煤及组合煤岩动态破坏特性的研究课件(PPT 62页).ppt

煤及组合煤岩动态破坏特性的研究 冲击地压室 刘少虹博士天地科技股份有限公司开采设计事业部采矿技术研究所 国家重点基础研究发展计划 973 项目 2010CB226806 资助十二五科技支撑项目 2012BAK09B01 资助 提纲 3 煤及组合煤岩动态破坏特性研究的应用 2 煤及组合煤岩动态破坏特性的研究 1 煤及组合煤岩动态破坏特性的研究背景 2 提纲 3 煤及组合煤岩动态破坏特性研究的应用 2 煤及组合煤岩动态破坏特性的研究 1 煤及组合煤岩动态破坏特性的研究背景 3 研究背景 中国是世界上冲击地压灾害最严重的国家之一目前我国冲击地压矿井已达到142个 4 研究背景 5 图1部分矿井首次冲击地压的采深 m 500m 与通常意义上认为的冲击地压只发生在大于500m的深部煤层相矛盾的 事实上 即使在浅部煤层 当受到动载扰动时 也可能发生冲击地压 研究背景 6 500m以上 古山煤矿动载扰动下的冲击地压事故 500m以下 千秋煤矿静载作用下冲击地压事故 研究背景 7 阜新五龙矿 平庄古山矿 静载作用下的冲击地压大多发生在应力集中区域但动载扰动下的冲击地压可发生在应力降低区 研究背景 8 根本区别 应力变化的时间尺度 研究背景 9 尚不清楚动静载荷对煤及煤岩结构特性的影响 研究背景 10 汇报的内容 11 动静载对组合煤岩破坏特性的影响 动静载对应力波传播机制和能量耗散影响 动静载对煤的破坏特性的影响 煤及组合煤岩动态破坏特性研究的应用 动静载对组合煤岩失稳机制影响 提纲 3 煤及组合煤岩动态破坏特性研究的应用 2 煤及组合煤岩动态破坏特性的研究 1 煤及组合煤岩动态破坏特性的研究背景 12 13 动静载荷对煤的破坏特性影响的实验分析 实验设备 14 气缸 压力舱 冲头 挡板 入射杆 应变片 试样 透射杆 金属架 围压加载器 轴压加载器 示波器 动载是如何产生的呢 实验设备 15 实验材料 16 30mm 50mm a b c d 实验材料 17 拍摄结果 18 实验设备 19 数据处理 20 R mR 碎片分维的计算 实验指标 21 因素水平表 22 a 煤1 b 煤2 每种情况做3个试样对结果取算术平均值 煤1 煤2各自的实验次数为21次 结果分析 23 分维随动载的变化规律存在一个最优动载值使得动静加载下煤的碎片达到最小煤层卸压爆破存在一个最优药量使得爆破效果达到最好 煤质不同这个最优药量也不相同 成果体现 刘少虹 李凤明等 动静加载下煤的破坏特性及机理的试验研究 J 岩石力学与工程学报 结果分析 24 强度随静载的变化规律煤作为多裂隙岩石 与均质致密岩石在动静加载下的力学特性是存在差异的 在高静载下煤的强度逐渐降低 这解释了为什么深部矿井比浅部矿井更容易发生冲击地压 46 46 结果分析 25 冲击倾向性随动载的变化规律动静加载下煤的强度比静载下的有所提高 而动态破坏时间比静载下的有所减小 表明在动静加载下煤的冲击倾向性比静载下的有所增强 静载下弱冲击的煤在动静加载也能发生冲击动静加载下煤的冲击倾向性随着动载的增大而增强 结果分析 26 动静加载下弱冲击倾向性煤样依然破坏的非常剧烈 将动静载荷下的强度可以作为动载抵抗指数 评价煤抵抗动静载荷的能力 将煤的碎片分维值作为动载冲击能量指数 评价发生动载冲击破坏时的剧烈程度 27 动静载荷对组合煤岩的破坏特性影响的实验分析 实验材料 28 30mm 50mm 30mm 实验设备同样采用改进的霍普金森杆 拍摄结果 29 结果分析 30 静载对强度的影响不是通常认为的静载越大煤岩体结构抵抗动载的能力越弱 而是存在一个强度峰值 处于峰值的煤岩体结构抵抗动载的能力最强 通过实验室实验对煤岩体结构强度峰值点进行确定 对于动载冲击地压的高效防治及危险性评价是有帮助的 煤岩组合1 煤岩组合2 结果分析 31 动载对强度的影响说明含有的裂隙越多的煤岩体结构对高能量动载的抵抗能力越强 从而可以认为煤层卸压工作 可以增强煤岩体结构对高能量动载的抵抗能力 动载对分维的影响说明裂隙越多的煤岩体结构发生破坏时的剧烈程度越低 因此在巷道两侧或工作面前方形成裂隙带 能够降低动载冲击地压发生的剧烈程度 y 9 4 10 3 0 7xy 3 4 10 3 2 4x 煤岩组合1 煤岩组合2 y 2 2 36 9xy 1 9 71 8x 煤岩组合1 煤岩组合2 结果分析 32 煤岩体结构特性的影响煤岩体结构特性使得煤层抵抗动静载荷的能力增强了 煤1 煤岩组合1 结果分析 33 煤岩体结构特性的影响煤岩体结构特性使得煤层破坏后的粒径更小 表现出的脆性更大以及破坏的更为剧烈 煤岩体结构特性削弱了高能量动载对煤层的影响 煤1 煤岩组合1 结果分析 34 煤岩体结构特性的影响煤岩体结构特性加强了高静载对煤层的影响 发现结构特性对高能量动载和静载作用效果的影响是截然相反的 这和动静载荷的作用的时间尺度是密切相关的 煤1 煤岩组合1 35 动静载荷对组合煤岩失稳机制影响的理论分析 动态本构模型 36 过应力模型 改进的过应力模型 时效损伤模型 中等应变率模型 细观热力学模型 模型的建立 37 静载下系统的能量 煤 损伤特性 岩石 弹性变形 模型的建立 38 煤 损伤和时效性 岩石 弹性变形 动载下系统的能量 突变理论 39 势函数 x u v 为相空间 平衡曲面方程x um2 奇点方程 消去x后 判定准则 选用尖点突变模型 推导过程 40 平衡曲面方程 推导结果 41 突跳位移 释放的总能量 失稳判据 讨论 42 煤岩体结构中顶板和煤的高度比越大 顶板弹模和动静加载下煤的初始弹模的比值越小 动载冲击地压越容易发生 煤层卸压措施能够增加煤层中的裂隙数目 降低煤层的弹性模量 从而煤岩体结构更难满足失稳判据 所以上式可以做为动载冲击地压防治工作的理论依据 失稳判据 讨论 43 顶板弹模和动静加载下煤的初始弹模的比值越大 顶板和煤层的高度比越小 动载冲击地压强度越大 而冲击前后顶板下沉量越小 煤层厚度越大 动载冲击地压强度和冲击前后顶板下沉量均越小 突跳位移 释放的总能量 实验验证 44 动静载下煤的弹模 静载 动载 参数 释放总能量 失稳判据 理论值和实验值吻合较好 模型建立 45 外部总载荷 内部恢复力 静载 动载 阻尼力 整理后 非线性动力学模型 建模目的 46 混沌理论 分岔 初值敏感性 分岔泛指一个动力系统中当控制参数改变时其相图发生拓扑结构的突然变化 分岔是系统到达混沌状态的必经之路 分岔的结果一定是混沌 初值的小改变在运动过程中不断被放大 导致轨道发生巨大的差异 以致在相空间的距离可能要多远有多远 系统进入混沌状态之后 不可长期预测 系统发生分岔 即系统发生突变 伴随着能量的突然释放 模型分析 47 取 煤岩自身结构 动静载荷 动静载下煤岩结构系统 应用RK45方法 由matlab软件 x x B 0 B 0 5 静载B 0 0 10 0 16 0 19 0 23 0 26 0 27 0 28 0 29 0 30 0 32 0 36 0 38 0 40 时 数值实验得到的系统进入混沌状态的临界动载 并将这些点绘成曲线 浅部煤层的临界动载随采深变化不大 而进入深部煤层后临界动载逐渐升高 模型分析 48 关键静载 49 动静载对应力波传播机制和能量耗散影响的实验分析 实验设备采用改进的霍普金森杆 材料采用煤岩组合试样与之前介绍过的一致 因素水平表 50 单轴抗压强度 静载 动载幅值 煤岩组合1 煤岩组合2 结果分析 51 透射波幅值 透射系数 入射波幅值 弹性状态 塑性状态 反射系数 反射波幅值 入射波幅值 传播机制随动载的变化规律处于弹性状态的的煤岩体结构 当受到较小的动载扰动发生破坏时大部分动载均发生透射 随着动载的增大 大部分动载均被反射回去 此时参与到煤岩体结构破坏失稳中的动载较少 处于塑性状态的煤岩体结构 当受到动载扰动破坏时随着动载的增大反射系数 透射系数均减小 此时随着动载的增大参与到煤岩体结构的破坏失稳的动载逐渐增多 结果分析 52 传播机制随静载的变化规律当煤岩体结构受到较小的动载扰动破坏时 表现为静载较小时应力波以透射为主 静载较大时应力波以反射为主 当动 静载荷均较大时 才会有更多的动载参与到煤岩体结构的破坏失稳 否则大部分动载均发生反射或透射 组合1 组合2 结果分析 53 能量耗散随动载的变化规律应力波幅值越大 动载能量耗散越多 即动载越大参与到煤岩体结构破坏的动载越多 因此当煤矿井下具有较大的动载源时 消除或减弱动载源就成为动载冲击地压防治的首要措施 组合1 组合2 结果分析 54 动载诱发型 动载主导型 能量耗散随静载的变化规律组合2在静载为0 75 动载为5时 动载能量耗散为负值 表明煤岩组合试样破坏使得动载加强了 就是说煤岩组合试样中初始所蕴藏的静载弹性能在满足破坏所需的能量损耗后尚有剩余 动载的存在只是诱发了煤岩组合试样的破坏失稳 这个现象是煤岩组合试样所特有的现象 从而证明了煤岩体结构特性在冲击地压的发生中起到的关键作用 组合1 组合2 提纲 3 煤及组合煤