【摘 要】
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随着开采强度和深度的增加,冲击地压已成为制约我国煤矿安全高效开采的瓶颈。动载冲击地压就是煤岩在动静组合加载下发生的,研究强冲击倾向性煤岩体在动载和动静载荷下的失稳破坏规律及多参量前兆特征,有利于进一步揭示动载冲击地压的发生机制,同时对于动载冲击地压的监测和防治具有一定的指导作用。因此,本文综合运用实验室试验、理论分析和数值模拟等手段,开展室内静载、动载及动静组合加载多参量监测试验,分析不同加载条件
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随着开采强度和深度的增加,冲击地压已成为制约我国煤矿安全高效开采的瓶颈。动载冲击地压就是煤岩在动静组合加载下发生的,研究强冲击倾向性煤岩体在动载和动静载荷下的失稳破坏规律及多参量前兆特征,有利于进一步揭示动载冲击地压的发生机制,同时对于动载冲击地压的监测和防治具有一定的指导作用。因此,本文综合运用实验室试验、理论分析和数值模拟等手段,开展室内静载、动载及动静组合加载多参量监测试验,分析不同加载条件下煤岩力学特性及变形破坏规律,并对加载过程中应力、能量和地球物理参量演化规律及前兆特征进行分析;深入探讨动静载下煤岩冲击失稳机理,构建基于应力、能量和地球物理参量的动静载下煤岩冲击失稳多参量预警指标体系。围绕上述研究,得到的研究成果如下:(1)煤样的抗压强度、抗拉强度均与加载速率正相关,且二者关系用指数、对数及幂函数均能较好描述;不同加载速率下煤样单轴压缩及巴西劈裂变形破坏特征、撞击及绝对能量演化、声发射事件空间演化及空间分维值演化特征基本一致,且其微观破坏机制均为以拉伸破坏为主导的拉剪混合破坏,并伴有少量剪切破坏。不同加载速率下单轴压缩及巴西劈裂煤样在其变形破坏过程中能监测到中子,中子剂量水平分别在10~100 n Sv/h和10~80 n Sv/h之间;单轴压缩下中子剂量与加载速率呈正相关性,而巴西劈裂下中子剂量与加载速率呈负相关性;当加载速率较大时,未能监测到中子。不同加载速率下单轴压缩及巴西劈裂煤样的变形场演化规律基本一致,其垂直位移变异系数均呈波动-缓慢增加-快速增加趋势。不同加载速率下巴西劈裂煤样的温度标准差演化趋势基本一致,呈波动上升-缓慢上升-较快上升-快速上升趋势。(2)动静载下煤样的抗压强度随着动载应变率的增加而增大,且当动载应变率达到5×10-3 s-1时,抗压强度出现较大提高;二者关系用线性、指数函数、对数函数及幂函数均能较好表达;不同动载应变率下煤样的变形特征、撞击及绝对能量演化规律、声发射事件空间演化规律及空间分维值演化规律基本一致。不同动载应变率下煤样的微观破坏机制均为以拉伸破坏为主导的拉剪混合破坏,并伴有少量剪切破坏,但剪切裂纹所占比例随着加载速率的增加而增加,与动载应变率正相关。动静载下部分煤样在其变形破坏过程中能监测到中子,中子剂量水平为6~30 n Sv/h之间。不同动载应变率下煤样的垂直位移场演化特征基本一致,其垂直位移标准差呈近线性增加-稳定不变-循环波动-近线性增加-最大值-减小趋势。不同动载应变率下煤样的温度标准差演化趋势基本一致,其温度标准差呈波动上升-稳定不变-循环波动-较快增加-最大值趋势。(3)基于动静载下煤岩的损伤本构方程,建立了动静载下煤岩冲击失稳的突变模型,得到了动静载下煤岩发生突变的必要条件:当(?)时,动静载荷下煤岩会发生冲击失稳;反之,煤岩处于稳定状态。煤岩发生突变前后的位移差为:(?);突变前后的能量差为:(?)。(4)不同动载应变率下煤样的能量密度演化特征基本一致,煤样在峰值强度处耗散能密度出现突增,其初始值均在0.05 MJ/m~3附近,即可将耗散能密度达到0.05 MJ/m~3作为煤样失稳破坏的前兆。不同动载应变率下煤样的耗散能增长速率演化规律基本一致,呈缓慢增加-稳定不变-周期增减-稳定不变-快速增加趋势;耗散能增长速率的突增点可作为煤样的冲击失稳前兆。煤岩冲击失稳前应力、能量、声发射、中子辐射、温度场及变形场等物理参量均会出现一定异常,故可将信号异常作为破坏失稳的前兆信息;不同物理参量前兆点按从先到后依次为中子、声发射、能量、应力、温度场、变形场。综合考虑以上监测指标,初步建立了动静载下煤岩冲击失稳多参量预警指标体系。(5)数值模拟试验表明不同加载速率下煤样的抗压强度分布在22~180 MPa,当加载速率较小((27)0.06 mm/min)时,抗压强度基本稳定在22 MPa附近;当加载速率很大((29)30 mm/min)时,抗压强度快速增加,数值模拟试验得到的抗压强度与室内试验结果基本吻合,且抗压强度与加载速率正相关。不同加载速率下煤岩损伤演化规律基本一致,但峰值强度处对应的损伤值和煤岩破坏速度均与加载速率正相关。不同静载条件下煤岩损伤演化规律基本一致,但其抗压强度、扰动阶段损伤曲线斜率均与静载载荷负相关,煤岩破坏时对应的损伤值也存在一定差异,较高静载载荷对应的损伤值较小,而较低静载载荷对应的损伤值较大。相同静载条件下煤岩损伤演化规律基本一致,但其抗压强度、扰动阶段损伤曲线斜率均与动载速率正相关,煤岩破坏时对应的损伤值也存在一定差异,较高动载速率对应的损伤值较大,而较低静载载荷对应的损伤值较小。
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