煤巖沖擊失穩(wěn)的機(jī)理和實(shí)驗(yàn)研究

前言

非瓦斯主導(dǎo)的煤巖沖擊失穩(wěn)（俗稱“沖擊地壓”）作為一種復(fù)雜的礦井煤體動(dòng)力失穩(wěn)災(zāi)害，從孕育到產(chǎn)生表現(xiàn)出明顯的非線性和耗散結(jié)構(gòu)，使得對沖擊失穩(wěn)發(fā)生機(jī)理的研究非常復(fù)雜和困難。同時(shí)，煤巖沖擊失穩(wěn)作為目前影響煤礦安全生產(chǎn)的四大災(zāi)害（煤與瓦斯突出、煤巖沖擊失穩(wěn)、頂板垮落和突水）之一，越來越受到科研和工程技術(shù)人員的關(guān)注。煤巖沖擊失穩(wěn)是礦山壓力顯現(xiàn)的一種特殊形式，通常是指在高地應(yīng)力作用條件下，煤體破壞所釋放的變形能超過了破壞過程中所消耗的能量，而引發(fā)的煤體以突然、急劇、猛烈的破壞為特征的動(dòng)力現(xiàn)象，往往會(huì)造成礦山設(shè)備損壞、上百米的井巷破壞及人員傷亡等。煤巖沖擊失穩(wěn)災(zāi)害在世界范圍內(nèi)具有普遍性。早在20世紀(jì)30年代，研究人員就開始了煤巖沖擊失穩(wěn)的機(jī)理及分類的相關(guān)研究。20世紀(jì)中后期，煤巖沖擊失穩(wěn)研究逐漸成為國際巖石力學(xué)及采礦工程領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究課題之一。煤巖沖擊失穩(wěn)在國際上一般被稱為“coal bump”、“coal bounce”、“prossure／stress bump”、“rockburst in c01liery”以及“outburst of coal”等，其與巖爆（rockhLlrst）、礦震（tremor）等動(dòng)力現(xiàn)象之間有明顯的區(qū)別，但也有聯(lián)系。近二十多年來，國際RaSiM（Roc-kburst and Seismicity in Mine）會(huì)議一直致力于通過世界范圍的資料交流，研究巖爆、煤巖沖擊失穩(wěn)等礦山動(dòng)力災(zāi)害的發(fā)生機(jī)理、有效預(yù)測手段、合理防治措施及數(shù)值模擬方法等。目前的熱點(diǎn)之一是利用微震監(jiān)測方法準(zhǔn)確預(yù)測煤巖沖擊失穩(wěn)等動(dòng)力現(xiàn)象的研究。另一方面，煤巖沖擊失穩(wěn)的機(jī)理分析仍是研究熱點(diǎn)之一。從總體而言，煤巖沖擊失穩(wěn)的機(jī)理研究大致分為四類：①從研究煤巖體材料的物理力學(xué)性質(zhì)出發(fā)，分析煤巖體失穩(wěn)破壞特點(diǎn)及誘使其失穩(wěn)的固有因素，同時(shí)利用混沌、分叉等非線性理論來研究煤巖沖擊失穩(wěn)過程；②從研究突出區(qū)域所處的地質(zhì)構(gòu)造以及變形局部化出發(fā)，分析地質(zhì)弱面和煤巖體幾何結(jié)構(gòu)和煤巖沖擊失穩(wěn)之間的相互關(guān)系；③工程擾動(dòng)（如放炮所產(chǎn)生的震動(dòng)波等）以及采動(dòng)影響與沖擊失穩(wěn)之間的關(guān)系研究；④從能量角度出發(fā)，通過能量密度、能量釋放率等指標(biāo)或通過構(gòu)建復(fù)合型能量轉(zhuǎn)化為中心的煤巖沖擊失穩(wěn)分類體系，對煤巖沖擊失穩(wěn)的能量聚積和轉(zhuǎn)化特征進(jìn)行研究。

內(nèi)容概要

　　《煤巖沖擊失穩(wěn)的機(jī)理和實(shí)驗(yàn)研究》結(jié)合實(shí)際工程案例，分析了煤巖沖擊失穩(wěn)的誘發(fā)因素、破壞特征及失穩(wěn)類型。全書共10章，內(nèi)容包括緒論，煤巖沖擊失穩(wěn)災(zāi)害分布、發(fā)生特征及誘因分析，煤巖沖擊失穩(wěn)機(jī)理的非平衡熱力學(xué)分析，煤巖沖擊失穩(wěn)孕育、產(chǎn)生模型分析及實(shí)驗(yàn)，沖擊傾向性煤體的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征，沖擊傾向性煤體內(nèi)裂紋非穩(wěn)定擴(kuò)展宏細(xì)觀實(shí)驗(yàn)研究，基于能量釋放的煤、巖體失穩(wěn)前兆信息研究，深部煤巖沖擊失穩(wěn)主要影響因素?cái)?shù)值模擬分析，煤巖沖擊失穩(wěn)現(xiàn)象的現(xiàn)場實(shí)例調(diào)查，煤巖沖擊失穩(wěn)的多參量預(yù)警技術(shù)與綜合防治。《煤巖沖擊失穩(wěn)的機(jī)理和實(shí)驗(yàn)研究》可供礦業(yè)工程、力學(xué)、巖土工程、鐵路交通、水利建設(shè)、地質(zhì)學(xué)等專業(yè)的師生和工程技術(shù)人員參考和使用。

作者簡介

姜耀東，男，1958年生，教授，博士生導(dǎo)師。1993年獲中國礦業(yè)大學(xué)采礦工程博士學(xué)位，1994～1997年應(yīng)邀赴澳大利亞從事采礦科學(xué)和巖石力學(xué)研究，先后在Western Australian School of Mines（西澳礦業(yè)學(xué)院）任客座研究員，Mount Isa Mines Ltd．（MIM礦山公司）任巖石力學(xué)技術(shù)專家?，F(xiàn)任中國礦業(yè)大學(xué)（北京）副校長。     主要從事煤炭深部開采的巖石力學(xué)、采礦工程等多學(xué)科交叉領(lǐng)域的研究。作為負(fù)責(zé)人或主要參加者完成了包括澳大利亞重點(diǎn)自然科學(xué)基金（LARC）、973計(jì)劃項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金重大項(xiàng)目、國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目等縱向、橫向科研項(xiàng)目40余項(xiàng)。目前已在國內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物和學(xué)術(shù)會(huì)議上發(fā)表論文80余篇，合作出版專著6部，獲省部級(jí)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)4項(xiàng)。

書籍目錄

前言第1章 緒論1．1 沖擊傾向性煤巖體非線性動(dòng)力失穩(wěn)機(jī)理的研究目的及意義1．2 煤巖沖擊失穩(wěn)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1．2．1 煤巖沖擊失穩(wěn)現(xiàn)有理論及研究方法1．2．2 煤巖沖擊失穩(wěn)研究目前的問題及研究趨勢1．3 本書的主要內(nèi)容第2章 煤巖沖擊失穩(wěn)災(zāi)害分布、發(fā)生特征及誘因分析2．1 煤巖沖擊失穩(wěn)災(zāi)害的分布規(guī)律2．1．1 煤巖沖擊失穩(wěn)平面分布規(guī)律2．1．2 煤巖沖擊失穩(wěn)深度分布規(guī)律2．2 煤巖沖擊失穩(wěn)災(zāi)害的破壞特征2．3 煤巖沖擊失穩(wěn)災(zāi)害的分類2．4 煤巖沖擊失穩(wěn)誘發(fā)因素分析2．5 放炮震動(dòng)誘發(fā)沖擊失穩(wěn)機(jī)理分析2．5．1 震動(dòng)誘發(fā)沖擊失穩(wěn)的機(jī)理分析2．5．2 一維震動(dòng)波誘發(fā)煤層巷道圍巖變形破壞機(jī)理第3章 煤巖沖擊失穩(wěn)機(jī)理的非平衡熱力學(xué)分析3．1 煤巖沖擊失穩(wěn)孕育過程的耗散結(jié)構(gòu)及熵的變化3．1．1 煤巖沖擊失穩(wěn)孕育過程的耗散結(jié)構(gòu)3．1．2 煤巖沖擊失穩(wěn)孕育過程中有序結(jié)構(gòu)及熵的產(chǎn)生3．2 基于非平衡熱力學(xué)及耗散結(jié)構(gòu)的煤巖沖擊失穩(wěn)過程分析第4章 煤巖沖擊失穩(wěn)孕育、產(chǎn)生模型分析及實(shí)驗(yàn)4．1 引言4．2 Lippmann煤巖沖擊失穩(wěn)基本理論4．3 煤巖沖擊失穩(wěn)孕育過程二維力學(xué)模型分析4．3．1 模型的建立4．3．2 擾動(dòng)區(qū)長度和巷道兩側(cè)的應(yīng)力分布4．4 發(fā)生沖擊的臨界荷載、臨界深度及其應(yīng)用4．4．1 發(fā)生沖擊的臨界荷載4．4．2 發(fā)生沖擊的臨界深度4．4．3 趙各莊礦12#煤層沖擊傾向性理論分析4．5 二維模型與Lippmann基本理論“沖擊失穩(wěn)”模型的比較4．6 基于穩(wěn)定性理論的沖擊三維臨界狀態(tài)分析4．6．1 煤層巷道平動(dòng)式?jīng)_擊失穩(wěn)三維模型構(gòu)建4．6．2 參與沖擊煤層長度及沖擊失穩(wěn)臨界狀態(tài)下煤層應(yīng)力分布4．6．3 模型參數(shù)分析及算例4．7 煤巖沖擊失穩(wěn)機(jī)理的損傷力學(xué)模型分析4．7．1 損傷變量的建立4．7．2 基本方程4．7．3 考慮損傷的煤層沖擊失穩(wěn)的擾動(dòng)區(qū)長度和巷道兩側(cè)的應(yīng)力分布4．7．4 考慮煤層損傷的臨界荷載和臨界深度4．7．5 有損傷沖擊失穩(wěn)模型和無損傷沖擊失穩(wěn)模型的比較4．8 煤層沖擊失穩(wěn)的結(jié)構(gòu)失穩(wěn)實(shí)驗(yàn)研究4．8．1 煤巖組合體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)4．8．2 煤巖組合體結(jié)構(gòu)失穩(wěn)特征分析第5章 沖擊傾向性煤體的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征5．1 沖擊傾向性煤體的細(xì)觀結(jié)構(gòu)特征的X射線衍射分析5．1．1 樣品采集及實(shí)驗(yàn)設(shè)備5．1．2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論5．2 煤體顯微組分對沖擊傾向性影響分析5．2．1 實(shí)驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)5．2．2 沖擊傾向性與煤體微觀組分含量的關(guān)系5．2．3 煤體沖擊傾向性與顯微組分結(jié)構(gòu)及分布的關(guān)系5．3 煤體細(xì)觀結(jié)構(gòu)對沖擊傾向性影響的SEM分析5．3．1 不同沖擊傾向性煤體表面微觀形貌特征分析5．3．2 沖擊傾向性煤體內(nèi)微裂隙特征及沖擊能量對煤體中微結(jié)構(gòu)的影響5．4 所研究煤層的沖擊傾向性測定5．4．1 趙各莊礦煤巖體力學(xué)參數(shù)實(shí)驗(yàn)5．4．2 沖擊傾向性實(shí)驗(yàn)方法第6章 沖擊傾向性煤體內(nèi)裂紋非穩(wěn)定擴(kuò)展宏細(xì)觀實(shí)驗(yàn)研究6．1 沖擊傾向性煤層煤樣三點(diǎn)彎曲沖擊加載動(dòng)態(tài)斷裂實(shí)驗(yàn)6．1．1 試樣規(guī)格及制備6．1．2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及實(shí)驗(yàn)方法6．1．3 煤樣三點(diǎn)彎曲沖擊斷裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析6．2 煤樣中波速的測量6．3 沖擊傾向性煤層煤樣準(zhǔn)靜態(tài)三點(diǎn)彎曲細(xì)觀破壞實(shí)驗(yàn)6．3．1 實(shí)驗(yàn)樣品及設(shè)備6．3．2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析6．4 沖擊傾向性煤層煤樣準(zhǔn)靜態(tài)三點(diǎn)彎曲宏觀破壞實(shí)驗(yàn)6．4．1 采樣和試件制備6．4．2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法6．4．3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析6．5 沖擊傾向性煤體不同加載條件斷裂斷口形貌分析6．6 斷口分形維數(shù)分析6．6．1 掃描儀器及其方法6．6．2 基于改進(jìn)立方體覆蓋法的計(jì)算結(jié)果6．7 煤巖沖擊失穩(wěn)機(jī)理的斷裂動(dòng)力學(xué)分析第7章 基于能量釋放的煤、巖體失穩(wěn)前兆信息研究7．1 實(shí)驗(yàn)樣品、設(shè)備及方法7．1．1 樣品規(guī)格及實(shí)驗(yàn)設(shè)備7．1．2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)方法7．1．3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方式7．2 沖擊傾向性煤體沖擊失穩(wěn)破壞前兆信息的實(shí)驗(yàn)研究7．2．1 沖擊傾向性煤層煤樣單向受壓破壞過程及前兆信息監(jiān)測實(shí)驗(yàn)7．2．2 沖擊傾向性煤層煤樣循環(huán)加載破壞過程及前兆現(xiàn)象監(jiān)測實(shí)驗(yàn)7．3 煤、巖組合體失穩(wěn)破壞特征及前兆信息研究7．3．1 “砂巖-煤”組合體沖擊失穩(wěn)破壞特征及前兆信息研究7．3．2 “砂巖-煤泥巖”組合體沖擊失穩(wěn)破壞特征及前兆信息研究7．3．3 組合體接觸面性質(zhì)分析7．3．4 組合體受壓破壞特征及前兆信息總結(jié)分析7．4 煤巖組合體沖擊失穩(wěn)判據(jù)分析第8章 深部煤巖沖擊失穩(wěn)主要影響因素?cái)?shù)值模擬分析8．1 不同地質(zhì)條件下采場應(yīng)力場及能量場分布規(guī)律8．1．1 采場模型建立及計(jì)算方法8．1．2 計(jì)算結(jié)果及分析8．2 基于FLAC3D模擬的圍巖能量積聚特征與突出危險(xiǎn)性能量判據(jù)8．2．1 幾何建模8．2．2 深部開采條件下采動(dòng)應(yīng)力誘發(fā)突出災(zāi)害模擬8．2．3 采動(dòng)誘發(fā)煤體突出(位移)特征分析8．2．4 沖擊傾向性的能量密度判據(jù)8．3 地質(zhì)因素誘發(fā)煤層巷道失穩(wěn)的數(shù)值模擬8．3．1 數(shù)值建模8．3．2 模擬方法及結(jié)果分析8．4 震動(dòng)誘發(fā)煤層巷道失穩(wěn)及合理支護(hù)方式選取的數(shù)值模擬分析8．4．1 不同架型的U型鋼支架動(dòng)力性能的動(dòng)力分析8．4．2 柔性支護(hù)抗沖擊失穩(wěn)效果數(shù)值模擬分析8．4．3 數(shù)值模擬及結(jié)果分析第9章 煤巖沖擊失穩(wěn)現(xiàn)象的現(xiàn)場實(shí)例調(diào)查9．1 開灤趙各莊礦煤巖沖擊失穩(wěn)現(xiàn)場調(diào)查9．1．1 趙各莊礦煤巖沖擊失穩(wěn)事故及生產(chǎn)地質(zhì)條件9．1．2 趙各莊礦煤巖沖擊失穩(wěn)誘發(fā)因素分析9．2 開灤唐山礦煤巖沖擊失穩(wěn)現(xiàn)場調(diào)查9．2．1 唐山礦煤巖沖擊失穩(wěn)事故及生產(chǎn)地質(zhì)條件9．2．2 唐山礦煤巖沖擊失穩(wěn)誘發(fā)因素分析9．3 撫順老虎臺(tái)礦煤巖沖擊失穩(wěn)現(xiàn)場調(diào)查9．3．1 老虎臺(tái)礦煤巖沖擊失穩(wěn)事故及生產(chǎn)地質(zhì)條件9．3．2 老虎臺(tái)礦沖擊失穩(wěn)事故及原因分析9．3．3 老虎臺(tái)礦煤巖沖擊失穩(wěn)誘發(fā)因素9．4 忻州窯礦煤巖沖擊失穩(wěn)現(xiàn)場調(diào)查9．4．1 忻州窯礦的地質(zhì)條件與災(zāi)害概述9．4．2 忻州窯礦煤巖體沖擊失穩(wěn)誘發(fā)因素分析第10章 煤巖沖擊失穩(wěn)的多參量預(yù)警技術(shù)與綜合防治10．1 煤巖沖擊失穩(wěn)發(fā)生的誘發(fā)條件及防治對策10．1．1 煤巖沖擊失穩(wěn)發(fā)生的誘發(fā)條件及預(yù)防的基本思路10．1．2 煤巖沖擊失穩(wěn)發(fā)生的預(yù)警和防治對策10．2 以復(fù)合型能量轉(zhuǎn)化為中心的煤巖沖擊失穩(wěn)控制理論10．2．1 煤巖沖擊失穩(wěn)的能量轉(zhuǎn)化型分類10．2．2 煤巖沖擊失穩(wěn)發(fā)生的能量分析10．3 煤巖沖擊失穩(wěn)災(zāi)害的多參量監(jiān)測預(yù)警技術(shù)10．3．1 現(xiàn)場概況10．3．2 T2193下工作面概況及生產(chǎn)技術(shù)條件10．3．3 煤巖沖擊失穩(wěn)的多參量預(yù)警技術(shù)及其應(yīng)用10．3．4 T2193T工作面煤巖沖擊失穩(wěn)災(zāi)害預(yù)警技術(shù)總結(jié)10．4 煤巖沖擊失穩(wěn)的綜合治理10．4．1 沖擊失穩(wěn)區(qū)域性防范措施10．4．2 老虎臺(tái)礦沖擊失穩(wěn)局部解危措施10．4．3 沖擊失穩(wěn)防護(hù)措施參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：第6章沖擊傾向性煤體內(nèi)裂紋非穩(wěn)定擴(kuò)展宏細(xì)觀實(shí)驗(yàn)研究在工程地質(zhì)體中廣泛地存在著巖石或煤體受動(dòng)態(tài)荷載作用而發(fā)生的沖擊失穩(wěn)現(xiàn)象，如在高地應(yīng)力條件下，金屬礦山或隧道等堅(jiān)硬圍巖體中發(fā)生的巖爆和煤礦開采中煤巖沖擊失穩(wěn)現(xiàn)象。目前，這類工程地質(zhì)體的失穩(wěn)問題的研究主要集中在兩方面：一是從結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性理論出發(fā)，研究有平衡分支點(diǎn)的彈性體系穩(wěn)定問題及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定突變等；二是從材料失穩(wěn)的角度，研究巖體變形破壞過程中由于內(nèi)部裂隙發(fā)育而導(dǎo)致最終失穩(wěn)的問題。煤礦開采過程中的煤巖沖擊失穩(wěn)災(zāi)害可認(rèn)為是煤層或巖層的開掘而導(dǎo)致的局部應(yīng)力集中，造成煤壁附近煤巖體內(nèi)產(chǎn)生大量次生裂隙，在采動(dòng)等外界因素影響下發(fā)生的裂紋快速成核、貫通、擴(kuò)展而引起的失穩(wěn)現(xiàn)象。以往研究表明：煤體的破裂階段是沖擊失穩(wěn)孕育過程中重要階段之一，煤體質(zhì)點(diǎn)在周邊煤體的擠壓作用下，首先產(chǎn)生x形裂隙并沿徑向變形，最后形成一些與暴露面平行的切向裂紋（即I形裂紋）。同時(shí)，煤巖體的斷裂破壞可視為其內(nèi)部微觀裂紋擴(kuò)展、分叉和失穩(wěn)擴(kuò)展的動(dòng)態(tài)演化過程，裂紋分叉與失穩(wěn)是緊密相關(guān)的，裂紋經(jīng)過無限多次的分叉便導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的失穩(wěn)。因此，通過宏、細(xì)觀實(shí)驗(yàn)，對比分析動(dòng)態(tài)斷裂及準(zhǔn)靜態(tài)荷載下，沖擊傾向性煤體內(nèi)裂紋的產(chǎn)生、演化及失穩(wěn)擴(kuò)展過程，研究不同荷載條件下的煤巖體動(dòng)態(tài)裂紋非穩(wěn)定擴(kuò)展規(guī)律，探索裂紋擴(kuò)展能量耗散和煤巖體材料穩(wěn)定性問的關(guān)系，是本章為深入研究煤巖沖擊失穩(wěn)發(fā)生機(jī)理及災(zāi)變過程進(jìn)行的一次嘗試，該研究可為揭示沖擊傾向煤體內(nèi)I形裂紋在煤體中的動(dòng)態(tài)擴(kuò)展機(jī)制提供了直觀的數(shù)據(jù)。為了研究煤體動(dòng)態(tài)斷裂過程中裂紋擴(kuò)展和耗能機(jī)制的關(guān)系以及巖石材料非均質(zhì)性和不連續(xù)性對煤體中動(dòng)態(tài)裂紋擴(kuò)展模式和裂紋擴(kuò)展速度的影響，首先采用分布式多火花高速攝影系統(tǒng)對煤體三點(diǎn)彎曲試樣的沖擊斷裂過程進(jìn)行了觀測，分析了裂紋擴(kuò)展速度和動(dòng)態(tài)裂紋擴(kuò)展模式，并進(jìn)行了煤樣的準(zhǔn)靜態(tài)三點(diǎn)彎曲斷裂實(shí)驗(yàn)，對動(dòng)態(tài)與準(zhǔn)靜態(tài)煤樣的三點(diǎn)彎曲斷裂實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對比分析；同時(shí)，為了能夠進(jìn)一步從細(xì)觀角度對沖擊傾向性煤層煤體內(nèi)裂紋非穩(wěn)定擴(kuò)展過程進(jìn)行研究，采用了SEM高疲勞試驗(yàn)機(jī)，對煤樣斷裂過程中的微裂紋擴(kuò)展、分叉以及貫通過程，進(jìn)行了實(shí)時(shí)觀測分析。

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