基于纖維束模型的煤礦巷道圍巖變形穩(wěn)定性研究.pdf

1、近十年我國(guó)在煤礦領(lǐng)域的死亡人數(shù)已經(jīng)大大減小，但離我們的預(yù)期結(jié)果還非常遠(yuǎn)。煤礦事故中頂板冒落、片幫所占的比重很大，這是巷道圍巖變形、惡化的結(jié)果。巷道變形失穩(wěn)一方面影響井下人員安全，另一方面嚴(yán)重影響煤礦正常生產(chǎn)進(jìn)行。
　　本文研究分析了現(xiàn)在的圍巖變形理論及其維護(hù)方面的方法，針對(duì)這些理論的不足之處，提出了應(yīng)用于煤礦巷道變形穩(wěn)定性的纖維束模型。前人的理論為煤礦安全生產(chǎn)做出了巨大的貢獻(xiàn)，但是這些成果幾乎都是從實(shí)踐、實(shí)驗(yàn)得到的宏觀數(shù)據(jù)，如地壓

2、、位移、支護(hù)變形，從這些數(shù)據(jù)假設(shè)出模型，盡量使得所假設(shè)提出的模型符合所觀測(cè)到的結(jié)果。但是這些方法有一定的局限性，那就是它們對(duì)巖體內(nèi)部的微觀變形、破裂發(fā)展過程不清楚，因此對(duì)微觀方面相關(guān)的巖石變形破壞機(jī)理研究就存在一定的盲區(qū)。巖石在受力情況下，內(nèi)部產(chǎn)生微裂隙損傷的瞬態(tài)孕育或原生裂隙擴(kuò)大，巖石宏觀的破壞無非就是這些微損傷的不斷擴(kuò)大、相互融合。整體破壞都是從破壞的一個(gè)點(diǎn)或者一些點(diǎn)逐漸擴(kuò)大，形成面的破壞;即便是初始的微弱面，在更大的尺度上也可以看

3、成是一個(gè)點(diǎn)。由此，我們提出針對(duì)巖石特性的纖維束模型。
　　分析了巷道圍巖分類方法、巖石線性蠕變模型等，用于指導(dǎo)纖維束建模。為了保證纖維束建模的科學(xué)性和實(shí)用性，對(duì)圍巖分類方法應(yīng)用的理論支持、分類細(xì)致程度和分類實(shí)用性程度等多個(gè)角度進(jìn)行了分析評(píng)價(jià)。對(duì)巖石線性蠕變模型進(jìn)行了說明，總結(jié)其應(yīng)用方式，并對(duì)其中的巖石變形線性粘彈性蠕變進(jìn)行理論分析。改變線性模型中一些參數(shù)形成纖維束單根纖維模型的基礎(chǔ)。
　　對(duì)于整個(gè)纖維束來說，一個(gè)纖維就是微觀

4、的，利用計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，我們可以對(duì)每個(gè)纖維進(jìn)行不同的參數(shù)賦值并對(duì)整個(gè)纖維束進(jìn)行破壞模擬分析。本論文中的模擬都是通過是MATLAB軟件進(jìn)行。纖維束模型的一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是形態(tài)簡(jiǎn)單直觀易懂，便于進(jìn)行計(jì)算機(jī)計(jì)算。也由于這個(gè)模型的簡(jiǎn)單，我們可以更好的看到這個(gè)模型在變化的時(shí)候幾乎所有細(xì)節(jié)，以此更好的推斷巖石的特性，比如微破壞到整體破壞的量變到質(zhì)變規(guī)律，又如微破壞過程中涉及的能量釋放分析。這都是進(jìn)行純理論分析與宏觀模型分析所不具備的優(yōu)點(diǎn)。
　　

5、根據(jù)巖石的抗拉抗壓強(qiáng)度、蠕變、泊松比、結(jié)構(gòu)組成等參數(shù)的變化，把纖維束模型分為連續(xù)損傷纖維束模型和多線性纖維束模型，這兩個(gè)模型區(qū)別是單根纖維的本構(gòu)曲線。本文重點(diǎn)是對(duì)多線性纖維束模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬。分析了纖維束模型中的最大衰變次數(shù)、衰變系數(shù)等參數(shù)的研究要點(diǎn)。模擬分析了最大衰變次數(shù)、衰變系數(shù)對(duì)纖維束的本構(gòu)關(guān)系、雪崩尺寸的影響。分析了這些參數(shù)與巖石變形、穩(wěn)定性方面的關(guān)系。
　　通過模擬建立了纖維束模型本構(gòu)曲線與巖石變形的關(guān)系，建立了雪崩尺