發(fā)布時間：2020-08-04 19:16

【摘要】：論文以實體煤巷道掘進沖擊機理為主要研究內容,從掘進圍巖卸荷和能量演化角度切入,利用統(tǒng)計分析、數(shù)值模擬、實驗室實驗和理論分析等方法,研究了巷道掘進過程中圍巖應力及能量分布規(guī)律,從能量觀點探討了實體煤巷道掘進沖擊機理,并提出了相應的判別方法,取得如下成果:(1)根據(jù)文獻統(tǒng)計,影響巷道掘進沖擊的因素有煤層厚度及其沖擊傾向性、開采深度、地質構造、留底煤厚度、煤柱應力集中程度、掘進速度以及與迎頭距離等,以咸陽礦區(qū)某礦為工程背景,數(shù)值模擬分析了各因素致沖作用及其影響程度,發(fā)現(xiàn)采深、側壓系數(shù)、煤厚、巷道寬高比及掘進速度各因素不同程度地增加了巷道圍巖內載荷和能量分布集度。(2)建立了巷道掘進圍巖應力分布力學模型,基于彈塑性理論、結合受載煤體損傷演化規(guī)律,推導了考慮卸荷擴容效應的圍巖破壞區(qū)、塑性區(qū)和彈性區(qū)應力、能量密度及區(qū)域能量分布公式。(3)根據(jù)巷道掘進前后圍巖應力分布及變化特征設計了煤體常規(guī)三軸加載、卸圍壓升軸壓、卸圍壓軸向擾動和恒圍壓軸向擾動實驗方案,研究認為:靜載作用下煤體一般為劈裂剪切破壞,而震源擾動作用下為張裂拉伸破壞;初始圍壓與升軸壓速率對煤體強化有正相關作用,煤體強度在低升軸壓速率時變化明顯,而卸荷加劇了煤體劣化,低卸荷速率影響較為突出;震源擾動作用下煤體能否發(fā)生破壞取決于初始應力與震源幅值疊加應力水平,一般情況下均大于相應圍壓條件下的靜載強度,當應變呈顯著非線性變化時預征煤體即將破壞。(4)研究了不同因素對煤體內能量演化的影響規(guī)律。發(fā)現(xiàn)原巖儲能隨初始圍壓呈指數(shù)關系增長,并認為:靜載條件下,初始圍壓和升軸壓速率提高了煤體蓄能能力,即受載煤體破壞所需能量隨著初始圍壓增大和升軸壓速率升高而增加,而卸荷速率相反,煤體破壞時,變形能和耗散能轉化率受各因素影響不明顯,均為50%左右;在震源擾動下,煤體內能量呈周期式變化,變形能轉化率降低、耗散能轉化率增加,其能否發(fā)生破壞取決于初始應力環(huán)境儲能與震源攜帶能量的共同作用。提出了能量壓降響應比指標,該指標能反映煤體所處應力環(huán)境的非正常變化,可作為煤體破壞的前兆指標。(5)從能量積聚、耗散至釋放角度研究了實體煤巷道掘進沖擊機理,討論了沖擊瞬間被沖煤體加速度、速度以及巷道斷面收斂的變化規(guī)律,認為:震源作用下能否誘發(fā)沖擊取決于初始應力場與震源場疊加后圍巖的儲能水平;沖擊發(fā)生時,隨著能量密度降低被沖煤體體積迅速擴增,導致巷道斷面急劇收縮甚至擠壓閉合,且經歷時間越短,煤體拋射速度越大,結合速度分布函數(shù)提出了臨界沖速比指標,表明巷道沖擊具瞬時性、突然性和急劇性;提出了最大能量密度因子、平均能量密度因子、能量壓降響應比和臨界沖速比多因素綜合判別方法,可為巷道掘進沖擊危險性評價及掘進巷道防沖措施制定提供參考。(6)結合某礦煤巷掘進沖擊案例分析得到了圍巖平均能量密度因子安全預警值,根據(jù)巷道實際情況設計了防沖支護參數(shù)并提出了相應防沖降沖建議。
【學位授予單位】：中國礦業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TD324
【圖文】：

（a）H=400m （b）H=600m（c）H=800m （d）H=1000m圖3-3 開采深度與巷道圍巖塑性區(qū)的關系Figure 3-3 The relationship between the mining depth and the surrounding rock plastic zone ofroadway（a）H=400m （b）H=600m

-29-（e）λ=2.5圖3-7 側壓系數(shù)與巷道圍巖塑性區(qū)的關系Figure 3-7 The relationship between the side pressure coefficient and the surrounding rock plasticzone of roadway（a）λ=0.5 （b）λ=1.0（c）λ=1.5 （d）λ=2.0（e）λ=2.5圖3-8 側壓系數(shù)與巷道圍巖變形能演化云圖Figure 3-8

（c）λ=1.5 （d）λ=2.0（e）λ=2.5圖3-8 側壓系數(shù)與巷道圍巖變形能演化云圖Figure 3-8 The relationship between the side pressure coefficient and the deformation energyevolution contour in the roadway surrounding rock

本文編號：2780978