基于纤维束模型的煤矿巷道围岩变形稳定性研究

摘要

近十年我国在煤矿领域的死亡人数已经大大减小，但离我们的预期结果还非常远。煤矿事故中顶板冒落、片帮所占的比重很大，这是巷道围岩变形、恶化的结果。巷道变形失稳一方面影响井下人员安全，另一方面严重影响煤矿正常生产进行。
　　本文研究分析了现在的围岩变形理论及其维护方面的方法，针对这些理论的不足之处，提出了应用于煤矿巷道变形稳定性的纤维束模型。前人的理论为煤矿安全生产做出了巨大的贡献，但是这些成果几乎都是从实践、实验得到的宏观数据，如地压、位移、支护变形，从这些数据假设出模型，尽量使得所假设提出的模型符合所观测到的结果。但是这些方法有一定的局限性，那就是它们对岩体内部的微观变形、破裂发展过程不清楚，因此对微观方面相关的岩石变形破坏机理研究就存在一定的盲区。岩石在受力情况下，内部产生微裂隙损伤的瞬态孕育或原生裂隙扩大，岩石宏观的破坏无非就是这些微损伤的不断扩大、相互融合。整体破坏都是从破坏的一个点或者一些点逐渐扩大，形成面的破坏;即便是初始的微弱面，在更大的尺度上也可以看成是一个点。由此，我们提出针对岩石特性的纤维束模型。
　　分析了巷道围岩分类方法、岩石线性蠕变模型等，用于指导纤维束建模。为了保证纤维束建模的科学性和实用性，对围岩分类方法应用的理论支持、分类细致程度和分类实用性程度等多个角度进行了分析评价。对岩石线性蠕变模型进行了说明，总结其应用方式，并对其中的岩石变形线性粘弹性蠕变进行理论分析。改变线性模型中一些参数形成纤维束单根纤维模型的基础。
　　对于整个纤维束来说，一个纤维就是微观的，利用计算机的计算能力，我们可以对每个纤维进行不同的参数赋值并对整个纤维束进行破坏模拟分析。本论文中的模拟都是通过是MATLAB软件进行。纤维束模型的一个重要优点是形态简单直观易懂，便于进行计算机计算。也由于这个模型的简单，我们可以更好的看到这个模型在变化的时候几乎所有细节，以此更好的推断岩石的特性，比如微破坏到整体破坏的量变到质变规律，又如微破坏过程中涉及的能量释放分析。这都是进行纯理论分析与宏观模型分析所不具备的优点。
　　根据岩石的抗拉抗压强度、蠕变、泊松比、结构组成等参数的变化，把纤维束模型分为连续损伤纤维束模型和多线性纤维束模型，这两个模型区别是单根纤维的本构曲线。本文重点是对多线性纤维束模型进行计算机模拟。分析了纤维束模型中的最大衰变次数、衰变系数等参数的研究要点。模拟分析了最大衰变次数、衰变系数对纤维束的本构关系、雪崩尺寸的影响。分析了这些参数与岩石变形、稳定性方面的关系。
　　通过模拟建立了纤维束模型本构曲线与岩石变形的关系，建立了雪崩尺寸与岩石声发射、围岩灾变的关系。利用最大衰变次数和衰变系数作为变量模拟研究围岩变形和雪崩效应。围岩变形与衰变次数呈负相关，与衰变系数呈正相关。雪崩尺寸都服从幂率定律，且衰变系数对幂指数的影响大，最大衰变次数对幂指数的影响很小，并分析了原因。这些都有助于人们对煤矿巷道围岩变形稳定性进行分析、监测预报工作。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的研究背景

1．2 国内外巷道变形及维护研究现状

1．2．1 岩体破坏机理的研究现状

1．2．2 巷道维护技术研究现状

1．3 问题的提出及意义

第二章 巷道围岩变形及维护理论

2．1 围岩破坏机理

2．1．1 弹塑性理论

2．1．2 岩性转化理论

2．1．3 轴变论

2．1．4 流变理论

2．1．5 普氏平衡拱理论

2．2 巷道稳定监测技术研究

2．3 巷道围岩稳定控制方法

2．4 锚杆支护理论

2．4．1 悬吊理论

2．4．2 组合梁理论

2．4．3 组合拱理论

2．4．4 围岩强化理论

第三章 纤维束模型研究内容分析

3．1 纤维束模型中的重要概念

3．2 纤维束模型中的研究重点

3．2．1 纤维断裂阈值分布

3．2．2 纤维束的本构关系

3．2．3 纤维束的雪崩尺寸分布

3．3 纤维束模型应用研究介绍

3．3．1 纤维束应变渐变模型

3．3．2 纤维增强复合材料

3．3．3 双成分纤维束模型

3．3．4 雪崩中的能量问题研究

3．3．5 拉伸纤维束的蠕变分析

3．4 本章小结

第四章 岩石蠕变模型及纤维束模型分析

4．1 岩石分类方法

4．1．1 单指标分类法

4．1．2 多指标分类法

4．1．3 围岩分类体系综合分析评述

4．1．4 煤矿顶板分类研究

4．2 线性蠕变模型

4．2．1 线性元件的主要力学特性

4．2．2 岩石蠕变典型线性模型

4．2．3 岩石变形线性粘弹性蠕变分析

4．3 纤维束模型的建立

4．4 对连续损伤纤维束模型的理论分析

4．4．1 连续损伤纤维束模型说明

4．4．2 连续损伤纤维束本构关系的推导

4．5 多线性纤维束模型说明

4．6 多线性纤维束本构关系的模拟研究

4．6．1 最大衰变次数对本构关系的影响

4．6．2 衰变系数对本构关系的影响

4．7 本章小结

第五章 岩石声发射及纤维束雪崩过程的模拟研究

5．1 岩石声发射产生研究

5．1．1 声发射的分类

5．1．2 声发射信号的传播

5．1．3 声发射技术岩石稳定性监测预测应用

5．1．4 声发射特性的影响因素

5．2 纤维束断裂全过程的雪崩效应

5．2．1 最大衰变次数对雪崩效应的影响

5．2．2 衰变系数对雪崩效应的影响

5．3 纤维束断裂各阶段情形模拟

5．4 各阶段雪崩效应的对比分析

5．5 本章小结

第六章 主要结论及展望

6．1 本文工作及结论

6．2 不足及展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表论文及申请专利