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“冲击地压与岩石动力学”专题

来源：煤炭学报

专题来自于《煤炭学报》2023年05期，共29篇研究成果。

行业视野: 地质
类别; 135个
关键词; 175位
专家; 29篇
论文; 6902IP
点击量; 4401次
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静水压下原生组合煤岩动力学破坏特征

作者(Author)：解北京, 栾铮, 刘天乐, 武博文, 钟诗晴

摘要：深部巷道围岩软弱、裂隙发育,开采扰动影响下易导致动力灾害,其中煤岩组合体整体失稳破坏是诱发灾害的关键因素之一。为探究冲击载荷下原生组合煤岩体的动力学破坏特征,借助分离式霍普金森杆系统及高速摄像机,以原煤、原生组合、人工组合煤岩为研究对象,探究不同静水压、应变率下煤岩动态应力应变、裂纹演化、破碎特征,并采用宏观破碎分形及细观电镜扫描研究煤岩变形破坏特征。研究表明:① 原煤、原生组合、人工组合煤岩的动态应力−应变呈显著非线性,原生煤岩的塑性阶段近似“塑性平台”。② 冲击载荷下,煤岩动抗压强度的应变率效应显著;原煤、原生组合煤岩的动抗压强度与静水压呈先增后减趋势,静水压作用 (低压强化、高压弱化) 的临界值分别为 8、10 MPa,人工组合煤岩与静水压呈正相关趋势。③ 冲击荷载下,原生及人工组合煤岩的裂隙起裂均发生于远离煤岩交界面的煤组分区域;组合煤岩交界面显著影响试样变形破坏行为,当冲击速度≥10 m/s,原生组合煤岩均可发生煤岩组分的整体失稳破坏,而相同扰动下人工组合煤岩仅发生煤组分破坏,仅当冲击速度≥14 m/s,裂纹的尖端应力大于煤岩强度,可贯通人工交界面,导致整体破碎;原生交界面对试样裂纹贯通具有“导向作用”,易诱发裂纹扩展形成宏观破裂面。④ 原煤、原生及人工组合煤岩破碎程度随冲击速度的增大而增大,破碎粒径趋于粒状、粉末状;相同扰动下,3 类煤岩中煤组分的破碎程度:原生−煤组分 > 人工−煤组分 > 原煤。

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煤炭学报

2023年第05期

382

236
真三轴条件下煤样冲击动力学及破坏特征实验研究

作者(Author)：沈荣喜, 顾周杰, 王恩元, 刘贞堂, 刘威, 王溪

摘要：深部煤体多处于三向不等应力状态,为了研究冲击载荷下煤样动力学特性,通过真三轴霍普金森压杆实验系统,开展煤样动态破坏力学实验。利用该系统装置可分别对煤样提供单轴 (σ1≥σ2=σ3=0)、双轴 (σ1≥σ2 > σ3=0) 和真三轴 (σ1 ≥σ2 ≥σ3 ≠ 0) 预应力 (其中,σ1 为轴向预应力;σ2 为竖直预应力;σ3 为水平预应力),从而实现高应变率下煤样力学性能测试。通过对比分析单轴与真三轴静载预应力状态下煤样动态力学特征及差异性,研究了煤样动态峰值强度、峰值应变以及宏观破碎形态与三向静载预应力、应变率的关系。研究结果表明:真三轴冲击载荷下煤样力学曲线基本一致,均包含线弹性阶段、塑性阶段和破坏阶段 3 个阶段。单轴与真三轴冲击载荷下煤样峰值强度、应变具有明显的应变率效应,随着应变率的增加,单轴与真三轴冲击载荷下煤样峰值强度及峰值应变逐渐增大;比较单轴与真三轴冲击,三向静载预应力对煤样动态破坏具有明显的约束性,煤样的力学强度较单轴冲击时增大。保持 σ2 与 σ3 不变,煤样的力学峰值强度、应变随着轴向预应力 σ1 的增加整体呈降低趋势。随着应变率的增加,单轴冲击载荷下的煤样逐渐破碎至颗粒或粉末状,碎块平均粒径随应变率的增加线性降低;而三向静载预应力状态下的煤样呈现宏观断裂,碎块平均粒径随轴向预应力 σ1 的增加线性降低,但破坏程度相对单轴冲击较低。

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煤炭学报

2023年第05期

227

149
单面卸荷路径下含瓦斯煤岩力学特性与声发射试验研究

作者(Author)：丁鑫, 高梓瑞, 肖晓春, 樊玉峰, 王爱文, 吴迪, 潘一山

摘要：新掘未支护或回采工作面前方巷道受开采扰动具有沿垂向急剧升高而径向迅速降低的典型受载特点,而更易失稳、诱发冲击地压事故,深入研究采动卸荷下含瓦斯煤岩力学特性及伴随出现的声发射信号规律,是揭示深部高瓦斯煤层冲击地压发生机理并形成科学、有效的预警体系的基础。运用物理实验方法,基于自主研发的含瓦斯煤岩真三轴测试系统,开展垂向加荷–径向单面卸荷路径下含瓦斯煤岩受载实验,并监测全历程出现的声发射信号,分析卸荷速率、瓦斯压力对煤岩力学特性及声发射信号影响规律,引入统计分形理论开展煤岩碎块分布筛分统计,结果表明:单面卸荷路径下含瓦斯煤岩应力–应变关系具有弹性、非线性增长和软化的典型 3 阶段特征,高卸荷速率和瓦斯压力,降低了煤岩强度、峰值应变量,但使峰后阶段应力降模量增大,而随着初始围压升高使得该特征呈反向变化。试样破坏后表现为由卸荷面指向内部的典型多剪切带与层状块体交替出现的“洋葱皮”式破坏形式,且卸荷速率越高,形成的贯穿裂隙越多、剪切带内糜棱状粉末减少而碎块尺度增大,相应的统计分形维数越低,而较高的初始围压和瓦斯压力使煤岩塑性特征增加而分形维数升高。三向应力状态与瓦斯的存在使煤岩受载具有塑性特点而伴随出现的声发射信号更加密集、连续,单面卸荷形成的渐进性破坏过程导致声发射具有明显的信号激增现象和最高值脉冲信号出现,次高值信号产生于应力峰值,随卸荷速率、瓦斯压力升高,两高值信号幅值增加且最值信号出现提前,声发射能量累计量“阶梯”增长现象愈发明显但累计总量逐渐降低。高瓦斯压力、初始围压及卸荷速率使煤岩破坏后具有更多盈余能,在实际工程中,高瓦斯压力、地应力使新掘巷道或支护失效围岩径向应力迅速降低并发生渐进性破坏而形成断续结构,易受高静载或冲击扰动致整体结构失效,且该部分“富能”围岩会在盈余能推动下发生块体弹射、倾出而形成动力灾害。

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煤炭学报

2023年第05期

247

134
基于GDEM的结构面型岩爆孕育演化机制

作者(Author)：周雄, 孟凡震, 岳祝凤, 王玮, 徐荣超, 周辉, 管晓明

摘要：深部硬岩工程开挖过程中,洞壁围岩常常因结构面的存在发生岩爆地质灾害,造成人员伤亡和设备损毁等事故。通过采用有限元、离散元相耦合的 GDEM 数值仿真技术研究了边墙含竖向结构面的数目和尺度对深部硬岩直墙拱形隧道在开挖卸荷作用下,围岩裂化扩展行为、应力、位移、片状块体速度等力学运动特征的影响,以此揭示围岩板裂化、结构面型岩爆之间的演化机制。结果表明:开挖卸荷后,含多结构面数目隧道的破坏模式及强度与结构面控制效应有关 (洞壁径向距离 1.5 m 范围内结构面的作用影响大),且结构面具有主导控制岩爆爆坑边界的作用,而多节理岩板裂化的演化机制为切应力不均匀分布,致使岩板实际承载偏心受压,产生二阶弯矩效应,诱发强烈的张拉板裂型岩爆,呈现出“平底锅状”C 字型的爆坑;围岩破坏强度与岩板的尺度效应有关且结构面具有削弱应力向径向深部围岩转移的阻碍作用,从而不断加剧结构面围岩之间卸荷应力波的相互反射,增大了岩板内的应力积聚与能量积累。且尺度不同,其切应力调整分布演化差异大,大尺度高柔度的三节理岩板,其端部载荷强度高、岩板的屈曲效应较明显,导致径向内部岩板易屈曲失稳而引发边墙围岩板端部的剪断失稳破坏,诱发强烈岩爆。而中小尺度的三节理岩板,柔度小不易失稳,且载荷作用小,裂纹易沿结构面尖端扩展贯通破坏,呈现为脱落型静态脆性破坏,形成小 V 型破坏断口。为深部硬岩地下岩体工程设计和稳定性分析提供了理论支撑,也加深了对结构面诱发岩爆灾害的了解。

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煤炭学报

2023年第05期

253

93
防冲支架立柱多胞薄壁吸能构件能量吸收性能

作者(Author)：田立勇, 周禹鹏, 孙业新, 于宁

摘要：为提高防冲支架能量吸收性能以应对煤炭资源深部开采趋势下的冲击地压频发问题,提出了一种具有圆形与多边形混合截面的多胞薄壁吸能构件应用于防冲支架立柱。基于简化超折叠单元 (Simplified Super Folding Element,SSFE) 理论剖析了不同截面形状和肋板布局的多胞薄壁吸能构件能量耗散途径,构建了轴向压溃条件下吸能构件的能量吸收平衡方程,并推导出了等厚度和非等厚度 2 种吸能构件平均支反力预测公式;通过轴向压溃仿真获得了各类型多胞薄壁吸能构件吸能量曲线、支反力曲线以及屈曲变形形态,发现圆形与八边形混合截面、边延伸肋板布局的多胞薄壁吸能构件 (P8-2 类型) 具备相对吸能优势,深入考察了内嵌管截面尺寸、薄壁管壁厚和肋板厚度对其吸能效果的影响规律,即:3 种结构参数对弯曲褶皱形态和塑性铰数量影响显著,对吸能特性参数有着不同且非简单单向变化的影响趋势,同时验证了基于 SSFE 理论的平均支反力理论模型具有较高预测精度;依托均匀试验数据,拟合出了吸能特性参数关于构件结构参数的回归方程,并利用 NSGA-II 遗传算法进行优化求解,最终确定多胞薄壁吸能构件内嵌管截面尺寸为 122 mm,薄壁管壁厚度为 2.6 mm,肋板厚度为 2.7 mm;进一步通过轴向压溃仿真验证与对比分析,结果表明:经结构参数优化后的多胞薄壁吸能构件具备更好的能量吸收效果且支反力波动较小,可使让位防冲过程更加可靠,能够为防冲吸能构件设计提供有益参考。

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煤炭学报

2023年第05期

272

86
基于热红外图像的煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出感知报警方法

作者(Author)：程继杰, 刘毅, 李小伟

摘要：针对目前冲击地压和煤与瓦斯突出致灾机理尚未完全明确,仍偶有发生,严重威胁着我国煤矿的安全生产,结合灾害发生时大量抛出煤岩有着不同于采掘工作面和巷道空间正常工况下的温度与速度特征,提出了一种基于热红外图像的煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出感知报警方法:在煤矿井下巷道顶部、巷帮以及采掘工作面液压支架等位置多点布置红外热像仪,实时采集采掘工作面和巷道空间热红外视频图像;监测识别监视区域内物体温度是否处于设定的温度范围 (30 ℃≤T≤150 ℃);当掘进工作面、掘进巷道入口、掘进巷道中间、回采工作面、进风巷入口、进风巷中间、回风巷入口、回风巷中间、主运输大巷、辅助运输大巷等位置红外热像仪监测到物体温度处于设定温度范围时,监测识别处于设定温度范围物体的移动速度是否处于设定的速度范围 (v>13 m/s);当处于设定速度范围时,利用多点布置的甲烷传感器监测监视区域内环境甲烷体积分数是否迅速升高;当工作面、回风巷、进风巷、总回风巷等多个不同地点甲烷体积分数均大幅升高,则进行煤与瓦斯突出报警,反之,则进行冲击地压报警。提出了基于热红外图像的煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出感知报警中,红外热像仪的最佳倾角确定方法,以及红外热像仪有前倾角度情况下监测温度异常物体移动速度的方法。根据宁夏双马煤矿实际掘进巷道情况,结合红外热像仪帧率 25 FPS,焦距 13 mm,并且沿巷道轴向方向的视场角为 21°,相对于竖直向下进行图像监视,该方法在保证测速效果的前提下得到的红外热像仪最佳倾角约为 58°,进行图像监视时监视范围增大了约 292%,在密集监视区域红外热像仪成本减少近 75%。为了更逼真的迎合灾害特征,简化实验复杂度与确保安全性,设计了一套灾害温度、速度特征模拟实验装置:采用直径 315 mm PVC 管模拟圆形巷道;采用颜色、密度相近的 10 mm 橡胶球替代破碎煤岩作为主要实验材料与主要识别目标;采用物理加热法 (热水浴) 使橡胶球温度达到灾害发生时的温度异常范围;采用高压鼓风机提供动力源,使橡胶球速度能够达到灾害发生时的速度异常范围。并利用红外热像仪来完成对整个模拟灾害过程的监视与热红外视频图像采集。对所提出的灾害感知报警方法进行了代码实现。模拟实验与结果分析表明,该方法识别效果良好,验证了基于热红外图像的煤矿冲击地压和煤与瓦斯突出感知报警方法的可行性与有效性。

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煤炭学报

2023年第05期

328

150
不同温度及冷却速率下花岗岩动态拉伸力学特性研究

作者(Author)：吴秋红, 夏宇浩, 赵延林, 翁磊, 杨毅, 冯淦

摘要：深部高温岩石往往会受不同冷媒介质作用,其力学特性的劣化极易诱发岩体工程灾害。考虑 3 种冷却方式 (高温炉中冷却、空气自然冷却及水中快速冷却),首先研究高温 (200~800 ℃) 花岗岩圆盘试样热−冷处理后其内部微裂纹分布及纵波波速变化规律。然后基于改进的 SHPB 试验系统,对不同热−冷处理后的花岗岩试样开展动态劈裂试验,研究不同加载速率下试样应力平衡状态、动态拉伸强度及变形破坏特性的演变规律。结果表明:① 岩石内部损伤程度随冷却速率增大而增大,水中冷却后试样波速下降率最大,内部产生的微裂纹数量最多。② 不同温度及冷却速率下试样动态拉伸强度与加载率呈指数正相关关系;200 ℃ 时,冷却方式对试样动态拉伸强度影响较小;而 400~700 ℃ 时,温度及冷却方式对试样动态拉伸强度影响较大,拉伸强度随温度及冷却速率的增大而降低。③ 温度及冷却方式对试样最先起裂位置处拉伸应变、起裂时间影响较大,最先起裂位置处拉伸应变随温度及冷却速率的增加而增加,起裂时间随温度及冷却速率的增加而缩短。④ 试样主要存在 2 种破坏模式:I 类为试样存在中心主裂纹及端部粉碎区;II 类破坏模式复杂,除了存在中心主裂纹及端部粉碎区外,还存在其他方向贯通裂纹。研究结果可为深部高温岩石工程的稳定性控制提供理论参考。

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煤炭学报

2023年第05期

266

101
深部煤巷围岩三向应力差异梯度致冲机理

作者(Author)：刘国磊, 王泽东, 崔嵛, 马秋峰, 颜磊, 韩玉忠

摘要：以深部煤巷围岩为研究对象,针对冲击地压灾害严重、致冲机理研究尚不完善、防冲工程缺少更具针对性指导依据等问题,采用室内试验、数值模拟、理论分析等方法,从三向应力差异角度揭示深部煤巷围岩冲击致灾机理。基于采掘活动扰乱煤岩体三向等压状态导致围岩破坏的特点,通过 PFC 模拟试验和理论推导研究了不同应力路径下的煤体单元体响应特征,得到单元体失稳的应力差异判据,进一步提出煤巷围岩应力差异梯度 Dg 和应力差异梯度变化率 Dgc 的概念,基于 Drucker-Prager 准则分析了巷道围岩 Dg 演化特征,进而得到巷帮煤体 Dg 集中致冲的作用机理,并结合冲击地压事故案例进行分析验证。结果表明:煤体的应力差异承受能力随着应力路径的不同而存在显著差异;围岩应力演化的目标是 Dg 峰值降至极小值,围岩的破坏和屈服是 Dg 驱动作用的结果;围岩内应力差异梯度 Dg 随埋深增大和煤层冲击倾向性等级升高而增长,体现出明显的 “上升—跌落—下降”梯度性质;Dgc 表征围岩内 Dg 集中程度,Dg 升高区煤体在应力扰动作用下,满足 Dgc0 < D' gc < k1Dgc0 时发生较稳定的变形、位移,满足 k1Dgc0≤D' gc < [Dgc] 时发生较稳定的整体失稳,满足 D' gc≥[Dgc] 时发生冲击地压;巷帮煤体冲击是围岩变形、破坏的一种极端演化形式;防冲机制应以弱化围岩 Dg 水平为核心,以 Dgc 控制为主要着力点。

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煤炭学报

2023年第05期

223

173