煤岩局部化变形及含断层工作面冲击预警研究

摘要

利用数值模拟来预演或重现采掘过程中不同区域的应力演化过程，能够预测动力灾害的可能危险区域，但在数值模拟中，通过用应力与位移监测量来划定冲击危险区域不够严谨，冲击危险时应力与位移的阀值也会受到许多因素的影响，难以确定。局部化变形作为岩土材料在荷载作用下常见的一种变形模式，是材料失稳及破坏的起因和前兆，认为材料的失稳和破坏归因于材料在变形过程中某个局部区域的变形模式发生了分叉，利用该理论可为数值模拟预测断层冲击地压提供新的研究思路和方法。本文采用临界微小扰动时断层滑移量分叉现象作为判断断层滑移失稳发生的指标，从而对断层冲击地压临界距离进行有效预测，对断层冲击地压防治提供科学指导。主要工作如下:
　　(1)利用Mohr-Coulomb屈服准则，推导了岩石峰后软化阶段应力斜率，分析了峰后软化程度对试件失稳的影响;针对弹脆性岩石材料，在满足均匀变形与非均匀变形时的两组解在满足边界条件和平衡方程时，求出了平面应变条件下的单向压缩时分叉解，并利用FLAC3D模拟结果证实了理论解的正确性，并得到了分叉点与失稳点之间的关系。
　　(2)利用数值模拟的方法，验证了施加缺陷扰动得到的岩石材料分叉点方法的合理性，提出了一种判断岩石结构稳定性的数值方法，可以有效的解决以往危险阀值主观确定的问题。试件的应力分叉点位置都在应力峰值之后，对试件中间位置的扰动对应力分叉的影响比较敏感。含弱面试件轴向应变增大到一定程度时，试件基体会发生滑移。无弱面的试件的应力峰值远远大于有弱面试件的应力峰值。
　　(3)采用FLAC3D数值模拟软件模拟了试件的剪切带形成过程。端面效应影响着试件剪切带的形成，在不同的端面条件下，试件的剪切带形状不同。对含有缺陷的岩石试件，剪切带总是从缺陷位置处开始启动，缺陷位置对剪切带最终的形状影响比较显著。
　　(4)通过对含断层冲击工作面回采过程数值模拟研究，采用微小扰动断层滑移响应准则对断层冲击地压发生机制进行理论分析。研究利用微小扰动时断层滑移量分叉准则作为判断断层冲击失稳预警的指标，并对断层冲击地压临界距离的有效预测。
　　(5)根据集贤煤矿西二采区地质条件和开采条件，采用数值模拟的手段对断层滑移失稳过程进行研究。并根据峰前缺陷扰动时断层面应力、位移分叉点对断层冲击地压危险区域进行了初步划分，并得到了现场实测的证明。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题的背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．3 主要研究内容及技术路线

2 煤岩材料应变局部化失稳理论分析

2．1 应变局部化与失稳现象

2．2 煤岩材料的软化失稳及判据

2．3 弹脆性岩石材料的分叉分析

2．4 应变局部化分叉数值模拟的实现

2．5 本章小结

3 煤岩材料局部化分叉及剪切带数值模拟研究

3．1 缺陷扰动确定分叉点的建横研究

3．2 缺陷扰动对试件局部化分叉的影响

3．3 含弱面试件局部化分叉模拟结果及分析

3．4 平面应变条件下岩石试件局部化剪切带数值模拟研究

3．5 本章小结

4 扰动诱发断层冲击失稳机理研究

4．1 含断层工作面回采过程的数值研究

4．2 采掘扰动诱发断层冲击地压的机制分析

4．3 本章小结

5 工程应用

5．1 工程地质条件概述

5．2 西二采区含断层工作面冲击失稳预测预警

5．3 本章小结

6 主要结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 不足与展望

致谢

参考文献

主要成果