【摘要】：沖擊礦壓是裂縫產(chǎn)生、擴(kuò)展和貫通而導(dǎo)致的一種煤巖突然破壞現(xiàn)象。本文圍繞裂縫煤巖的力學(xué)特性與沖擊失穩(wěn)的宏細(xì)觀機(jī)制,利用理論分析、數(shù)值試驗(yàn)、物理力學(xué)試驗(yàn)和工程實(shí)踐等手段,首先分析了裂縫失穩(wěn)的力學(xué)響應(yīng),其次從細(xì)觀上研究了裂縫煤巖試樣的損傷機(jī)制和動(dòng)態(tài)破裂特征,再次從宏觀上研究了裂縫煤巖體沖擊失穩(wěn)的力學(xué)機(jī)制,然后研究了巷道頂板 煤幫 底板不同裂縫賦存條件下的圍巖破壞特征,最后進(jìn)行了工程案例分析與應(yīng)用。論文得到如下創(chuàng)新性成果:(1)裂縫煤巖的直剪數(shù)值試驗(yàn)表明:粗糙度、尺寸效應(yīng)、剪切歷史和法向應(yīng)力四個(gè)因素對(duì)裂縫法向和切向力學(xué)特性均有影響;而剪切速率的影響較弱。對(duì)直剪試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合分析,得到了修正的巴頓抗剪強(qiáng)度準(zhǔn)則,如下,(?)(2)利用UDEC二次開(kāi)發(fā)構(gòu)建了煤巖損傷判別指標(biāo),生成非均質(zhì)和裂縫煤試樣模型,分析了裂縫煤試樣的細(xì)觀損傷機(jī)制和動(dòng)態(tài)破裂特征。完整煤試樣的細(xì)觀損傷以剪切裂縫為主,并誘發(fā)剪切動(dòng)態(tài)破裂。高寬比和非均質(zhì)性的增加使煤試樣的破裂特征由多處剪切和劈裂向整體剪切轉(zhuǎn)變,拉伸裂縫和損傷裂縫比重減少,煤試樣由延性向脆性轉(zhuǎn)變,沖擊屬性增強(qiáng)�？锥慈毕莸拇嬖谑姑涸嚇拥钠屏烟卣饔烧w剪切轉(zhuǎn)為多處剪切和劈裂組合,損傷裂縫比重減少,抗壓強(qiáng)度迅速降低。隨裂縫傾角的增大,煤試樣的抗拉和抗壓強(qiáng)度均呈先降低后增加的“U”型變化趨勢(shì)。原生傾斜貫通裂縫可明顯降低煤試樣的沖擊屬性,促進(jìn)次生裂縫的產(chǎn)生、擴(kuò)展和貫通;非貫通裂縫之間的巖橋起到了減弱裂縫擴(kuò)展的作用,僅造成煤試樣局部滑移失穩(wěn),使沖擊屬性降低程度有限。裂縫網(wǎng)絡(luò)煤試樣的裂縫傾角數(shù)值越離散,沖擊屬性越強(qiáng)。(3)宏觀裂縫煤巖試樣的靜態(tài)和振蕩應(yīng)力組合加載試驗(yàn)中,試樣的應(yīng)力跌落和聲發(fā)射振鈴計(jì)數(shù)高值點(diǎn)具有較好的耦合性;試樣裂縫的擴(kuò)展在壓密、塑性和破壞階段分別以拉伸、拉剪復(fù)合和剪切為主。正弦振蕩應(yīng)力的加載為細(xì)觀裂縫擴(kuò)展提供了慣性力,加速其產(chǎn)生、擴(kuò)展和貫通,使煤試樣應(yīng)變軟化特性增強(qiáng),沖擊屬性增加。宏觀裂縫傾角和巖橋長(zhǎng)度的增加,使試樣的強(qiáng)度呈先降低后增加的“V”型變化特征;正弦振蕩應(yīng)力使試樣的峰值應(yīng)力和應(yīng)變呈波動(dòng)狀,影響其強(qiáng)度和彈性模量等力學(xué)性質(zhì)的顯現(xiàn)。對(duì)試樣應(yīng)力和聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行耦合分析,得出聲發(fā)射b值(表征裂縫尺度)迅速降低和統(tǒng)計(jì)值Z2(表征裂縫貫通概率)可作為試樣破壞的前兆信息。試樣微破裂、位移和應(yīng)力等多信息耦合表明,傾斜裂縫試樣的破裂以剪切和劈裂組合為主,水平或垂直裂縫試樣以劈裂為主。試樣聲波CT反演結(jié)果表明,應(yīng)力峰值前微破裂和高波速區(qū)呈條帶狀耦合,峰值后微破裂均勻分布且高波速區(qū)消失,反映了試樣的剪切破壞特征。(4)建立并分析了煤厚變化、底板層狀和麥克斯韋力學(xué)模型,豎向應(yīng)力分布規(guī)律表明其差值構(gòu)成的剪切應(yīng)力是水平裂縫煤巖失穩(wěn)的主控因素,建立了辨識(shí)煤厚變化區(qū)沖擊危險(xiǎn)性的剪切應(yīng)力指標(biāo);應(yīng)力和能量監(jiān)測(cè)結(jié)果表明水平應(yīng)力是導(dǎo)致垂直裂縫煤巖產(chǎn)生層狀劈裂失穩(wěn)的主控因素;傾斜裂縫煤巖失穩(wěn)呈粘滑特征,形成裂縫應(yīng)力積聚 釋放 再積聚、結(jié)構(gòu)面閉鎖 解鎖 再閉鎖的連鎖反應(yīng),產(chǎn)生的應(yīng)力波可導(dǎo)致裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展。(5)建立了巷道頂板、底板和兩幫沖擊破壞的裂縫演化數(shù)值模型,對(duì)應(yīng)力、位移和裂縫多信息進(jìn)行了耦合分析,得出:沖擊應(yīng)力使圍巖細(xì)觀裂縫數(shù)量增加,加速了細(xì)觀裂縫的產(chǎn)生、擴(kuò)展及貫通,瞬間導(dǎo)致頂板下沉、底板鼓起和兩幫變形;與單體支柱相比,錨桿和襯砌支護(hù)能夠抑制細(xì)觀裂縫擴(kuò)展和貫通,在一定程度上防治圍巖的沖擊破壞;圍巖沖擊破壞的多信息耦合表明,最大主應(yīng)力和次生裂縫在圍巖中呈“四拱型”分布。(6)利用微震系統(tǒng)對(duì)趙樓煤礦的礦震進(jìn)行了監(jiān)測(cè),分析了1305工作面震源分布與煤層分叉區(qū)的耦合特征,得出了剪切應(yīng)力是導(dǎo)致工作面水平裂縫煤巖滑移失穩(wěn)的主控因素;通過(guò)對(duì)1306工作面震動(dòng)波CT反演,分析工作面波速、應(yīng)力和波速梯度的分布特征,得出了巷道底板垂直裂縫失穩(wěn)的主控因素為水平應(yīng)力。提出基于裂縫擴(kuò)展的沖擊礦壓微震多參量預(yù)警指標(biāo);根據(jù)圍巖沖擊破壞時(shí)裂縫與應(yīng)力形成的“四拱型”分布特征,提出了控制巷道圍巖裂縫擴(kuò)展的綜合防治體系。
【圖文】：

tann=τ σ +c為裂縫上的內(nèi)摩擦角和粘結(jié)力。強(qiáng)度的庫(kù)倫準(zhǔn)則是線性的。Barton[121-122]對(duì)裂縫的切破壞的非線性特征，根據(jù)裂縫粗糙度經(jīng)驗(yàn)取值，10tan logn bnJCSτ σ JRC σ + ssku τ= 為有效剪切應(yīng)力和法向應(yīng)力；b 為裂縫基本摩擦取值需要考慮裂縫的風(fēng)化程度； JRC 為裂縫的粗粗糙的情況。一般裂縫介質(zhì)比較堅(jiān)硬時(shí)，sk 為常剛當(dāng) JRC 較小或接近 0 時(shí)，，公式（2-4）變成（2-3）。

（a）法向變形 （b）切向變形圖 2-4 不同粗糙度裂縫力學(xué)特征圖 2-4 Mechanical characteristics of cracks with different roughness圖 2-5 為不同粗糙度和法向應(yīng)力對(duì)裂縫抗剪強(qiáng)度的影響。在圖（a）中，法向應(yīng)力恒定為 10 MPa，粗糙度變化范圍為 1 20。隨著粗糙度的增加，三種準(zhǔn)則下裂縫抗剪強(qiáng)度的變化不同。巴頓準(zhǔn)則下的抗剪強(qiáng)度呈直線上升趨勢(shì)；庫(kù)倫準(zhǔn)則下的抗剪強(qiáng)度呈凹曲線上升趨勢(shì)，上升速率逐漸增大，且其值均大于巴頓準(zhǔn)則下的抗剪強(qiáng)度值；UDEC 模擬的抗剪強(qiáng)度則處于兩者之間，呈凹曲線上升趨勢(shì)。粗糙度較小時(shí)，UDEC 得到的抗剪強(qiáng)度接近巴頓準(zhǔn)則的值；而粗糙度較大時(shí)，抗剪強(qiáng)度則接近庫(kù)倫準(zhǔn)則的值。根據(jù)圖（b）粗糙度恒定為 1，法向應(yīng)力變化范圍為 2 20 MPa。隨著法向應(yīng)力的增加，三種準(zhǔn)則下裂縫抗剪強(qiáng)度均呈直線增加趨勢(shì)，且 UDEC 的抗剪強(qiáng)度與巴頓準(zhǔn)則的值完全耦合。分析圖（c），粗糙度恒定為 10，法向應(yīng)力變化范圍為 2 20 MPa。隨著法向應(yīng)力的增加，巴頓準(zhǔn)則和 UDEC 的抗剪強(qiáng)度均呈凸曲線增加趨勢(shì)，且 UDEC 的抗剪強(qiáng)度與巴頓準(zhǔn)則的值較為接近；庫(kù)倫準(zhǔn)則的值則呈直線上升趨勢(shì)。依據(jù)圖（d）可知，粗糙度恒定為 20法向應(yīng)力變化范圍為 2 20 MPa。隨著法向應(yīng)力的增加，巴頓準(zhǔn)則和 UDEC 的抗剪強(qiáng)度均呈凸曲線增加趨勢(shì)；庫(kù)倫準(zhǔn)則的值則呈直線上升趨勢(shì)；粗糙度較小時(shí) UDEC 的抗剪
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TD324

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本文編號(hào)：2631140