无锡会议——刘少虹

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个产煤省市冲击地压显现省市图例4研究背景5图1部分矿井首次冲击地压的采深/m0100200300400500600700800900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10①③②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αLLF1a=uy1+um1um1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1213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。28.83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。21.16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）强度•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碎片分维•表征煤体发生冲击破坏的能力（即冲击倾向性指标）动态破坏时间因素水平表22(a)煤1(b)煤2水平动载荷/MPa静载荷/MPa1120021902.9324014.4429021.6水平动载荷/MPa静载荷/MPa1120021902.1324010.5429015.9实验号动载/MPa静载荷/MPa112014.4219014.4324014.4429014.45190061902.9719021.6实验号动载/MPa静载荷/MPa112010.5219010.5324010.5429010.55120061202.1712015.9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231001201401601802002202402602802.102.112.122.132.142.152.16y=-2.57*10-6x2+0.0013x+1.98R2=0.92动载(MPa)分维1201401601802002202402602801.781.801.821.841.861.881.901.921.94分维动载(MPa)y=-2.1*10-5x2+0.009x+1.03R2=0.98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240510152025323436384042强度(MPa)静载(MPa)y=-0.06x2+1.4x+33.44R2=0.96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。-20246810121416182022242628303234强度(MPa)静载(MPa)y=-0.1x2+1.67x+26.88R2=0.9446%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1201401601802002202402602803234363840424446y=0.09x+21.27R2=0.92强度(MPa)动载(MPa)10012014016018020022024026028030050556065707580859095动载\MPa动态破坏时间/msy=-0.23x+121.58R2=0.834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1————35.0煤岩组合2————28.0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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。012345678.08.59.09.510.010.511.0*dy\10-3P*\10-301234566789101112*dy\10-3P*\10-3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煤岩体结构特性使得煤层抵抗动静载荷的能力增强了。0.51.01.52.02.53.00.750.800.850.900.951.001.05e*/10-3*dy\10-20.51.01.52.02.53.03.50.991.021.051.081.111.141.17*dy\10-2e*/10-3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。0.51.01.52.02.53.03.52.102.112.122.132.142.152.16e*/10-3D0.51.01.52.02.53.03.52.202.222.242.262.282.30e*/10-3D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10123452.042.062.082.102.122.142.16DP*\10-3012345672.102.122.142.162.182.20DP*\10-335动静载荷对组合煤岩失稳机制影响的理论分析αLLF1a=uy1+um1um1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37αLLF1a=uy1+um1um11021100011112muummVuuuuekau静载下系统的能量111yFku10111muumFue煤(损伤特性)岩石(弹性变形)模型的建立38b=um2+uy2um2αLLF2a=uy1+um1um1F12222200expmmmmuduFuudt煤（损伤和时效性）222yFku岩石（弹性变形）12122222001exp2mmmmuumuuVuudukbuu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4030PxxQ00200002002222322221exp(1)166exp1mmmmmmuPuAKBummmmkmm2022211mmmAmm22201exp(1)mmBmmm平衡曲面方程12112100002223mmPxuAKB1211223000023mmPxxuAKB推导结果411112000100000232mmmuuxuAKBuLxx2220022264200402201exp1112432exp1mmmmmVmEmuPESuLABE岩石总221exp(1)mmEEKm岩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。221exp(1)mmEEKm岩失稳判据讨论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。211120000232mmmmEuLABuE岩2200402401112mmmmEEVu