煤及组合煤岩动态破坏特性的研究课件.pptx

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（国家重点基础研究发展计划（973）项目）项目(2010CB226806)资助资助十二五科技支撑项目十二五科技支撑项目(2012BAK09B01)资助资助 提纲3.3.煤及组合煤岩动态破坏特性研究的应用煤及组合煤岩动态破坏特性研究的应用2.2.煤及组合煤岩动态破坏特性的研究煤及组合煤岩动态破坏特性的研究1.1.煤及组合煤岩动态破坏特性的研究煤及组合煤岩动态破坏特性的研究背景背景2 提纲3.3.煤及组合煤岩动态破坏特性研究的应用煤及组合煤岩动态破坏特性研究的应用2.2.煤及组合煤岩动态破坏特性的研究煤及组合煤岩动态破坏特性的研究1.1.煤及组合煤岩动态破坏特性的研究煤及组合煤岩动态破坏特性的研究背景背景3 研究背景q中中国是世界上冲击地压灾害最严重的国家国是世界上冲击地压灾害最严重的国家之一之一q目前我国目前我国冲击地压矿井已达到已达到142个个产煤省市产煤省市冲击地压显冲击地压显现省市现省市图图 例例4 研究背景5图1 部分矿井首次冲击地压的采深/m门头沟 峻德 煤峪口 忻州窑 永定庄 南桐一井 砚石台 城子 老虎台 龙凤矿 胜利 西安 南山 天池 八一 振兴 富力 陶庄 峨四井 大台 房山 唐山 孔庄 台吉 三河尖 张庄 姚桥 擂鼓 济三矿 孙村 跃进 华丰 0100200300400500600700800900500m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6500m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阜新阜新五龙五龙矿矿平庄平庄古山古山矿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冲击地压静载冲击地压由原岩、采动应力等大小、方向和作用点在较长时间尺度上缓慢变化的应力作用而导致的剧烈动压现象动载冲击地压由应力波扰动引发应力以秒、毫秒、甚至微秒的短暂时间尺度上发生显著改变而导致的剧烈动压现象根本区别：应力变化的时间尺度 通过SHPB，杜修力、朱哲明、宫凤强等研究发现，动载下岩石、混凝土的单轴、三轴抗压强度均有所升高，而变形特性受动载的影响较弱。通过改进的SHPB，李夕兵、左宇军、叶洲元等研究发现，动静载荷皆对岩石的力学特性有显著影响。研究背景9 研究背景10破坏失稳煤的自身性质动静载荷煤岩体结构特性 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3.3.煤及组合煤岩动态破坏特性研究的应用煤及组合煤岩动态破坏特性研究的应用2.2.煤及组合煤岩动态破坏特性的研究煤及组合煤岩动态破坏特性的研究1.1.煤及组合煤岩动态破坏特性的研究煤及组合煤岩动态破坏特性的研究背景背景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 实验设备15发射装置入射杆激光测速仪 实验材料1630mm50mm(a)(b)(c)(d)试样物理力学性质单轴抗压强度(MPa)煤煤1取自新疆宽沟煤矿，埋深取自新疆宽沟煤矿，埋深316m的块状煤体。的块状煤体。沥青光泽，阶梯状断口，含少许层状夹矸。沥青光泽，阶梯状断口，含少许层状夹矸。属于半亮型煤，属于半亮型煤，坚硬坚硬。28.83煤煤2取取自自山山东东华华丰丰煤煤矿矿，埋埋深深750m的的块块状状煤煤体体。颜颜色色灰灰黑黑，密密度度较较小小，贝贝壳壳状状断断口口。属属于于亮煤，较脆，易碎，内生裂隙发育。亮煤，较脆，易碎，内生裂隙发育。21.16实验材料17 拍摄结果18 实验设备19 数据处理20RmR 碎片分维的计算 实验指标21煤岩体抵抗动静载荷的能力表征煤体发生冲击破坏的能力（即冲击倾向性指标）冲击地压具有非线性特征，需要采用非线性动力学方法与试样的破碎程度、脆性、破坏的剧烈程度正相关强度表征煤体发生冲击破坏的能力（即冲击倾向性指标）碎片分维动态破坏时间 因素水平表22(a)煤煤1(b)煤煤2水平水平动载荷动载荷/MPa静载荷静载荷/MPa1120021902.9324014.4429021.6水平水平动载荷动载荷/MPa静载荷静载荷/MPa1120021902.1324010.5429015.9实验号实验号动载动载/MPa静载荷静载荷/MPa112014.4219014.4324014.4429014.45190061902.9719021.6实验号实验号动载动载/MPa静载荷静载荷/MPa112010.5219010.5324010.5429010.55120061202.1712015.9每种情况做每种情况做3 3个试样个试样对结果取算术平均值，煤对结果取算术平均值，煤1 1、煤、煤2 2各各自的自的实验次数为实验次数为2121次次 结果分析23分维随动载的变化规律l存在一个最优动载值使得动静加载下煤的碎片达到最小l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：刘少虹成果体现：刘少虹,李凤明等李凤明等.动动静加载下煤的破坏特性静加载下煤的破坏特性及机理的试验研究及机理的试验研究J.岩岩石力学与工程学报石力学与工程学报 结果分析24强度随静载的变化规律l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。l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l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l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26l动静加载下弱冲击倾向性煤样依然破坏的非常剧烈。l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。l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 试样物理力学性质单轴抗压强度(MPa)煤1取自新疆宽沟煤矿，埋深316m的块状煤体。沥青光泽，阶梯状断口，含少许层状夹矸。属于半亮型煤，坚硬，裂隙垂直发育。28.8煤2取自山东华丰煤矿，埋深750m的块状煤体。颜色灰黑，密度较小，贝壳状断口。属于亮煤，较脆，易碎，内生裂隙发育。21.2岩石取自新疆宽沟煤矿顶板岩石，埋深316m的泥质粗砂岩。坚硬，内生裂隙不发育93.7煤岩组合135.0煤岩组合228.0实验材料2830mm50mm30mm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l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。l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l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l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=(9.410-3)+0.7xy=(3.410-3)+2.4x 煤岩组合1 煤岩组合2y=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l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l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。l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l煤岩体结构特性加强了高静载对煤层的影响。l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突跳位移突跳位移释放的总释放的总能量能量失稳判据失稳判据 讨论42l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。l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。失稳判据失稳判据 讨论43l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。l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。突跳位移突跳位移释放的总能量释放的总能量 实验验证44F1/MPaF2/MPaE岩/GPa E2/GPamu00KM理论值实验值误差1814031.651391.5428.0010810.2280.2307.327.87 7.0%1819031.651411.5858.0010810.2240.24417.4417.08 2.1%1824031.651471.6468.0010810.2160.26453.62 52.26 2.6%1829031.651781.7438.0010810.1780.29867.91 67.10 1.2%014031.651441.5788.0010810.2200.24113.50 13.20 2.2%514031.651401.68.0010810.2260.24925.61 25.30 1.2%2614031.651401.542.5010810.2260.2293.313.18 4.4%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外部总载荷外部总载荷内部恢复力内部恢复力静载静载动载动载阻尼力阻尼力整理后整理后非线性动力学模型非线性动力学模型 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，煤岩自身结构煤岩自身结构动静载荷动静载荷动静载下动静载下煤岩结构煤岩结构系统系统应用应用RK45RK45方法，由方法，由matlabmatlab软件软件xxB=0B=0.5 l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。l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48B0510152000.10.20.30.40.5关键静载关键静载 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单轴抗压强度单轴抗压强度静载静载动载幅值动载幅值 煤岩组合1 煤岩组合2水平水平动载荷动载荷静载荷静载荷14025.40.136.90.548.30.75水平水平动载荷动载荷静载荷静载荷15026.80.138.60.5410.40.75 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l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。l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l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。l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l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l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。l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3.3.煤及组合煤岩动态破坏特性研究的应用煤及组合煤岩动态破坏特性研究的应用2.2.煤及组合煤岩动态破坏特性的研究煤及组合煤岩动态破坏特性的研究1.1.煤及组合煤岩动态破坏特性的研究煤及组合煤岩动态破坏特性的研究背景背景55 56动载冲击地压的扰动失稳机理 扰动失稳机理57认为动载冲击地压是以载荷因素为核心影响因素，当动静载荷叠加扰动使得煤及煤岩体结构特性发生显著改变，以致满足破坏失稳判据时，由煤层裂隙的脆性扩展而导致煤岩体结构的瞬时动力失稳过程。58动载冲击地压的分源防治体系 防治体系的提出59分源防治体系载荷控制动载控制为主动载主导型动载诱发型静载控制为主核心特色降低动静载荷对煤及煤岩结构特性的影响目标动载冲击地压的扰动失稳机理 防治体系的原理图60 防治体系的应用61将动载冲击地压分源防治体系应用在平庄煤业古山煤矿冲击地压的防治实践中。并对防治效果进行检验。结果表明，通过防治工作有效的促进了古山煤矿回采期间的安全生产，也验证了分源防治体系的合理性。非常感谢！谢谢观看/欢迎下载BY FAITH I MEAN A VISION OF GOOD ONE CHERISHES AND THE ENTHUSIASM THAT PUSHES ONE TO SEEK ITS FULFILLMENT REGARDLESS OF OBSTACLES.BY FAITH I BY FAITH