煤矿采动动载对煤岩体的作用及诱冲机理研究

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煤矿采动动载诱发冲击矿压显现的机理及防治,目前缺乏系统的研究。本文综合采用理论分析、现场原位试验、实验室试验、数值模拟及工程实践等研究方法,对煤岩力学特性的应变率相关性,煤矿采动动载特征、诱冲机理及降低动载作用的冲击矿压防治进行了系统研究。现场测试及研究表明:原岩应力是静载的基础,采掘空间附近应力具有基本分布形式。采掘活动及煤岩动力学响应是采动动载的主要来源。动载应变率与矿震能量成正相关关系,煤矿动载应变率一般不超过10-1/s级,据此对煤矿载荷状态进行了界定,并推导或给出了动载表达式。试验研究表明:煤岩强度、弹性模量均随应变率呈指数关系;煤岩破坏前后加载系统输入的能量随应变率呈指数增加,动态破坏时间急剧减小,冲击倾向性显著增强;静载较低时,煤岩破坏需要较强动载或多轮动载作用,表现为动载破坏形态,静载较高时,较低的动载可使煤样破坏,主要表现为静载破坏形态;煤岩声发射表现出较强的凯瑟效应;动载作用下,煤岩在峰值应力前已表现出剧烈损伤。理论研究表明:煤岩具有临界损伤因子,当损伤因子达到临界值时,煤岩表现为宏观破坏;静载作用下,煤岩具有裂纹扩展优势方向,损伤主要在局部范围内发生;增大主差应力,可增大裂纹扩展方向和可扩展裂纹长度范围;动载作用下,应力大小及方向随时间改变,煤岩裂纹扩展优势方向也随之改变,增大了煤岩损伤范围;动载幅值越大、频率越低、持续时间越长,煤岩体损伤越大;动静组合作用下,静载主要提供煤岩破坏的应力和能量基础,动载主要起触发损伤破坏的作用,同时输入部分能量;动载作用时,煤岩表现为损伤加剧、结构面解锁滑移、自由面产生反射拉应力等损伤失稳现象。研究提出了动静叠加的“力能解锁”冲击矿压机理,阐述了煤岩结构强度的各向异性对动静叠加的力能解锁提供的条件。从动静叠加和时变动力学角度构建了冲击矿压判别准则,解释了冲击矿压的滞后显现,分析了动载的扰动形式,阐明了煤岩具有临界抗扰动能力,并分析了冲击矿压力能积聚特征及几类典型的解锁模式。提出了冲击矿压动静结合的监测预警思想,并指出动载应从动载源、煤岩动载响应两方面进行监测,介绍了冲击矿压动载监测关键技术,分析了动载监测的前兆规律;提出了降低动载作用防治冲击矿压原理,通过降低动载源强度、降低动载传播特性、降低动载扰动效应,降低或减弱冲击显现;研究了降低动载的关键技术,提出了控制动载扰动效应的“弹性+整体+高强蓄能承载”巷道支护形式。研究成果在桃山煤矿进行了现场实践,结果表明基于降低动载作用的冲击矿压防治理论及技术效果明显。该论文有图111幅,表22个,参考文献225篇。
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