煤礦深部巖石動態(tài)力學特性試驗研究及其應用.pdf

1、煤炭是我國的主體能源，隨著需求量增加和開采強度不斷加大，淺部資源逐漸減少和枯竭，煤礦進入深部開采將是必然趨勢。深部巖體處于“三高”的復雜力學環(huán)境，采掘擾動時所表現(xiàn)出的力學響應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，特別是近年來進入深部開采后的惡性事故屢屢發(fā)生，對深部資源的安全高效開采造成了巨大的威脅。因此，要保證我國煤炭后備能源供給，開展煤礦深部開采基礎理論研究迫在眉睫。
　　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研究對象。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。測試了3種巖樣的基本物理性質(zhì)，并進行電鏡掃描(SEM)和X射線衍射(XRD）試驗;利用RMT巖石力學試驗系統(tǒng)進行靜態(tài)力學試驗，重點是利用直錐變截面分離式Hopkinson壓桿(SHPB)試驗裝置對巖石進行動態(tài)力學試驗研究。主要研究內(nèi)容和成果如下:
　　(1)設計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要求。利用RMT巖石力學實驗系統(tǒng)進行了靜態(tài)條件下巖石的劈裂拉伸試驗和單軸壓縮試驗等，分析了巖石試件的破壞形態(tài)和應力-應變曲線特征。
　　(2)分析了一維彈性應力波在SHPB試驗中傳播過程，將傳統(tǒng)的矩形波、梯形波和坡形波等加載波形，統(tǒng)一表達為具有不同前沿升時的梯形波，推導出具有任意前沿升時的梯形波入射加載情況下，試件內(nèi)沿加載方向應力分布的相關計算公式，討論分析了試件動態(tài)應力

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

5、劈裂拉伸試驗，分別采用0.3，0.6，0.9，1.2MPa等4種沖擊氣壓對巖石試件沿徑向進行加載，測試了巖石試件的動態(tài)拉伸應力和應變率。分析了試驗實測波形和應變率效應，得出高應變率下煤礦砂巖試件抗拉強度和應變率特性。
　　(5)研究了巖石試件SHPB試驗過程中的能量構成和耗散特征，嘗試從能量角度出發(fā)，對巖石試件動態(tài)破壞形態(tài)、應變率效應和動態(tài)拉伸應力進行能耗分析。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)進行了巖石碎塊篩分試驗，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個等級。對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系。根據(jù)巖石破碎的自相似性，運用分形理論對巖石破碎塊度的分形特征進行研究。
　　(7)結合煤礦不同賦存深度硬巖巷道特性，采用