從相似模擬材料、加載系統(tǒng)和觀測(cè)方法等方面改進(jìn)了相似模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái),模擬了不同工作面推進(jìn)速度下的采場(chǎng)頂板下沉量、下沉速度、來(lái)壓步距和支架工作阻力的變化規(guī)律,進(jìn)一步驗(yàn)證了工作面推進(jìn)速度對(duì)采場(chǎng)礦山壓力的作用規(guī)律。
【關(guān)鍵詞】：加載速率 推進(jìn)速度 礦壓顯現(xiàn)規(guī)律 高強(qiáng)度開采 動(dòng)載沖擊
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：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(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及問(wèn)題提出15-19
• 1.2.1 推進(jìn)速度對(duì)覆巖移動(dòng)規(guī)律影響的研究現(xiàn)狀16
• 1.2.2 推進(jìn)速度對(duì)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(jìn)速度的影響效果17-18
• 1.2.4 基于巖石加載速率的推進(jìn)速度研究18
• 1.2.5 問(wèn)題提出18-19
• 1.3 研究?jī)?nèi)容及思路19-22
• 1.3.1 主要研究?jī)?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(jìn)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(jìn)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(fù)變函數(shù)求解i27-32
• 2.3.1 平面彈性復(fù)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(chǎng)圍巖應(yīng)力分布求解31-32
• 2.4 本章小結(jié)32-34
• 3 加載速率對(duì)巖石物理力學(xué)性質(zhì)影響的實(shí)驗(yàn)研究34-50
• 3.1 試件制備及實(shí)驗(yàn)方案34-35
• 3.1.1 實(shí)驗(yàn)試樣及設(shè)備34-35
• 3.1.2 實(shí)驗(yàn)方法35
• 3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析35-48
• 3.2.1 單軸壓縮實(shí)驗(yàn)35-37
• 3.2.2 剪切實(shí)驗(yàn)37-40
• 3.2.3 巴西劈裂實(shí)驗(yàn)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(duì)巖石強(qiáng)度影響的作用機(jī)理及數(shù)值方法驗(yàn)證50-88
• 4.1 位移加載速率對(duì)抗拉強(qiáng)度作用機(jī)理的能量法分析50-52
• 4.2 外力加載速率對(duì)抗拉強(qiáng)度作用機(jī)理的彈性動(dòng)力學(xué)分析52-53
• 4.3 加載速率作用機(jī)理的數(shù)值模擬驗(yàn)證53-86
• 4.3.1 ANSYS軟件簡(jiǎn)介53-54
• 4.3.2 數(shù)值模型的建立54
• 4.3.3 破壞準(zhǔn)則的確定54-55
• 4.3.4 不同位移加載速率下的數(shù)值驗(yàn)證55-71
• 4.3.5 不同外力加載速率下的數(shù)值驗(yàn)證71-86
• 4.4 本章小結(jié)86-88
• 5 采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)的工作面推進(jìn)速度效應(yīng)分析88-108
• 5.1 推進(jìn)速度對(duì)頂板下沉量和下沉速度的影響88
• 5.2 推進(jìn)速度對(duì)來(lái)壓步距的影響88-91
• 5.3 推進(jìn)速度對(duì)支架工作阻力的作用91-93
• 5.4 推進(jìn)速度對(duì)頂板動(dòng)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(dòng)載沖擊的相似模擬實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證100-103
• 5.4.3 動(dòng)載沖擊的數(shù)值分析103-105
• 5.4.4 推進(jìn)速度對(duì)動(dòng)載沖擊的影響105-106
• 5.4.5 動(dòng)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(jìn)速度效應(yīng)的相似模擬驗(yàn)證108-132
• 6.1 相似模擬問(wèn)題及其平臺(tái)改進(jìn)108-110
• 6.1.1 高強(qiáng)度液壓加載系統(tǒng)108-109
• 6.1.2 工業(yè)視圖測(cè)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(cè)點(diǎn)和應(yīng)力觀測(cè)系統(tǒng)布置114-115
• 6.3 合理開挖速度與工作面的推進(jìn)115-122
• 6.3.1 1.0cm/min開挖速度下覆巖移動(dòng)規(guī)律116-120
• 6.3.2 2.0cm/min開挖速度下覆巖移動(dòng)規(guī)律120-122
• 6.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析122-130
• 6.4.1 不同推進(jìn)速度下的頂板下沉量122-125
• 6.4.2 不同推進(jìn)速度下的頂板下沉速度125-129
• 6.4.3 不同推進(jìn)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(diǎn)133-134
• 7.3 不足與展望134-136
• 參考文獻(xiàn)136-144
• 致謝144-146
• 作者簡(jiǎn)介146
• 在學(xué)期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文146
• 在學(xué)期間參加科研項(xiàng)目146-147
• 主要獲獎(jiǎng)147

【參考文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 薛寶玉;付玉平;郭勇義;;綜采工作面推進(jìn)速度對(duì)頂板巖層活動(dòng)的影響研究[J];太原理工大學(xué)學(xué)報(bào);2015年05期

2 王家臣;張錦旺;;綜放開采頂煤放出規(guī)律的BBR研究[J];煤炭學(xué)報(bào);2015年03期

3 許金余;劉石;;加載速率對(duì)高溫后大理巖動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響研究[J];巖土工程學(xué)報(bào);2013年05期

4 高云生;孫公海;;基于采面下巷沿空留巷的推進(jìn)速度分析[J];黑龍江科技信息;2013年12期

5 李文敏;;復(fù)變函數(shù)法求工作面周邊應(yīng)力分布[J];礦業(yè)工程研究;2013年01期

6 李成武;解北京;曹家琳;王亭亭;王雪穎;;煤與瓦斯突出強(qiáng)度能量評(píng)價(jià)模型[J];煤炭學(xué)報(bào);2012年09期

7 劉洪永;程遠(yuǎn)平;陳海棟;孔勝利;徐超;;高強(qiáng)度開采覆巖離層瓦斯通道特征及瓦斯?jié)B流特性研究[J];煤炭學(xué)報(bào);2012年09期

8 王曉振;許家林;朱衛(wèi)兵;鞠金峰;;淺埋綜采面高速推進(jìn)對(duì)周期來(lái)壓特征的影響[J];中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào);2012年03期

9 紀(jì)文棟;楊春和;姚院峰;孔君鳳;;應(yīng)變加載速率對(duì)鹽巖力學(xué)性能的影響[J];巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào);2011年12期

10 侯化強(qiáng);王連國(guó);陸銀龍;張蓓;;矩形巷道圍巖應(yīng)力分布及其破壞機(jī)理研究[J];地下空間與工程學(xué)報(bào);2011年S2期

，

本文編號(hào)：1051986