本文關(guān)鍵詞：受載煤體振動破壞特征及致災(zāi)機理研究

  更多相關(guān)文章： 組合加載 受迫振動 破壞失穩(wěn) 裂隙演化 微震 電磁輻射

【摘要】：煤與瓦斯突出和沖擊地壓等動力災(zāi)害以其發(fā)生突然、發(fā)展迅猛、破壞程度大、波及范圍廣和極易引發(fā)二次事故的特性無疑成為礦井安全生產(chǎn)的重要威脅。研究上述災(zāi)害的發(fā)生機理是提高預(yù)測預(yù)警準確率,降低事故發(fā)生率和危險程度的重要途徑。煤巖破壞失穩(wěn)是煤巖動力災(zāi)害發(fā)生的重要前提,但煤巖體究竟是如何破壞失穩(wěn)的,當(dāng)前學(xué)術(shù)界存在一些不同的看法,本論文以大量的實驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),提出了靜壓載荷和振動載荷共同作用促進煤體破壞失穩(wěn)并最終導(dǎo)致煤巖動力災(zāi)害發(fā)生這一論斷。煤巖破壞失穩(wěn)的發(fā)生形式可以分為兩大類。在礦井采掘過程中,受原始應(yīng)力場和采掘作業(yè)影響,原有的力學(xué)平衡被打破,載荷向特定區(qū)域轉(zhuǎn)移,并造成局部應(yīng)力集中。當(dāng)采動應(yīng)力場疊加在原始應(yīng)力場上并超過煤體的強度極限時,就有可能直接造成煤巖體的大范圍破壞,并在一定條件下導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生。但在有的情況下,煤巖體雖已發(fā)生內(nèi)部損傷,但并未出現(xiàn)大面積破壞,而是頑強地維持著某種臨界狀態(tài),并積蓄有較多的能量,此時再受到外界動力擾動時,就會打破這種臨界狀態(tài),使結(jié)構(gòu)體的破壞失穩(wěn)迅速發(fā)生,同時內(nèi)部積蓄的能量將在短時間內(nèi)釋放出來,并有可能直接或與其他因素耦合(如瓦斯等)而導(dǎo)致煤巖動力災(zāi)害的發(fā)生。這兩種失穩(wěn)類型分別稱為自發(fā)失穩(wěn)和擾動失穩(wěn)。統(tǒng)計表明,與自發(fā)失穩(wěn)相比,擾動失穩(wěn)所占的比例更大,更具危險性,對擾動失穩(wěn)進行針對性的研究和探討也更有意義。煤礦井下存在大量的動力擾動,爆破掘進、放炮落煤、打鉆作業(yè)、機械振動、頂板斷裂及相鄰工作面擾動等均是其存在的主要形式。顯然,爆破掘進和放炮落煤作業(yè)等較大擾動易于造成煤體破壞失穩(wěn),這一點已得到了廣泛的研究與認同。但在實際情況中,某些看似影響較小的動力擾動也能誘導(dǎo)煤巖動力災(zāi)害的發(fā)生,如打鉆作業(yè)、機械振動、風(fēng)鎬落煤、手鎬落煤,甚至鄰近工作面動力擾動等。當(dāng)進行放炮作業(yè)等影響較大的動力擾動時,作業(yè)人員往往要撤離到相對較遠的區(qū)域,同時采取一系列的防護措施,而當(dāng)“小擾動”甚至“無擾動”(“鄰近擾動”)時,工作面前方往往聚集有大量人員,一旦發(fā)生事故將釀成極為嚴重的后果。更為嚴重的是,越是較小的動力擾動,越不易于引起作業(yè)人員的重視,災(zāi)害發(fā)生后造成的死亡人數(shù)越多。鑒于此,本文針對“小擾動”進行分析,結(jié)合靜載和循環(huán)動載試驗方式,以探討“小擾動”是如何造成煤巖破壞失穩(wěn)并最終誘導(dǎo)煤巖動力災(zāi)害發(fā)生的。研究成果將有助于補充和完善煤巖動力災(zāi)害的發(fā)生機理,提高預(yù)測預(yù)警防治煤巖動力災(zāi)害的準確率,為相應(yīng)的工程防范措施的應(yīng)用提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支撐。具體而言,本文的主要內(nèi)容和結(jié)論如下:(1)“小擾動”是煤巖破壞失穩(wěn)的重要誘導(dǎo)因素,這種擾動可借助于受載煤體的振動破壞實驗來進行模擬理論分析表明,煤巖動力災(zāi)害經(jīng)歷孕育、發(fā)生、發(fā)展和終止四個階段,多數(shù)情況下,煤巖體在動力擾動誘導(dǎo)失穩(wěn)前往往已處于臨界破壞狀態(tài)。因此,“小擾動”誘發(fā)煤體損傷破壞和結(jié)構(gòu)失穩(wěn)需要兩個前提:一是煤體本身受原始應(yīng)力場和采掘作業(yè)影響已處于臨界極限狀態(tài),二是破壞失穩(wěn)往往是“小擾動”多次作用的結(jié)果。煤體處于極限應(yīng)力狀態(tài)前需要經(jīng)過一個相對較長的緩慢力學(xué)加載過程,而靜載在這一相對緩慢的孕育過程中常常起力學(xué)主導(dǎo)作用,那么孕育過程中的靜載作用可使用單軸或三軸壓縮來分析,而激發(fā)作用中的“小擾動”多次作用則可借助振動的形式進行實驗室模擬。鑒于此,本文搭建了靜載和動靜組合(受載煤體振動)破壞實驗?zāi)M系統(tǒng),以不同加載條件下型煤試樣的破壞特征為研究對象,闡明載荷對煤體的作用結(jié)果。利用高清攝影儀結(jié)合視覺算法分析宏觀裂隙的演化過程,探討型煤表面裂紋的分布規(guī)律。研究煤體破壞裂紋演化過程中的微震和電磁輻射信號特征,論證型煤試樣的整體破壞進程。綜合煤體表面和整體的破壞狀態(tài),結(jié)合靜載和振動載荷的加載過程,提出靜載和動載共同作用促使煤體達到破壞失穩(wěn)條件的判據(jù)。(2)受載煤體振動破壞時,入射波與反射波的相位相同,兩者共同作用導(dǎo)致煤體的拉破壞受載煤體振動時,試件左端面為壓應(yīng)力主導(dǎo)作用區(qū),右端面為拉應(yīng)力主導(dǎo)作用區(qū),兩應(yīng)力區(qū)呈類似對稱分布,且由于上覆靜載荷的存在而產(chǎn)生一定程度的偏移。煤體作為一種特殊的固體材質(zhì),其抗拉強度遠小于抗壓強度,故在受載煤體振動試驗中,煤體的主要破壞形式為拉伸破壞,即拉應(yīng)力對煤體破壞起主導(dǎo)作用。在振動破壞試驗中,若以煤體作為研究對象,由于夾具(鋼板)的聲學(xué)阻抗遠大于試件(型煤),故大部分入射波能量會以反射波的形式重新作用于煤體,反射波與入射波的相位相同,且所占能量比較大,兩者在試件中后部交匯,并最終對該面形成拉應(yīng)力,進而造成煤體的拉破壞。此外,與入射波有持續(xù)的能量源(激振器)不同,反射波在傳播過程中衰減較快,故越遠離右端面,反射波的能量越小,反射波與入射波的疊加能量也越小,產(chǎn)生的拉應(yīng)力作用隨之減小,而煤體往往是在拉應(yīng)力最大點處產(chǎn)生裂紋,繼而沿此界面進行演化,這是造成煤體裂隙分布試件中后部的主要原因。(3)受載煤體振動破壞時,樣品的粒度越大,密度和成型壓力越小,產(chǎn)生的裂隙像素值和聲電信號能量越強,代表煤體破壞的越嚴重,出現(xiàn)破壞失穩(wěn)的可能性也越大論文搭建了受載煤體振動試驗平臺,同步分析試件破壞過程中的裂隙演化與聲電信號特征,結(jié)果表明型煤的組成粒度越大,試件在相同擾動條件下產(chǎn)生的微震和電磁輻射信號能量越大,裂隙的像素點也越多,說明此時煤體破壞的越嚴重;當(dāng)粒度相同時,型煤制備的密度和成型壓力越大,試件在相同擾動條件下產(chǎn)生的裂隙反而越小。根據(jù)上述兩項描述可知,粒度和成型壓力不僅影響著型煤樣品的物理力學(xué)性質(zhì),同時也反映了煤體在相同擾動條件下抵抗破壞的能力。反映在現(xiàn)場實踐中,煤體的組成粒度越小,松散程度越低,其在擾動時產(chǎn)生的裂隙也就越少,出現(xiàn)破壞失穩(wěn)的可能性也越小。具體到單個樣品的微震信號特征時,發(fā)現(xiàn)成型壓力較小的松散煤體微震信號數(shù)量較多,但幅值相對較小,與之對應(yīng)的是當(dāng)成型壓力加大時,微震信號的出現(xiàn)時間較為集中,且幅值相對較大;此外,對比同煤塔山和平煤十礦兩煤樣相同粒度、成型壓力和擾動條件下聲電信號能量與裂隙像素點統(tǒng)計結(jié)果,發(fā)現(xiàn)平煤十礦煤樣的聲電信號和裂隙點均高于同煤塔山礦樣品,由此表明在相同擾動條件下,軟煤比硬煤更易于產(chǎn)生裂隙演化,也更易于導(dǎo)致破壞失穩(wěn)現(xiàn)象的發(fā)生。(4)多次較大微震信號連續(xù)出現(xiàn)是型煤靜載臨界破壞的重要判據(jù)利用微震和電磁輻射信號提出煤體在不同載荷作用形式下的破壞臨界點判據(jù)是本文的主要研究內(nèi)容之一。由于煤與瓦斯突出多發(fā)生在較軟的煤體或煤體的軟分層中,而沖擊地壓則往往集中在煤體較為堅固的區(qū)域,故選取了堅固性系數(shù)相差較大的兩種煤樣,在此基礎(chǔ)上制備了均質(zhì)程度較高的型煤樣品。對型煤進行靜載破壞試驗,結(jié)果表明當(dāng)三個及以上的較大微震信號形成“群震”模式時,煤體表面開始產(chǎn)生裂隙。此后再利用油壓泵進行緩慢加載時壓力表讀數(shù)不再增加,但裂隙演化速度明顯加快,10s后煤體表面出現(xiàn)貫穿狀宏觀裂紋,千斤頂壓力表讀數(shù)迅速下降,表現(xiàn)試樣已基本破壞并喪失承載能力。(5)煤巖破壞時監(jiān)測到的微震和電磁輻射均為本地信號,不同作業(yè)工序下的微震和電磁輻射信號同步性較強。爆破時信號能量均受爆破藥卷數(shù)和傳播距離影響。微震p波引起的rc振蕩回路是導(dǎo)致群發(fā)性簇狀電磁信號產(chǎn)生的主要原因在現(xiàn)場實踐章節(jié),以平煤十礦掘進工作面和回采工作面為研究對象,揭示掘進爆破、機械割煤和鉆探作業(yè)時產(chǎn)生的微震和電磁輻射信號特性,發(fā)現(xiàn)不同作業(yè)工序情況下煤體破壞的聲電信號均表現(xiàn)出較強的時域同步性,兩者相對幅值較大,持續(xù)時間較短,均呈現(xiàn)明顯的瞬時脈沖特征。以爆破作業(yè)時的聲電信號為重點研究對象,從微震信號中分離出p波和s波,并將電磁信號單發(fā)性電磁脈沖部分(Ⅰ)、群發(fā)性簇狀部分(Ⅱ)和低頻振蕩部分(Ⅲ)三類,結(jié)果表明上述信號能量均與爆破藥卷數(shù)正相關(guān),而和傳播距離之間呈現(xiàn)負相關(guān)性。結(jié)合同源性原理探討了現(xiàn)場煤巖損傷破壞聲電信號相關(guān)性的產(chǎn)生機理,指出rc振蕩回路可能是導(dǎo)致群發(fā)性簇狀電磁信號(Ⅱ)產(chǎn)生的主要原因。
【關(guān)鍵詞】：組合加載 受迫振動 破壞失穩(wěn) 裂隙演化 微震 電磁輻射
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TD32;TD771
【目錄】：

• 摘要4-8
• Abstract8-16
• 1 引言16-36
• 1.1 論文選題背景及研究意義16-18
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀18-31
• 1.2.1 煤巖破壞失穩(wěn)的靜態(tài)力學(xué)研究現(xiàn)狀18-22
• 1.2.2 煤巖破壞失穩(wěn)的動態(tài)力學(xué)研究現(xiàn)狀22-27
• 1.2.3 煤巖破壞失穩(wěn)的動靜組合加載研究現(xiàn)狀27-28
• 1.2.4 煤巖破壞失穩(wěn)與煤巖動力災(zāi)害研究現(xiàn)狀28-31
• 1.3 存在的不足及需要進一步研究的問題31-32
• 1.3.1 存在的不足31-32
• 1.3.2 需要進一步研究的問題32
• 1.4 研究內(nèi)容及方法32-36
• 1.4.1 研究目標(biāo)32-33
• 1.4.2 主要研究內(nèi)容33
• 1.4.3 研究方法及技術(shù)路線33-36
• 2 受載煤巖破壞與結(jié)構(gòu)失穩(wěn)致災(zāi)機理分析36-54
• 2.1 煤體原始應(yīng)力場與采動應(yīng)力場時空耦合演化規(guī)律36-44
• 2.1.1 靜載作用下的煤體應(yīng)力場耦合演化規(guī)律36-40
• 2.1.2 動靜組合加載作用下的煤體應(yīng)力場耦合演化規(guī)律40-44
• 2.2 煤體靜載破壞的應(yīng)力場與位移場參數(shù)44-48
• 2.2.1 煤體靜載微觀破裂類型44-46
• 2.2.2 煤體靜載宏觀破裂與破壞失穩(wěn)46-48
• 2.3 煤體動載破壞的應(yīng)力場與位移場參數(shù)48-52
• 2.3.1 典型煤體動載微觀破壞的解析解48-50
• 2.3.2 煤體振動作用下的裂紋演化與損傷破壞50-52
• 2.4 本章小結(jié)52-54
• 3 煤體靜載破壞試驗研究54-80
• 3.1 煤樣堅固性系數(shù)測定試驗54-56
• 3.2 型煤試樣制備與超聲波波速特征測定試驗56-70
• 3.2.1 完整型煤試樣制備56-60
• 3.2.2 節(jié)理型煤試樣制備60-62
• 3.2.3 超聲波波速特征測定試驗62-70
• 3.3 煤體靜載破壞過程中的微震和電磁輻射信號特征70-78
• 3.3.1 試驗過程介紹70-71
• 3.3.2 信號去噪與分析71-75
• 3.3.3 煤體靜載破壞過程中的微震信號特征及彈塑性臨界狀態(tài)判定75-78
• 3.4 本章小結(jié)78-80
• 4 受載煤體振動破壞實驗研究80-118
• 4.1 自振頻率測定試驗80-91
• 4.1.1 自振頻率測試系統(tǒng)81-85
• 4.1.2 自振頻率分析過程與測試結(jié)果85-91
• 4.2 受載煤體振動破壞過程中的聲電信號特征91-104
• 4.2.1 試驗系統(tǒng)和試驗過程簡介92-97
• 4.2.2 信號去噪與分析97-101
• 4.2.3 聲電信號的能量統(tǒng)計101-104
• 4.3 受載煤體振動破壞過程中裂隙分布的定量化描述104-115
• 4.3.1 圖形處理算法簡介104-107
• 4.3.2 處理軟件簡介107-108
• 4.3.3 典型裂隙演化圖像處理過程108-113
• 4.3.4 裂隙分布的定量化描述113-115
• 4. 本章小結(jié)115-118
• 5 受載煤體振動條件下的動力學(xué)響應(yīng)參數(shù)模擬研究118-138
• 5.1 FLAC 3D軟件簡介118-121
• 5.1.1 有限差分法118-120
• 5.1.2 混合離散法120-121
• 5.2 FLAC 3D動力學(xué)分析121-123
• 5.2.1 瑞利阻尼121-122
• 5.2.2 局部阻尼122
• 5.2.3 滯后阻尼122-123
• 5.3 煤體動力擾動模擬結(jié)果分析123-131
• 5.3.1 煤體靜載模擬123
• 5.3.2 受載煤體振動試驗?zāi)M123-131
• 5.4 受載煤體振動模擬結(jié)果的驗證與討論131-135
• 5.4.1 受載煤體振動模擬結(jié)果的驗證131-134
• 5.4.2 受載煤體振動破壞機理的初步探討134-135
• 5.5 本章小結(jié)135-138
• 6 基于聲電信號的受載煤巖體破壞特征現(xiàn)場測試138-164
• 6.1 現(xiàn)場試驗區(qū)域及監(jiān)測系統(tǒng)簡介139-143
• 6.1.1 試驗區(qū)域簡介139-140
• 6.1.2 監(jiān)測系統(tǒng)簡介140-143
• 6.1.3 監(jiān)測系統(tǒng)布置143
• 6.2 現(xiàn)場測試信號及去噪分析143-151
• 6.2.1 不同作業(yè)工序的聲電信號143-146
• 6.2.2 聲電信號去噪處理146-151
• 6.3 現(xiàn)場煤巖損傷破壞聲電測試信號同步性分析151-156
• 6.3.1 爆破作業(yè)聲電信號同步性分析152-155
• 6.3.2 打鉆作業(yè)聲電信號同步性分析155-156
• 6.3.3 割煤作業(yè)聲電信號同步性分析156
• 6.4 基于聲電信號特征預(yù)測煤巖損傷破壞及失穩(wěn)致災(zāi)機理探討156-161
• 6.4.1 爆破作業(yè)聲電信號的能量關(guān)聯(lián)性及其影響因素157-159
• 6.4.2 煤巖損傷破壞聲電信號的同源性159-161
• 6.5 本章小結(jié)161-164
• 7 結(jié)論與展望164-168
• 7.1 結(jié)論164-166
• 7.2 主要創(chuàng)新點166
• 7.3 研究展望166-168
• 參考文獻168-186
• 致謝186-188
• 作者簡介188-189

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 趙毅鑫;龔爽;黃亞瓊;;沖擊載荷下煤樣動態(tài)拉伸劈裂能量耗散特征實驗[J];煤炭學(xué)報;2015年10期

2 李成武;孫曉元;高天寶;孫英峰;解北京;徐曉萌;;煤巖振動破壞過程中自振頻率變化特征研究[J];煤炭學(xué)報;2015年10期

3 劉曉輝;戴峰;劉建鋒;張茹;;考慮層理方向煤巖的靜動巴西劈裂試驗研究[J];巖石力學(xué)與工程學(xué)報;2015年10期

4 陳國祥;郭兵兵;;沖擊礦壓的靜動疊加失穩(wěn)機制和發(fā)生模式[J];煤炭學(xué)報;2015年09期

5 李成武;孫曉元;高天寶;解北京;徐曉萌;;煤巖體振動破壞試驗及微震信號特征[J];煤炭學(xué)報;2015年08期

6 李果;張茹;徐曉煉;張艷飛;;三軸壓縮煤巖三維裂隙CT圖像重構(gòu)及體分形維研究[J];巖土力學(xué);2015年06期

7 徐曉煉;張茹;戴峰;于斌;高明忠;張艷飛;;煤巖特性對超聲波速影響的試驗研究[J];煤炭學(xué)報;2015年04期

8 李果;艾婷;于斌;張茹;高明忠;徐曉煉;;不同巖性巴西劈裂試驗的聲發(fā)射特征[J];煤炭學(xué)報;2015年04期

9 王川;孫曉元;王金貴;胡泊;徐曉萌;;炮掘工作面爆破震動波傳播特性[J];煤礦安全;2015年01期

10 楊井瑞;張財貴;周妍;朱哲明;王啟智;;用SCDC試樣測試巖石動態(tài)斷裂韌度的新方法[J];巖石力學(xué)與工程學(xué)報;2015年02期

，

本文編號：960022