8--冲击地压部坛-哈尔滨会议--王明洋解析

1、一、煤矿冲击地压特征一、煤矿冲击地压特征二、岩煤体变扩容方程二、岩煤体变扩容方程三、岩煤形变本构方程三、岩煤形变本构方程四、对策四、对策地下采煤中的煤爆特征（1）出现煤爆的深度200-1000米以上, 这些事件的频度和强度随深度而增加。（2）一部分岩爆可以归因于人为的触发, 例如爆破、钻孔以及开采矿柱等。在这样的深度, 煤一定是处于准稳定平衡状态, 爆破波的触发作用能导致死亡事故发生。（3）在许多情况下, 煤爆必定是由不稳定的煤层延时破坏所引起的, 它能在空气中产生灾难性的高强度的冲击波。这种冲击波的产生和传播都同压缩天然瓦斯的突出有联系。一、煤矿冲击地压特征一、煤矿冲击地压特征（4）多数岩煤

2、爆都发生在褶皱地区。位于背斜的煤层尤其容易发生灾难性事件。众所周知, 煤层急剧弯曲和厚度突变的部位, 都是应力高度集中和经常发生岩煤爆的场所, 还有在断层与岩脉的附近也常常发生煤爆。(5) 煤质脆硬煤质脆硬, , 单轴抗压强度单轴抗压强度10-40MPa,10-40MPa,天然含水量在天然含水量在1.2-3%,1.2-3%,，弹性模量，弹性模量3-10GPa3-10GPa，泊桑比，泊桑比0.2-0.30.2-0.3，凝，凝聚聚,6-12MPa,6-12MPa,内摩擦角内摩擦角37-3837-38。一、煤矿冲击地压特征一、煤矿冲击地压特征（6 6）煤矿顶板通常都是厚层的坚硬砂岩、石灰岩和角砾岩,

3、 厚度至少有5米, 一般可达数十米乃至250米, 单轴抗压强度在90-200MPa之间变化。（7 7）坚硬岩层顶板更为不利的影响）坚硬岩层顶板更为不利的影响, ,是断裂会扩展得比是断裂会扩展得比长壁工作面更长长壁工作面更长, , 从而导致失稳和煤爆。诱发的劈理沿从而导致失稳和煤爆。诱发的劈理沿垂直向并延伸至煤体深处。垂直向并延伸至煤体深处。一、煤矿冲击地压特征一、煤矿冲击地压特征守恒定律守恒定律质量守恒定律质量守恒定律动量守恒定律动量守恒定律能量守恒定律能量守恒定律2Vdu udVnudSdt0VddVdtVdudVndSdt一、煤矿冲击地压特征一、煤矿冲击地压特征 在研究介质单元的变形时，把

4、与其体积和形状变化有关的在研究介质单元的变形时，把与其体积和形状变化有关的应力分量分离是方便的，亦即可表示为球形部分和偏量部分之应力分量分离是方便的，亦即可表示为球形部分和偏量部分之和和： 引入应变速率张量的偏量部分引入应变速率张量的偏量部分应力、变形状态描述应力、变形状态描述ijijijps/ 3ijijijije ,12iji jj iuu一、煤矿冲击地压特征一、煤矿冲击地压特征v3 *33ff13 ttttf1二、岩煤体变扩容方程二、岩煤体变扩容方程（1）在初始阶段, 偏应力一应变关系都接近线性，在此范围的偏应力一体应变关系也是线性的。（2）一旦应力差超过一定的极限, 就可能立即发生因微

5、破裂而引起非线性变形和体积膨胀扩容。（3）在单轴和三轴试验中, 径向应变的增长要比轴向应变来得快。（4）扩容随着围压的提高而减小。（5）扩容的体积变形、轴向和径向变形有一个瞬时的部分, 其后是随时间亡增加的时间依存部分。（6）在低围压下, 应力差到达最大强度后，将发生剪切软化, 但扩容则将继续稳定地增加。（1）岩煤的比容）岩煤的比容0110220330pmmvvvvv气体水煤颗粒气孔 基体二元混合物单位质量介质的容积V可以写成单位体积内气孔的容积Vp和基体容积Vm之和二、岩煤体变扩容方程二、岩煤体变扩容方程表示： 引入参数：/mvvpmppmp材料的孔隙率用单位体积的孔隙容积表示：(, )mp

6、p 二、岩煤体变扩容方程二、岩煤体变扩容方程c.脆性材料的断裂破坏： (2) 扩容扩容-体变关系体变关系2,ijijijeSSRPkp V022 Rpkp硬币形裂纹最大弹性半开量为裂纹的容积二、岩煤体变扩容方程二、岩煤体变扩容方程0N 为单元体积裂纹数030038 1pkpv NR 根据最大弹性半开量和裂纹容积得到脆性断裂破坏的根据最大弹性半开量和裂纹容积得到脆性断裂破坏的p-a模型模型: 假设在加载过程中没有形成新的裂纹，只是引起原有的特征尺寸为的裂纹张开，则单位材料体积内由于裂纹张开所形成的气孔容积可以计算得到：R011vev二、岩煤体变扩容方程二、岩煤体变扩容方程岩石的裂纹速度与裂纹驱动

7、力（用应力强度因子或应变能释放率表示）间的关系 目前常采用的预测岩石裂纹亚临界扩展速度的公式可通过裂纹端部弱化过程的物理化学理论 被假定为对于某种特定的材料-环境系统通过适当的实验数据加以确定的材料常数。n被称为应力腐蚀指数0expnIK二、岩煤体变扩容方程二、岩煤体变扩容方程 动态裂纹的发展按下式计算动态裂纹的发展按下式计算: : 1/,RcRRRClRCdRdtCC22IcceqKl岩石的裂纹速度与裂纹驱动力（用应力强度因子或应变能释放率表示）间的关系二、岩煤体变扩容方程二、岩煤体变扩容方程二、岩煤体变扩容方程二、岩煤体变扩容方程 单一扁圆型裂隙传播的动能用下列公式描述：3220/kins

8、RECdRdt 裂纹传播速度的增加使裂纹周围的势能转化为动能的效率增加，从而增加了剧烈煤爆的危险性。esd UdUdWdldldl 岩石卸荷释放的弹性应变能超过表面耗散能，多余的能量则转变为裂纹扩展时运动质点的动能。0kinWN E0expnIK二、岩煤体变扩容方程二、岩煤体变扩容方程（3）形变本构关系）形变本构关系2ijijeSa.a.弹性阶段弹性阶段b.b.内摩擦强化阶段内摩擦强化阶段02,ijijijeSS300021(1),+eeppftttttttJF3fTA0A2A3A1Retpt*tt32332111FfJk pcJYk pc圆锥面，圆锥面 ，Op123破坏圆锥面F屈服圆锥面3f

9、残余破坏圆锥面R0Ap01A2A3Ap1p2p3三、岩煤形变本构方程三、岩煤形变本构方程pt 介质的动态粘度3/1rpnpotConsttf陈宗基 tp为破裂的孕育、成长时间， tp时间内伴随着声发射，准确的估算tp预测岩爆和掌握有效的衬砌时间至关重要。 1r 112Const n 对于花岗岩为4-5, ，对于软弱岩石为6-7三、岩煤形变本构方程三、岩煤形变本构方程采用采用PrantleRuessPrantleRuess塑性流动理论塑性流动理论采用广义采用广义MisesMises屈服准则：屈服准则：1222ijijepijijijijijSSFeeeS 21222,220,2ijijijiji

10、jijdpS eYpdpdtJY pS eYpY pdtdpJY pJY pS eYpdt或 20FJY p(3)形变本构关系形变本构关系C C 峰后软化、残余破坏阶段峰后软化、残余破坏阶段F3fTA0A2A3A1Retpt*tt三、岩煤形变本构方程三、岩煤形变本构方程(3)形变本构关系形变本构关系YPOc2A2A0P3c1 1Y p 2Yp 3YpA1A3P2P1P0c3tetpt*tpYc.c.峰后软化、残余破坏阶段峰后软化、残余破坏阶段当剪应力强度达到峰值强度锥面I时发生宏观裂隙的扩展，应力通过一定的路径下降到残余破坏锥面II上。考虑岩石破坏与细观裂纹的释放、运动和累积相关，剪切应力的松弛用著名的裂纹运动散布理论（动力加载条件下，岩体的强度演化与第一第二应力不变量以及块体特征尺度密切相关）来描述：00*00*121212*12*, ,Ysin=t tt tttt ttdYf Y Y YYY YYdtYYdYdY dpfconstdtdp dttYYdYdpptp 三、岩煤形变本构方程三、岩煤形变本构方