煤礦深部巖石動(dòng)態(tài)力學(xué)特性試驗(yàn)研究及其應(yīng)用.pdf

1、煤炭是我國(guó)的主體能源，隨著需求量增加和開采強(qiáng)度不斷加大，淺部資源逐漸減少和枯竭，煤礦進(jìn)入深部開采將是必然趨勢(shì)。深部巖體處于“三高”的復(fù)雜力學(xué)環(huán)境，采掘擾動(dòng)時(shí)所表現(xiàn)出的力學(xué)響應(yīng)特征與淺部巖體明顯不同。隨著煤礦開拓向深部延深，安全隱患隨之增加，特別是近年來(lái)進(jìn)入深部開采后的惡性事故屢屢發(fā)生，對(duì)深部資源的安全高效開采造成了巨大的威脅。因此，要保證我國(guó)煤炭后備能源供給，開展煤礦深部開采基礎(chǔ)理論研究迫在眉睫。
　　本文以兩淮礦區(qū)深部開采為工程

2、背景，確定煤礦巷道開挖工程中最常見的砂巖為試驗(yàn)研究對(duì)象。巖樣分別采自祁東煤礦、臥龍湖煤礦和朱集西煤礦的-466m、-527m和-962m不同賦存深度。測(cè)試了3種巖樣的基本物理性質(zhì)，并進(jìn)行電鏡掃描(SEM)和X射線衍射(XRD）試驗(yàn);利用RMT巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行靜態(tài)力學(xué)試驗(yàn)，重點(diǎn)是利用直錐變截面分離式Hopkinson壓桿(SHPB)試驗(yàn)裝置對(duì)巖石進(jìn)行動(dòng)態(tài)力學(xué)試驗(yàn)研究。主要研究?jī)?nèi)容和成果如下:
　　(1)設(shè)計(jì)加工了一種用于短圓柱體

3、巖石試件的打磨夾具，以保證試件端面不平行度和軸向偏差滿足試驗(yàn)要求。利用RMT巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了靜態(tài)條件下巖石的劈裂拉伸試驗(yàn)和單軸壓縮試驗(yàn)等，分析了巖石試件的破壞形態(tài)和應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征。
　　(2)分析了一維彈性應(yīng)力波在SHPB試驗(yàn)中傳播過(guò)程，將傳統(tǒng)的矩形波、梯形波和坡形波等加載波形，統(tǒng)一表達(dá)為具有不同前沿升時(shí)的梯形波，推導(dǎo)出具有任意前沿升時(shí)的梯形波入射加載情況下，試件內(nèi)沿加載方向應(yīng)力分布的相關(guān)計(jì)算公式，討論分析了試件動(dòng)態(tài)應(yīng)力

4、平衡時(shí)間和應(yīng)力均勻性的影響因素和相關(guān)規(guī)律。
　　(3)研究了煤礦砂巖在沖擊載荷作用下單軸壓縮力學(xué)性能，計(jì)算分析了不同種類巖石試件在光滑的試驗(yàn)入射波和其升時(shí)相同的理論梯形入射波加載情況下試件應(yīng)力平衡時(shí)間和應(yīng)力均勻性。發(fā)現(xiàn)采用變截面入射桿進(jìn)行加載，能夠?qū)崿F(xiàn)巖石試件在應(yīng)力峰值之前達(dá)到應(yīng)力平衡，滿足應(yīng)力均勻性假定要求。
　　(4)研究了高應(yīng)變率下煤礦砂巖的動(dòng)態(tài)拉伸性能，采取調(diào)整沖擊氣壓的方法實(shí)現(xiàn)不同加載速率，以實(shí)施不同加載速率的動(dòng)態(tài)

5、劈裂拉伸試驗(yàn)，分別采用0.3，0.6，0.9，1.2MPa等4種沖擊氣壓對(duì)巖石試件沿徑向進(jìn)行加載，測(cè)試了巖石試件的動(dòng)態(tài)拉伸應(yīng)力和應(yīng)變率。分析了試驗(yàn)實(shí)測(cè)波形和應(yīng)變率效應(yīng)，得出高應(yīng)變率下煤礦砂巖試件抗拉強(qiáng)度和應(yīng)變率特性。
　　(5)研究了巖石試件SHPB試驗(yàn)過(guò)程中的能量構(gòu)成和耗散特征，嘗試從能量角度出發(fā)，對(duì)巖石試件動(dòng)態(tài)破壞形態(tài)、應(yīng)變率效應(yīng)和動(dòng)態(tài)拉伸應(yīng)力進(jìn)行能耗分析。發(fā)現(xiàn)巖石試件的吸收能量絕大部分耗散于損傷演化和變形破壞，可以較好地反映

6、巖石試件在沖擊載荷作用下抗拉性能變化。
　　(6)進(jìn)行了巖石碎塊篩分試驗(yàn)，篩孔尺寸擬選擇0、0.15、0.3、0.6、1.18、2.36、4.75、9.5、13.2、16、19、26.5、31.5、37mm共14個(gè)等級(jí)。對(duì)沖擊荷載作用下巖石試件的破碎塊度和能量分析，建立巖石破碎塊度和試件吸收能量之間的關(guān)系。根據(jù)巖石破碎的自相似性，運(yùn)用分形理論對(duì)巖石破碎塊度的分形特征進(jìn)行研究。
　　(7)結(jié)合煤礦不同賦存深度硬巖巷道特性，采用