沖擊地壓一直是困擾我國煤礦安全高效生產(chǎn)的難題。沖擊傾向性煤是誘發(fā)沖擊地壓災(zāi)害的一類特殊的巖石類材料,研究該材料不同受載方式下變形破壞過程及能量演化規(guī)律,有利于揭示沖擊傾向性煤體的失穩(wěn)機(jī)理,為沖擊地壓的預(yù)防打下基礎(chǔ)。盡管學(xué)者們對煤的變形破壞規(guī)律做了許多研究,但對于沖擊傾向性煤受載的力學(xué)響應(yīng)及能量演化特征的研究還有一些欠缺。為充分揭示沖擊傾向性煤的力學(xué)性質(zhì),本文聚焦于忻州窯煤礦的沖擊傾向性煤,研究了層理及割理等裂隙對其力學(xué)性質(zhì)的影響、壓密階段應(yīng)力-應(yīng)變及側(cè)向應(yīng)變-軸向應(yīng)變的非線性力學(xué)特征,單軸循環(huán)加卸載下能量演化及分配規(guī)律、以及動靜組合加載下的拉伸力學(xué)響應(yīng)特征。圍繞上述研究,得到的研究成果如下:(1)沖擊傾向性煤單軸壓縮的層理及割理效應(yīng)(1)根據(jù)忻州窯沖擊傾向性煤的層理、面割理、端割理相互正交的定向分布關(guān)系,實(shí)施了考慮層理及割理角度的超聲波波速測試試驗(yàn)、單軸壓縮及聲發(fā)射監(jiān)測試驗(yàn),系統(tǒng)分析了層理及割理對煤力學(xué)性質(zhì)的影響。當(dāng)層理面傾角為0°,面割理和端割理傾角為90°時(shí),煤樣具有最高的強(qiáng)度,破壞狀態(tài)最劇烈,脆性特征明顯,AE信號的爆發(fā)階段短暫而劇烈,變形模量最小。當(dāng)層理和面割理均為45°,端割理傾角為90°時(shí),試樣的峰值強(qiáng)度最低,主要破斷面沿著這些結(jié)構(gòu)弱面,并且主破壞面上有若干分支裂縫,應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈現(xiàn)階梯式跌落,AE信號在爆發(fā)期出現(xiàn)多個(gè)峰值,變形模量適中。當(dāng)層理和和端割理傾角為90°,面割理傾角為0°時(shí),煤樣的強(qiáng)度略大于層理為45°時(shí)的強(qiáng)度;其破壞模式為層理的拉伸破壞;破壞面上有若干板狀裂紋,應(yīng)力-應(yīng)變曲線也有階梯狀跌落形態(tài),AE信號有多個(gè)峰值;變形彈性模量較大。(2)建立了考慮層理及割理的沖擊傾向性煤的各向異性模型。模型中考慮了層理、面割理及端割理的定向分布關(guān)系,包括煤受載的彈性階段,裂紋擴(kuò)展階段和峰后臺階跌落階段。該各向異性本構(gòu)模型被植入到FLAC3D中,并對比驗(yàn)證了不同層理及割理傾角下,煤巖模型與實(shí)驗(yàn)煤樣的單軸壓縮實(shí)驗(yàn)曲線及破壞模式。該模型能良好地體現(xiàn)除壓密階段外,沖擊傾向性煤的受載的彈性、裂紋擴(kuò)展和臺階跌落階段;層理傾角為0°,45°及90°時(shí)的峰值強(qiáng)度位于實(shí)驗(yàn)結(jié)果范圍之內(nèi),破壞模式與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。(3)在FLAC3D中用該模型以15°為間隔,連續(xù)模擬了層理傾角從0°增加到90°過程中,沖擊傾向性煤樣單軸受載的破壞模式:在層理面傾角為0°時(shí),其破壞主要為煤基質(zhì)的失穩(wěn)破壞;在層理面傾角為15°和30°,其破壞主要為面割理的剪切破壞;當(dāng)層理面傾角為45°、60°和75°,其破壞為層理面的剪切破壞;當(dāng)層理面為90°時(shí),其破壞為層理面的拉破壞。(4)同樣以15°為間隔,連續(xù)模擬了層理傾角從0°增加到90°過程中,沖擊傾向性煤模型單軸受載的強(qiáng)度特征:層理傾角為0°時(shí),煤樣的強(qiáng)度最高,為47.1 MPa;層理面從0°增加到45°過程中,煤的強(qiáng)度逐漸降低,在層理傾角為45°時(shí),試樣的強(qiáng)度最低,為21.7 MPa;隨著層理面傾角從45°增加到90°,煤樣的強(qiáng)度又呈現(xiàn)一定的上升趨勢,在層理傾角為90°時(shí),達(dá)到另一個(gè)峰值,24.1 MPa。分別模擬了僅含面割理或?qū)永頃r(shí),煤強(qiáng)度的變化:層理對煤強(qiáng)度的影響起決定作用,但割理對煤強(qiáng)度的影響也是不可忽視的,割理從整體上削弱了煤的強(qiáng)度,且改變了最小強(qiáng)度對應(yīng)的層理角度。忽略割理會高估煤的強(qiáng)度,甚至錯(cuò)誤判斷煤的失穩(wěn)方向。(2)沖擊傾向性煤壓密段非線性特征(1)根據(jù)沖擊傾向性煤受載壓密階段明顯的非線性特征,參考土力學(xué)中鄧肯-張非線性模型,提出了立足于沖擊傾向性煤并適用所有富含孔隙的松軟巖石的壓密段非線性模型。采用雙曲線來模擬煤壓密段應(yīng)力-應(yīng)變上凹型曲線的演變過程,在壓密階段完成,煤到達(dá)裂隙閉合點(diǎn)之后,采用傳統(tǒng)的固定變形模量的線性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系來描述煤彈性段的力學(xué)行為。同樣地,類比壓密階段的應(yīng)力-應(yīng)變的非線性模型,建立了沖擊傾向性煤壓密段側(cè)向應(yīng)變-軸向應(yīng)變的雙曲線模型。兩個(gè)模型并稱為沖擊傾向性煤壓密段的非線性模型,模型中包括初始彈性模量a,主應(yīng)力差趨向于無窮時(shí)的軸向應(yīng)變的倒數(shù)b,線彈性段彈性模量E_e,初始泊松比f,側(cè)向應(yīng)變趨于無窮大時(shí)軸向應(yīng)變的負(fù)倒數(shù)D,線彈性階段的泊松比?_e等六個(gè)參數(shù),并通過圖解介紹了6個(gè)參數(shù)的物理意義。提出采用最小二乘法求取a,b,E_e,f,D,?_e等參數(shù)。(2)運(yùn)用該模型分析了層理等因素對沖擊傾向性煤壓密段非線性力學(xué)行為的影響,揭示了沖擊傾向性煤壓密階段的非線性行為的各向異性。對于應(yīng)力應(yīng)變的非線性特征,層理面傾角從0°→45°→90°過程中,初始彈性模量a不斷增大,E_e/a逐漸變小,說明非線性段越來越短;1/b先減小后增大,總體值在0.01處附近。(3)對于側(cè)向應(yīng)變-軸向應(yīng)變的非線性特征,層理面傾角從0°→45°→90°過程中,?_e先減小后增大,說明層理面為45°的試樣在步入線彈性階段后,側(cè)向變形不顯著;初始泊松比f先增大后減小,說明層理面為0°與層理面為90°時(shí),加載初期主要發(fā)生的是層間間隙被壓實(shí),而側(cè)向應(yīng)變不明顯,而層理面為45°的試樣壓密階段側(cè)向變形就已明顯;(-1/D)先減小后增大,總體在應(yīng)變小于0.008。(3)沖擊傾向性煤單軸循環(huán)加載力學(xué)性質(zhì)及能量演化特征(1)采用循環(huán)加卸載的試驗(yàn)手段,分析了沖擊傾向性煤受載過程中的應(yīng)力及變形特征、能量演化及分配規(guī)律。試樣循環(huán)加卸載過程中,試樣力學(xué)性質(zhì)諸如強(qiáng)度、峰值應(yīng)變等參數(shù)變化不大,但在同一次加卸載過程中,煤樣加載時(shí)的彈性模量會略大于煤卸載時(shí)的彈性模量,連續(xù)加卸載會一定程度上降低煤的變形模量。定義了變形模量劣化率來描述加載及卸載過程變形模量的降低,整體而言,沖擊傾向性煤加卸載過程中變形模量劣化不明顯,變形模量劣化率的平均值小于0.03。(2)計(jì)算了試樣加卸載過程中彈性能及耗散能,并分析了整個(gè)過程中的能量演化規(guī)律。輸入能量密度隨著荷載的增加而呈非線性增加,且試樣的輸入能量大部分以彈性應(yīng)變能的形式儲存在巖石中。從能量存儲率來看,沖擊傾向性煤的彈性應(yīng)變能所占比例一直較高,且持續(xù)增大;試樣的能量耗散率最大值出現(xiàn)在加載的初始階段,說明試樣在壓密過程中能量耗散效應(yīng)強(qiáng)烈,能量儲存效應(yīng)微弱。隨著載荷的增加,能量耗散率持續(xù)降低,說明彈性階段試樣的能量儲存效應(yīng)強(qiáng)烈,耗散效應(yīng)微弱�？偟卣f,沖擊傾向性煤的儲存能量的能力較強(qiáng),失穩(wěn)破壞前兆不明顯,失穩(wěn)過程中更易發(fā)生較強(qiáng)能量釋放。聲發(fā)射監(jiān)測信號表明,試樣卸載過程中既有能量釋放,又有能量耗散。(4)沖擊傾向性煤巴西試樣動靜組合加載力學(xué)響應(yīng)特征(1)采用改進(jìn)的霍普金森壓桿(SHPB)裝置結(jié)合高速攝像機(jī),對沖擊傾向性煤巴西試樣展開動靜組合加載。隨著靜載軸壓經(jīng)歷從0→0.289 MPa→0.578 MPa,試樣的平均動態(tài)抗拉強(qiáng)度從4.35 MPa→6.28 MPa→3.65 MPa,呈現(xiàn)出先增高后降低的趨勢;試樣的動態(tài)抗拉強(qiáng)度值更加趨于離散,試樣動態(tài)抗拉強(qiáng)度的變異系數(shù)從0.27→0.48→0.48;試樣的平均峰值應(yīng)變從11.04e~(-3)→6.40e~(-3)→7.69e~(-3),呈現(xiàn)出先降低后微微升高的趨勢。(2)靜載軸壓為0時(shí),沖擊速度越大,動態(tài)抗拉強(qiáng)度越高,二者呈現(xiàn)出很好的正相關(guān)性;靜載軸壓為0.289 MPa時(shí),沖擊速度越大,動態(tài)抗拉強(qiáng)度越小,沖擊速度與強(qiáng)度呈現(xiàn)出很好的負(fù)相關(guān)性,且應(yīng)變率越大,對應(yīng)的動態(tài)抗拉強(qiáng)度越小,沖擊速度與強(qiáng)度呈現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān)性;靜載軸壓為0.578 MPa時(shí),沖擊速度與動態(tài)抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)出很好的負(fù)相關(guān)性,且隨著應(yīng)變率增加,對應(yīng)的動態(tài)抗拉強(qiáng)度呈現(xiàn)一定的波動�？傮w來講,無軸壓時(shí),隨著沖擊速度增大,動態(tài)抗拉強(qiáng)度有增大的趨勢;但加上一定的軸壓后,隨著沖擊速度增大,動態(tài)抗拉強(qiáng)度反而有下降的趨勢。(3)靜載軸壓與沖擊速度從不同方面影響圓盤試樣的裂紋擴(kuò)展。靜載軸壓主要影響巴西圓盤試樣裂紋擴(kuò)展的時(shí)序特征,增加軸壓后,試樣的起裂及貫通耗時(shí)有所縮短,試樣破碎程度有所提高。沖擊速度主要影響裂紋擴(kuò)展的空間分布特征,隨著沖擊速度的增加,巴西盤面的破壞呈現(xiàn)出從整體到局部,從中心到邊緣的特征。
【學(xué)位單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TD324
【部分圖文】：

是沖擊傾向性煤層，其煤厚0~4.62 m，平均煤厚1.44 m。煤質(zhì)的主要成分為亮煤和暗煤，煤巖強(qiáng)度較高，其斷口平整度好。內(nèi)生裂隙廣泛分布在煤基質(zhì)中，層理沿著水平方向延伸。圖2.1為現(xiàn)場煤巖塊圖。圖 2.1 水平層理的煤巖塊Fig.2.1 Coal blocks with horizontal bedding planes鑒于14#煤層的層理及割理較為發(fā)育，試驗(yàn)煤樣均在14#煤層的同一位置取樣，以避免試驗(yàn)煤樣的離散型過高。煤塊鉆取過程中盡量防止擾動，保證其完整性。

完畢后需立即包好煤塊，以防止煤塊發(fā)生風(fēng)化；到井上之后，需及時(shí)用石蠟對煤塊表面實(shí)施至加工場所。煤塊運(yùn)輸過程中，需輕拿輕放生裂紋，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。工藝包括三個(gè)步驟：：實(shí)驗(yàn)采取濕式加工法鉆取煤芯，鉆取過程于塊體。鉆取過程中需用冷水持續(xù)冷卻鉆頭：鉆取獲得的煤芯一般端部不夠平整，需要切割面需與煤芯軸向垂直，保證切割的端面：為保證實(shí)驗(yàn)煤樣滿足巖石力學(xué)的試樣標(biāo)準(zhǔn)的起伏控制在0.02 mm以內(nèi)。

(b) 巴西圓盤試樣圖 2.3 加工的部分的煤巖試樣Fig.2.3 Some processed coal samples使試樣尺寸的端面精度達(dá)到要求，需要分析實(shí)驗(yàn)煤樣的端面平樣的尺寸、質(zhì)量、密度等。同時(shí)需要保證實(shí)驗(yàn)煤樣的離散性盡樣實(shí)施超聲波速測定。經(jīng)過測定分析，所有實(shí)驗(yàn)煤巖的離散性傾向性煤的裂隙分布特征一種多尺度材料，煤巖在不同尺度下的形貌是不同的，圖2.4羅巖的形貌[128]。在微觀尺度下（10-4m），可以看到煤巖的基本粒；在細(xì)觀尺度下（10-4m ~ 10-2m），可以發(fā)現(xiàn)煤巖基質(zhì)被其隙縱橫切割成塊；在實(shí)驗(yàn)室尺度下（10-2m ~ 1 m），可以觀察密的裂紋；在工程尺度下，煤巖內(nèi)部的的微裂隙及孔洞則無法慮則是整個(gè)整個(gè)煤巖體結(jié)構(gòu)斷裂、滑移及陷落。
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本文編號：2849222