沖擊地壓演化過(guò)程及能量耗散特征研究.pdf

1、沖擊地壓對(duì)煤礦安全和高效生產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅。隨著采深增加和開采強(qiáng)度不斷加大,我國(guó)煤礦沖擊地壓日趨嚴(yán)重和復(fù)雜。沖擊地壓是煤巖地層受采動(dòng)影響而發(fā)生的動(dòng)力災(zāi)害現(xiàn)象,是煤巖體在外部應(yīng)力作用下快速破裂的結(jié)果,是典型的能量釋放與能量耗散過(guò)程。為此,本文實(shí)驗(yàn)研究了煤巖變形破壞過(guò)程能量耗散的時(shí)域特征;分析了沖擊地壓活動(dòng)域系統(tǒng)(RADS)的時(shí)-空演化過(guò)程,建立了MRADS的動(dòng)壓型沖擊地壓演化模型;結(jié)合模型研究了MRADS在卸壓條件下應(yīng)力場(chǎng)、能量場(chǎng)的演化規(guī)律

2、,并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。
　　分析了煤巖破壞過(guò)程中的能量類型及轉(zhuǎn)化規(guī)律,研究了煤巖單軸壓縮破壞能量耗散的時(shí)域特征,并探討了能量耗散的影響因素。結(jié)果表明,煤巖體變形破壞對(duì)應(yīng)其內(nèi)部能量的變化,外力做功通過(guò)能量的積累、釋放與耗散進(jìn)行自組織調(diào)節(jié);電磁輻射能量累計(jì)與對(duì)應(yīng)的耗散能累計(jì)服從y=alnx+b的關(guān)系,電磁輻射能夠較好的反映煤巖內(nèi)部能量耗散規(guī)律;受載煤巖破壞過(guò)程的能量耗散表現(xiàn)出顯著的階段特征,可以作為煤巖破壞狀態(tài)及穩(wěn)定性的有效判據(jù);煤巖體

3、能量耗散的主要影響因素包括材料強(qiáng)度、均質(zhì)度及能量輸入效率。
　　提出了沖擊地壓活動(dòng)域系統(tǒng)(RADS)的概念,分析了系統(tǒng)時(shí)-空二維的熵變及能量耗散特征;建立了沖擊地壓活動(dòng)域系統(tǒng)主體(MRADS)中煤體體元的能量平衡及熵平衡方程,并對(duì)其進(jìn)行了穩(wěn)定性分析。結(jié)果表明,RADS中熵流與熵產(chǎn)生反映了系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的時(shí)-空演化,其代數(shù)關(guān)系可判定沖擊地壓是否發(fā)生;能量耗散路徑不暢導(dǎo)致的彈性儲(chǔ)能的大量聚集,是沖擊地壓的能量來(lái)源。MRADS煤體體元內(nèi)能

4、的變化主要取決于熱量的流動(dòng)和內(nèi)力的變化,其內(nèi)部始終自發(fā)進(jìn)行著利用率低的能量類型替代利用率高的能量的不可逆過(guò)程;隨著該過(guò)程的發(fā)展,MRADS將進(jìn)入遠(yuǎn)離平衡態(tài)的非線性區(qū)域,成為沖擊地壓的潛在發(fā)生區(qū)域;系統(tǒng)的穩(wěn)定性可通過(guò)煤體內(nèi)熱力學(xué)過(guò)程中某一狀態(tài)下的超熵產(chǎn)生來(lái)判定。
　　基于能量耗散建立了RADS動(dòng)壓型沖擊地壓演化模型。計(jì)算得到了MRADS內(nèi)平行于最大主應(yīng)力方向周期裂紋的起裂強(qiáng)度及有限區(qū)域內(nèi)的損傷應(yīng)變能;分析了層狀儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)的形成及穩(wěn)定性

5、,計(jì)算得到了結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的最小臨界載荷及失穩(wěn)之前內(nèi)部積聚的彈性能;分析了不同動(dòng)力擾動(dòng)下儲(chǔ)能結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)破壞及沖擊地壓的最終顯現(xiàn)。利用老頂來(lái)壓與卸壓爆破兩種典型動(dòng)力擾動(dòng)對(duì)模型進(jìn)行了數(shù)值模擬驗(yàn)證,基于該模型利用現(xiàn)場(chǎng)煤巖電磁輻射數(shù)據(jù)分析了RADS演化特征規(guī)律。
　　研究了MRADS在水射流卸壓條件下應(yīng)力場(chǎng)、能量場(chǎng)的演化規(guī)律,并以電磁輻射為主要技術(shù)手段進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。結(jié)果表明,水射流割縫卸壓破壞了煤體的儲(chǔ)能結(jié)構(gòu),大幅減小了應(yīng)力集中、能量積聚的程