應力波產生機制及對沖擊地壓影響研究.pdf

1、煤礦沖擊地壓災害具有顯著的動力學特征，其發(fā)生演化過程往往受到動載擾動因素的影響，包括頂板斷裂、斷層滑移、工程爆破和天然地震等。目前針對擾動因素對沖擊地壓的影響研究側重于動載的沖擊破壞作用，對于應力波的產生及傳播特性研究仍然存在不足。本文采用理論建模、實驗室實驗和數值模擬手段，分別對煤巖體破裂震源模型及關鍵影響因素、煤體應力波傳播衰減規(guī)律及主導機制、煤體沖擊破壞動力學特性及失效準則展開了深入研究，綜合分析了應力波對沖擊地壓的影響。本研究主

2、要內容包括：
　　⑴基于位錯震源理論和動態(tài)斷裂力學，建立了采場空間頂板張性斷裂和煤體壓剪破裂震源模型，開發(fā)了煤巖體破裂三維應力波數值計算程序，模擬分析了頂板斷裂和煤體破裂震源產生的應力波動態(tài)速度場，確定了兩類震源模型關鍵影響因素為斷裂尺度和介質強度。結果顯示，頂板斷裂震源和煤體破裂震源產生的應力波持續(xù)時間、動態(tài)速度幅值分別隨著斷裂尺度和介質強度的增大而增大。這表明采場頂板厚度越大、強度越高，則頂板斷裂產生的應力波強度就越高；煤體破

3、裂尺度越大、強度越高，產生的應力波強度也越高。
　?、崎_展SHPB實驗研究了無軸壓和施加軸壓后煤體應力波傳播衰減規(guī)律，建立了應力波作用下煤體裂紋閉合模型，揭示了煤體裂隙結構變化對應力波傳播衰減的影響機制。應力波造成煤體裂隙閉合或擴展時，其傳播衰減的主導機制為裂紋面摩擦效應和裂紋擴展耗能，可分別采用裂紋閉合模型和脆性損傷模型描述煤體中應力波傳播衰減規(guī)律。大尺度數值模擬結果與現場煤層巷道爆破應力波傳播衰減規(guī)律一致，驗證了該模型用于分析

4、現場煤層沖擊應力波傳播衰減的可行性。應力波強度不足以改變煤體裂隙結構時，應力波傳播衰減主導機制為散射效應、流動效應和基質摩擦效應。
　　⑶研究了應力波作用下煤體沖擊破壞產物的斷口微觀形貌特征，揭示了應力波作用下煤體裂紋起裂擴展匯聚機制與脆性斷裂機理，建立了煤體沖擊破壞失效準則。應力波作用下煤體沖擊破壞過程以張性裂紋起裂擴展為主，沖擊破壞模式包括橫向拉伸破壞和軸向拉伸破壞，兩類破壞模式下煤體斷口微觀形貌存在明顯的河流狀花樣、人字形花

5、樣和臺階狀花樣，證實煤體沖擊破壞屬于脆性斷裂所致，脆性斷裂機理為不同平面內大量I型張性裂紋擴展匯聚形成大尺度III型裂紋。根據煤體的橫向和軸向拉伸破壞模式，分別建立了兩類破壞模式對應的裂紋組模型，確定了裂紋擴展臨界長度對應的損傷閾值，提出了煤體沖擊破壞失效準則。
　?、染C合考慮應力波的產生、傳播與破壞三個階段，以千秋煤礦21141工作面上覆巨厚礫巖層頂板斷裂活動為例，模擬了應力波致災過程并進行了現場驗證，在此基礎上分析了地應力、應