小研巷道围岩层裂板结构稳定性.doc

毕业论文/论文格式 小研巷道围岩层裂板结构稳定性 1 引言煤矿冲击矿压是典型围岩体失稳动力灾害现象之一，它对煤矿的安全生产有很大的危害。概括说来，冲击矿压是指矿井采掘空间周围岩体在高应力作用下局部失稳，弹性应变能突然释放，使煤或岩体向采掘空间抛射的一种动力破坏现象。进入20 世纪80 年代初，由冲击矿压发生事故资料分析发现，冲击矿压发生于高压应力集中区域，并且往往是由于与巷道自由表面平行的裂纹扩展造成的。大量研究表明裂纹的扩展方向受最大压应力方向控制，事实上这些裂纹是由于巷道开挖以及煤(岩)体内原存缺陷生成的次生裂纹，且自由表面对裂纹扩展的影响是非常重要的。在巷道开挖以及煤矿开采过程中，巷道围岩应力由于开挖而重新分布，巷道附近压应力集中，在巷帮自由壁面附近的围岩内部将形成与壁面平行的贯穿型裂纹，裂纹使得巷道附近岩体开裂，形成板状劈裂，并最终在巷帮自由表面附近出现与围岩剥离的岩层，在近巷道壁围岩中形成岩板结构，这些板状结构就称为层裂板结构。巷道围岩在外部载荷作用下形成层裂板结构以后，如果层裂板结构继续承受外部载荷的作用，那么层裂板结构就会发生屈曲，继而巷道围岩发生失稳，冲击矿压现象随之发生。在层裂板结构形成后，围岩稳定性可由板的稳定性来分析。代写网提供大量电子商务毕业论文，如有业务需求请咨询网站客服人员！2 巷道围岩层裂板结构的形成（a）、（b）、（c）分别表示表示巷道附近煤体受压状况、煤壁附近单元体的受力状况以及滑移裂纹模型。在煤壁附近存在高应力集中区，由于节理切割或缺陷的影响，煤体中存在大量的次生裂纹。由于损伤的存在将在局部造成各向异性，在缺陷局部形成张应力集中，使得缺陷边缘沿最大压应力方向产生张性翼裂纹。由于巷道附近的围岩内存在大量的裂纹，巷道围岩均处于一定压力的地应力场中，围岩中应力波扰动作用后形成的裂纹，当拉应力增长至岩石材料的抗拉极限时，促使裂纹沿应力高的方向发展；当应力波传播到裂纹处，引起应力场的变化，特别是在裂纹尖端处，产生畸变，应力骤然增加。根据断裂力学知识，可以得到图（c）模型的裂纹扩展临界压应力：层裂结构的形成，使巷帮围岩的侧向刚度明显下降，从而导致围岩向巷道自由空间的变形迅速加剧，巷帮围岩的侧向刚度的下降极易造成层裂结构的侧向屈曲失稳，从而诱发巷道冲击矿压的发生。3 层裂板结构的静力稳定性对于层裂板在静载荷作用下的研究，主要是研究层裂板失稳时的临界载荷值，模型如图3 所示，边界条件取两种极限情况考虑。国内外的许多着作中对于临界值的求解有很多方法，*主要采用的能量法进行求解3.1 层裂板结构的总势能3.2 层裂板的临界曲屈载荷能量法的主旨思想是求得力在系统中的应变能以及力在系统中所做的功，如果二者相等，那么系统处在临界状态，此时作用在系统中载荷就是系统发生突变的临界载荷。尽管边界条件不同，但是两临界载荷与系数之间的关系曲线的趋势是相同的。对于任意一个k1，随着k2 的增加，层裂板的临界载荷受k2 的影响逐渐减小，最后趋于一个稳定的值；对于任意一个k2，随着k1 的增加，临界载荷逐渐减小，此时，层裂板越容易失稳，也即构造应力越大，层裂板结构越容易失稳，冲击矿压发生的概率也更大。3.4 层裂板结构临界载荷估计的补充说明实际情况的巷道围岩所处外部环境和应力状态时很复杂的，当其产生层裂板结构之后，板的边界条件并不是单纯的上述两种情况。但是，经过分析可以近似的简化其边界条件，认为实际情况下巷道围岩层裂板结构形成以后，板的边界条件介于上述两种边界条件之间。比较（13）、（14）可以看出： y1 y 2 。所以在实际的情况中可以近似的认为层裂板结构的临界载荷为：y1 y y2 在工程实际中，考虑安全因素，所以建议实际过程中取层裂板结构的临界载荷为：y y1 4 层裂板结构的动力稳定性对于层裂板结构在周期动载荷下的失稳，主要是根据层裂板结构的马奇耶希拉方程式，来确定其动力不稳定区，从而对于动力扰动下巷道围岩的稳定性有一定的预测9。对于层裂板结构的动力稳定性，边界条件同样取与分析静力稳定性一样两种极限情况考虑。4.1 层裂板结构马奇耶希拉方程有的不稳定区中，第一不稳定区的范围最大，对问题的影响最明显，实际工程也最危险，也具有最大的实际意义，这个区域成为主要动力不稳定区。研究发现，无限增长的区域被具有周期t 及2t 的周期分割开来，周期相同的两个解所包围的是不稳定区，而周期不同的两个解包围着稳定区域。由式表明，层裂板结构动力不稳定区域边界与层裂板结构的自身频率、承受扰动载荷有密切的关系。当层裂板结构固有频率一定，则层裂板结构动力不稳定区等边界取决于层裂板纵向扰动载荷的大小；同理，当纵向载荷幅值确定时，层裂板不稳定区域随周期性载荷幅值的增大而扩张。对于主要不稳定区尤为明显。上图是关于 2 的曲线，从图上可以看出，动力不稳定区域的宽度随着区域号码的增加而迅速减小，具有最大宽度的为主要不稳定区域。随着 的增大，层裂板结构的动力不稳定区域的边界随之增大，在00.8范围内，当= 0.8时，主要动力不稳定区达到最大，外载扰动频率位于动力不稳定区域等可能性最大，层裂板屈曲失稳的可能性也最强，冲击矿压发生的概率也最大。4.3 层裂板结构动力不稳定区估计的补充说明与静力分析情况相同，认为实际情况下巷道围岩层裂板结构形成以后，板的边界条件介于上述两种边界条件之间。但是通过分析，可以得到，两种情况下的动力不稳定区的表达式在形式上是相同的，不同的只是其临界值的大小，因此可以将式（21）作为实际情况下的不稳定区作为参考。5 结论*所研究针对巷道围岩层裂板结构受力特征，在弹性力学、板壳理论、弹性稳定理论的基础上，将层裂板结构简化为薄板进行研究，通过对巷道围岩层裂板结构稳定的分析，得到了下列结论：（1）在系统分析巷道围岩变形及破坏特征的基础上，建立了巷道煤帮层裂板结构稳定性分析的力学模型，并从理论上分析了巷道煤帮层裂板结构的形成机理，由实验研究及数值模拟结果展示了巷道煤帮层裂板结构的存在性；（2）用弹性稳定性理论，建立了巷帮层裂板结构的静力稳定性方程，分析给出了层裂板结构的静力失稳模态和失稳临界