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煤矿采动动载对煤岩体的作用及诱冲机理研究

作　者: 何江
导　师: 窦林名
学　校: 中国矿业大学
专　业: 采矿工程
关键词: 冲击矿压采动动载动静组合应变率五因素力能解锁防治
分类号: TD324
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

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。

全文目录

致谢  4-5
摘要  5-6
Abstract  6-8
Extended Abstract  8-11
目录  11-15
图清单  15-22
表清单  22-24
变量注释表  24-25
1 绪论  25-39
  1.1 研究背景及意义  25-26
  1.2 国内外研究现状  26-34
  1.3 采动动载的作用及其诱冲研究进展  34-37
  1.4 目前需要研究解决的问题  37
  1.5 论文的主要研究内容、研究方法和创新点  37-39
2 煤矿采动动载的形成及其特征分析  39-59
  2.1 引言  39
  2.2 煤矿开采的静载特征分析  39-42
  2.3 煤矿开采的采动动载特征分析  42-58
  2.4 本章小结  58-59
3 动载对煤岩体作用的试验研究  59-85
  3.1 试验研究背景  59
  3.2 试验目的、内容及方案  59-64
  3.3 加载应变率对煤岩力学特性的影响  64-72
  3.4 相同静载条件下煤的动力学特性  72-79
  3.5 不同静载条件下煤的动力学特性  79-83
  3.6 动静载作用下煤岩力学特性  83
  3.7 本章小结  83-85
4 采动动载对煤岩体变形破坏的作用  85-113
  4.1 引言  85
  4.2 煤岩损伤破坏分析  85-94
  4.3 采动动载作用下的煤岩破坏  94-101
  4.4 动静载组合作用下的煤岩破坏失稳  101-103
  4.5 采动动载作用的数值模拟分析  103-112
  4.6 本章小结  112-113
5 煤矿采动动载的诱冲机理  113-129
  5.1 引言  113
  5.2 煤矿冲击矿压基本影响因素  113-118
  5.3 动静组合“力能解锁”冲击矿压机理  118-122
  5.4 采动动载的诱冲机制分析  122-127
  5.5 本章小结  127-129
6 降低动载作用的冲击矿压防治原理  129-145
  6.1 引言  129
  6.2 冲击危险的动载监测预警  129-135
  6.3 降低动载作用控制冲击危险程度  135-144
  6.4 小结  144-145
7 降低动载防治冲击矿压实践  145-161
  7.1 引言  145
  7.2 桃山煤矿冲击矿压显现分析  145-147
  7.3 桃山煤矿薄煤层开采动静载特征  147-153
  7.4 采动动载的监测及控制  153-156
  7.5 采动动载的监测与控制效果  156-160
  7.6 本章小结  160-161
8 主要结论及后续研究工作  161-164
  8.1 主要结论  161-163
  8.2 后续研究工作  163-164
参考文献  164-175
作者简历  175-178
学位论文数据集  178

煤矿采动动载对煤岩体的作用及诱冲机理研究

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