ANALYSIS OF ACCUMULATION CHARACTERISTICS OF ELASTIC DEFORMATION ENERGY OF SURROUNDING ROCK IN RECTANGULAR ROADWAY1)

煤矿冲击地压主要发生在巷道中,其主要原因之一是巷道围岩积聚了大量的弹性能。为得出矩形巷道围岩弹性变形能积聚特征,降低巷道支护成本,推导了巷道冲击破坏失稳能量准则,并建立了矩形巷道围岩能量积聚计算模型,理论分析了采深、巷道断面尺寸和煤层厚度对矩形巷道围岩能量积聚影响规律,得出：矩形巷道积聚的弹性能随采深的增加而增大,采深越深,巷道积聚的弹性能增长速率越快。巷道围岩积聚能量随巷道断面尺寸增加而增大。当煤层厚度小于巷道影响范围时,巷道积聚能量随煤层厚度增加而增大。在实际工程中,尽可能减小巷道断面尺寸,尽可能沿顶、底板布置巷道。研究结果为冲击地压巷道布置和降低巷道支护成本提供了理论依据。     

高瓦斯煤层冲击地压发生条件与影响因素

针对高瓦斯煤层冲击地压问题,用解析方法得到冲击地压发生条件,分析了主要影响因素对满足冲击地压发生条件的临界塑性区半径和临界应力的影响规律.结合五龙矿开采实际情况对影响高瓦斯煤层冲击地压的煤的模量比、煤层瓦斯孔隙压力、支护应力和内摩擦角4个因素做了对比分析.研究发现:高瓦斯煤层在巷道掘进面附近由于存在开挖面空间效应,掘进面前方尚未开挖的煤体对巷道变形起到了限制作用,减少了冲击地压的发生,随着掘进面向前推进,后方一定距离范围内的巷道支护应力增大.随着瓦斯解吸渗流的进行,巷道壁处孔隙压力降低,巷道冲击地压危险性明显提高,此时提高支护应力,冲击危险性有所降低.高瓦斯煤层巷道发生冲击地压的临界塑性区半径和临界应力随模量比、瓦斯孔隙压力的增大而快速减小,随支护应力的增大而增大,临界塑性区半径随内摩擦角的增大而增大,临界应力与内摩擦角不是单调函数关系,存在一个极小值点,当内摩擦角小于此极小值时,临界应力随内摩擦角增大而减小;当内摩擦角大于此极小值时,临界应力随内摩擦角增大而增大.     

动力扰动诱发巷道围岩冲击失稳的能量密度判据

能量积聚程度及积聚位置是判别冲击矿压是否发生的两个重要参数,运用ANSYS/LS-DY-NA模拟了应力波作用下巷道围岩的能量积聚过程及应力波强度对能量积聚程度的影响,得到了一定围岩应力状态下巷帮围岩能量积聚的大小、位置等结果.模拟研究表明:应力波是巷帮能量积聚、继而诱发冲击矿压的一个重要因素;应力波强度决定了最大能量密度值及其位置,随着扰动应力波强度的增加,巷道围岩的最大能量密度随之增加,最大能量密度点的位置渐渐向巷帮边界面靠近.研究结果对揭示煤矿冲击矿压的诱发机理及冲击矿压发生的预测预报具有重要意义.     

矿用防冲吸能支护构件的数值分析与实验研究

煤矿冲击地压会造成围岩剧烈震动、变形或突发破坏,从而对支护体产生破坏性冲击作用。基于快速吸能让位防冲击支护理念,研制了一种具有特殊形状的防冲击吸能支护构件,可应用于巷道防冲吸能液压支架中。其机理在于利用构件的快速变形让位与吸能过程,缓解支架受到的超额冲击,保护支架不受损坏,从而防止支护体系以及巷道围岩的失稳破坏。文中提出了吸能构件的承载力与吸能量简化公式,采用Abaqus软件计算分析了构件参数设置的可靠性,得到了理想的力-位移曲线、吸能量曲线和屈曲变形模态,并通过实验室准静态压溃试验进行了一定的验证,试验得到吸能构件承载力达2660kN,吸能量达375.56kJ,与预期值非常接近。此构件的设计与研制,为支架的现场应用以及进一步的优化设计提供了一定的参考依据。     

非线性块系岩体动力响应及在巷道防冲支护中的应用

随着煤矿开采深度的增加,冲击地压灾害日趋严重,亟需采用新方法、新理论加以防治.摆型波是在深部岩体工程中发现的新型非线性波,其使岩体出现相对分离和相对压实的不同运动状态,与冲击地压灾害的发生密切相关.针对岩体中软弱结构层的非线性变形特征,引入双曲线模型建立块系岩体中摆型波传播的非线性动力模型,研究软弱层的物理力学性质(最大闭合量、初始刚度和阻尼)对块系岩体动力响应的影响.进一步,基于块系围岩与支护系统互馈作用的理论模型,在无初始地应力和考虑初始地应力的情况下研究巷道支护系统的刚度、让位能力和阻尼耗能作用对巷道顶板动力响应的影响,分析支护系统的受力情况,为新型防冲吸能巷道液压支架设备的吸能让位行为提供理论依据.研究结果表明:基于双曲线模型建立的块系岩体的非线性动力模型能够限制岩块间软弱层的最大变形量.冲击载荷越大,增大软弱层最大闭合量时岩块的加速度降低程度越显著.增加支护系统刚度,增强支护系统让位能力和阻尼耗能能力,均可有效降低巷道顶板的加速度幅值,减轻巷道围岩对支护系统的冲击力,有效保护巷道结构.     

饱水对煤层顶板砂岩单轴压缩破坏能量影响的分析

为研究饱水对砂岩力学参数和能量特征的影响,利用RMT-150B岩石力学系统对煤层顶板砂岩自然和饱水试样进行单轴压缩试验。试验结果表明:饱水对砂岩试样的强度和变形参数均有不同程度的影响,软化系数为0.79,弹性模量降幅为5.25%,变形模量降幅为5.92%;饱水后砂岩试样峰值前吸收能量、可释放弹性能和耗散能均有不同程度降低,吸收能量降幅36.8%,可释放弹性能降幅为34.4%,耗散能降幅为57.7%;饱水后砂岩储蓄能量的能力有较大减弱,脆性减弱,塑性明显增强;饱水砂岩试样压缩过程中积蓄可释放能难以使试样滑移破坏,仍需要吸收部分能量使试样逐步失稳破坏;饱水对砂岩试样压缩过程吸收能量、可释放能量比例关系的影响较小,而对耗散能比例关系的影响较大;自然状态下砂岩试样峰值前相同应变条件下吸收能量、可释放能均明显高于饱水试样对应能量值;深部巷道位置确定和支护设计时应充分考虑水对巷道围岩弱化的影响,对于完整坚硬围岩采用高压注水软化可有效防止冲击地压发生和减缓灾害程度。     

软岩条件下大断面巷道支护技术的实践与研究

为进一步研究软岩条件下大断面巷道围岩的变形机制和破坏特征, 确定合理有效的支护形式和支护参数, 选取高家梁煤矿的大断面顺槽为研究对象, 在确定巷道断面形状和尺寸的基础上, 运用现场监测、数值模拟的方法, 确定了锚-网-索联合支护系统. 现场实践结果表明: 该支护形式和支护参数有效地控制了围岩的变形, 支护效果好, 经济合理, 安全可靠, 具有较高的应用价值, 此类支护系统为解决软岩内大断面巷道围岩变形大、稳定性差、巷道难以维护的问题提供了一条新思路.     

基于实测地应力深埋巷道塑性区定量分析

深埋巷道大变形、强流变的破坏特征源于其高地应力的作用,准确分析已开掘巷道塑性区分布对巷道围岩变形影响、开掘方案选择及后续类似条件巷道布置意义深远。在围岩力学参数测试、地应力场测试的基础上,采用弹塑性理论、M-C准则、修正的“当量半径”理论简化计算了直墙半圆拱形断面布置下深埋巷道的围岩塑性区大小,分析了巷道围岩塑性区受采动应力、侧压系数单独及耦合作用影响规律。在侧压系数为0.5、垂直压力为35MPa时底板塑性区最大,其值为2.65m,建议加强巷道底板的支护与维护,并给出了塑性区控制方案。研究结果可为后续类似条件下巷道开掘方案优选、支护设计及围岩稳定性判定提供一定的借鉴。     

松软煤层综放面顶底板采动应力分布规律研究

以某矿综放采场为背景,通过现场实测、相似材料模拟等手段,研究了松软煤层综放开采中液压支架受力状态、两巷单体支柱受力特征和顶底板的采动应力分布规律,结果表明液压支架在工作面不同位置受力状态不同,处于中部位置的支架受力最大,同一支架前立柱受力大于后立柱;风巷围岩应力大于机巷围岩应力,两巷的超前采动应力峰值位置在工作面前3～11m;顶板岩层同一层位中采动应力分布随工作面的距离不同而不同;不同层位应力分布也不同,离煤层越近的岩层中应力集中系数越大;底板岩层在工作面前方6m左右处应力达到最大,在工作面处应力为零。该研究结果有效地指导了该矿井同一煤层综放面巷道布置、两巷支护及工作面顶板管理。     

高轴压和围压共同作用下受频繁冲击时含铜蛇纹岩能量演化规律

探讨高轴压和围压共同作用下频繁冲击扰动试验过程中伴随主要能量的种类，并推演冲击扰动前后弹性能、塑性能等能量的计算公式；采用预加载围压、高轴压、0.5 MPa冲击气压模拟深部岩体承受的水平应力、垂直高应力及爆破开挖扰动的影响开展动力学试验，并基于试验结果分析含铜蛇纹岩的动力学特征及能量演化规律。研究结果表明:含铜蛇纹岩能承受的扰动冲击次数随轴压增大而减小，随围压增大而增大，且动态峰值应力随扰动冲击次数增加而减小；随扰动冲击次数的增加，岩样伴随的弹性能先增大后趋于减小，伴随的塑性能呈增大的趋势发展，反射能和入射能的比值与透射能和入射能比值的变化规律相反，前者呈增大趋势，后者呈减小趋势；单位体积吸(释)能随扰动冲击次数的增加呈下凸曲线趋势变化，其均值随围压增大先减小后增大，随轴压增大而减小。     

注浆加固和可压缩层联合作用下隧道力学行为研究

根据高地应力深埋隧道的变形特征,以围岩加固和变形能量释放为原则,提出了注浆加固与可压缩层联合支护的方法,建立了基于注浆加固与可压缩层联合作用下的隧道力学模型;推导了在联合作用下隧道应力场和位移场的解析解,并与数值计算结果进行了对比验证。结果表明:围岩的注浆加固和可压缩层的设置均能有效改善衬砌的受力情况。在其他条件保持不变时,衬砌的压力和位移,以及围岩的位移都随着注浆加固层厚度的增大而减小,但压力和位移的减小趋势随着其厚度的增加而趋于平缓。同样地,可压缩层厚度增大可导致围岩变形能量更充分地耗散,衬砌的压力及位移均随着可压缩层厚度的增大而不断减小,该减小趋势随可压缩层厚度的变化趋于平缓。但是,随着可压缩层厚度的增加,围岩的位移却不断增加。另外,隧道变形的改善效果与可压缩层填充材料的力学参数密切相关,当其弹性模量由26MPa增至160MPa时,衬砌位移迅速增加。因此,该填充材料应具备足够的变形能力才能达到吸收围岩变形、改善衬砌受力的目的。     

超千米深井巷道围岩变形破坏时空演化规律实验研究

针对超千米深井巷道围岩大变形破坏的难题,通过相似模拟实验,分析了巷道周围的应力应变演化规律和倾角对巷道稳定性的影响,揭示了超千米深井巷道变形破坏时空演化规律。实验结果表明:由于岩层倾角的存在,巷道底板两角出现应力集中现象。随外界载荷的增大,巷道拱部左上角与底板右下角首先发生破坏,随后向围岩深部扩展,且出现大范围变形破坏,巷道左帮和右帮应力集中现象加剧;巷道围岩各位置处产生的位移量差别较大,巷道拱部与底板产生位移量较大,两帮位移量相对较小,巷道变形量最大的位置达到30mm以上;超千米深井巷道围岩变形破坏特征分为3个阶段:缓慢变形阶段、剧烈变形阶段和严重变形破坏阶段,巷道围岩产生大变形非对称性破坏,且破坏范围较大,顶底板最大破坏深度达到34mm,巷道围岩失去承载能力,巷道空间完全封闭。将上述实验结果应用于工程实践,提出华丰煤矿超千米深井巷道全断面高强预应力锚网支护,特殊部位加强支护的方案,达到了理想的效果。     

加载速率影响的单裂隙类岩石试样能量演化规律

为了研究加载速率对单裂隙类岩石试样破坏过程中能量演化进程的影响规律,分析裂隙类岩石试样在不同加载速率下的能量响应特征,以预埋金属薄片方法制作的裂隙类岩石试件为研究对象,基于RMT-150B对单裂隙类岩石试样进行四级加载速率下的单轴压缩试验,获得四级加载速率下裂隙类岩石试样力学性能。试验结果表明:单裂隙类岩石试样峰值强度与加载速率呈正相关性,但增长速率随加载速率的增加而减小;当加载速度不断增大时,峰值处试样弹性应变能积聚能力增强,但是耗散应变能随加载速率的增大而逐渐减小;裂隙试样在峰值后会累积弹性应变能,但其积聚能力随加载速率的增大而有所削弱;裂隙试样耗散应变能转化速率在峰值前处于较低水平,在峰值后伴随宏观破裂面的贯通而骤增,表明单裂隙类岩石试样内部能量演化进程与其破坏规律之间具有内在联系。     

中空钢化夹层玻璃抗冲击性能的影响因素

使用最小碎裂能方法分析了中空钢化夹层玻璃的面内尺寸和中间空气层厚度对其抗冲击性能的影响,并将实验结果按照首次破碎和再破碎两种状态进行对比。结果表明:在控制空气层厚度相同的情况下,试样首次破碎时,冲击载荷和能量吸收率随着面内尺寸的增加而增大;对于已破碎的试样,600mm×600mm尺寸试样的抗二次冲击能力最强;在控制面内尺寸相同时,两种状态下8mm空气层厚度的试样的承载能力最强。     

不同高应变率冲击荷载作用下混凝土试样的能量耗散分析

针对混凝土材料在冲击荷载作用下能量耗散和破碎程度关联性难确定的问题,采用分离式霍普金森压杆(SHPB)完成了混凝土试块冲击试验,通过对冲击后碎块的筛分试验和应力波传播过程中应变的测试,得到了试块的能量耗散规律和破碎特征。结果表明,(1) 入射应力波的加载时间约为380 μs,入射能、反射能和吸收能随冲击气压的增大而增大;同一气压下,反射能最早达到平衡; (2) 平均应变率越大,入射能和吸收能也越大;当平均应变率为300/s左右时,能量利用率为最低值; (3) 随着入射能的增加,吸收能的增长率越来越大,当入射能达到2100 J时,吸收能近乎线性增长; (4) 随冲击气压增大,试样由拉裂破坏逐渐转移为压碎破坏,且随着材料吸收能的增大,平均破碎尺寸越来越小。当吸收能大于700 J时,吸收能对试样的平均破碎尺寸减小的影响较小。     

支护条件下软岩隧道小型拱形塌腔围岩变形分析

以小型拱形塌方为研究对象,考虑支护条件,对自重应力场作用下软岩隧道小型拱形塌方腔体周边围岩及支护结构的变形受力进行了深入研究。结果表明:塌方腔体围岩水平位移增加值不均匀,拱顶处接近于0,垂直位移增加值相对均匀,两者最大值均位于塌腔与隧道断面交界点;距洞壁越近,水平位移和垂直位移越大;围岩应力释放程度不同,不同测线水平应力变化规律差异较大,垂直应力随距洞壁距离增加而不断增加,最终趋于稳定;塌方后支护结构的局部轴力变大,剪应力也较正常情况增加,表明支护结构受力明显增加,如处治不及时则可能发生二次塌方。提出应用锚杆进行塌方处治的方案,得出锚杆发挥了良好的加固围岩作用,围岩变形得到了有效控制。     

煤(岩)体埋深及倾角对压应力型冲击地压的影响研究

为了研究不同埋深和煤岩倾角对煤岩体开采引起的压应力型冲击地压过程,利用颗粒流方法进行冲击地压模拟。煤岩体与顶板倾角工况设置为7种,分别为0°,5°,10°,15°,20°,30°和40°;煤岩层埋深深度设置为8种,分别为-120m～-820m,间隔100m。在上述56种工况下进行压应力型冲击地压过程模拟,计算至平衡时统计飞石颗粒数量和变形颗粒数量,研究这两个数量与埋深和倾角之间的关系。结果表明,飞石数量和变形颗粒数量与埋深均为幂函数关系,前者随倾角增加幂次数增加且均大于1,后者随倾角增加幂次数增加但均小于1;在深度不变时两者数量增长与倾角为线性关系,且随着深度增加,斜率和截距均增加。     

一维六方准晶中纳米尺度开裂孔洞的III型断裂力学

研究了一维六方准晶中纳米尺度开裂孔洞的Ⅲ型断裂力学问题。基于复变弹性理论和表面弹性理论获得了考虑表面效应时椭圆孔边裂纹的应力场、应力强度因子和能量释放率的解析表达;讨论了缺陷尺寸、裂纹/孔洞比、耦合系数和施加载荷对应力强度因子和能量释放率的影响。研究表明：考虑表面效应且缺陷的尺寸在纳米尺度时,声子场和相位子场的无量纲应力强度因子以及无量纲能量释放率具有明显的尺寸依赖;裂纹相对尺寸较小时,表面效应对声子场和相位子场的无量纲应力强度因子影响较小;纳米尺度时无量纲能量释放率随耦合系数的增加而增大;耦合系数一定时,无量纲能量释放率受到椭圆孔尺寸影响;随着声子场载荷的增大,无量纲能量释放率先减小后增加,最后趋于稳定;无量纲能量释放率随相位子场载荷的增大单调减小,非常小和非常大的声子场载荷(或相位子场载荷)屏蔽了相位子场载荷(或声子场载荷)的影响。     

约束状态下聚能杆流对混凝土作用的实验研究

聚能杆流是多级串联战斗部次级装药的常用聚能侵彻体.基于两种典型的聚能装药结构,设计加工了有不同直径和深度预制约束孔的C35混凝土靶板,开展了(Φ60mm亚半球和K装药在不同约束状态侵彻毁伤混凝土对比实验研究.结果表明,两种聚能杆流都可在混凝土孔约束状态下形成大且深的侵彻孔;随约束孔径增大,侵彻深度先减小而后增加;随约束...     

纳米压痕试验中压头尺寸效应的准连续介质法分析

采用准连续介质法模拟了单晶铝纳米压痕试验过程,分析了不同宽度的刚性矩形压头所引起的初始塑性变形特点,获得了载荷-压深、应变能-位移和硬度-压深曲线.从位错理论的角度分析了压头尺寸对纳米压痕测试结果的影响.研究发现:随着压头宽度的不断增大,压头下方位错形核所需要的载荷和压深程度增大,需要的应变能增加,应变能的变化速率递增,纳米硬度值减小,呈现出明显的尺寸效应.同时表明在一定的压入深度下,硬度与压头尺寸之间存在着一定的比例关系,不同尺寸压头获得的硬度值可以相互换算,但当矩形刚性压头宽度大于或等于120时这种尺寸效应消失.研究结果为纳米压痕实验过程中压头尺寸的选择提供了参考依据.