论文中文题名: | 高水平应力下煤岩卸荷力学特性及能量演化 规律研究 |
姓名: | |
学号: | 21204228103 |
保密级别: | 保密(1年后开放) |
论文语种: | chi |
学科代码: | 085900 |
学科名称: | 工学 - 工程 - 土木水利 |
学生类型: | 硕士 |
学位级别: | 工程硕士 |
学位年度: | 2024 |
培养单位: | 西安科技大学 |
院系: | |
专业: | |
研究方向: | 岩石动力学与灾害防治 |
第一导师姓名: | |
第一导师单位: | |
论文提交日期: | 2024-06-13 |
论文答辩日期: | 2024-06-07 |
论文外文题名: | Study on unloading mechanical properties and energy evolution law of coal rock under high level stress |
论文中文关键词: | |
论文外文关键词: | High level stress ; Unloading test ; Acoustic emission characteristics ; Energy evoution ; Damage constitutive model. |
论文中文摘要: |
随着煤炭资源开采逐渐向深部转移,“三高一扰动”的影响愈加明显,特别是高水平构造应力下开挖卸荷导致的冲击地压灾害、采空区失稳等灾害频繁发生,严重影响了煤矿的安全生产;为了保证深部煤层的安全开采,急需开展深部矿井在高水平应力下煤岩卸荷力学特性及其能量演化规律研究,为矿井安全高效开采和灾害预测预警具有重要意义。本文以彬长矿区某矿冲击倾向性煤岩为研究对象,采用现场调研和室内试验及理论分析相结合的方法开展研究工作。主要内容以及结论是: (1)通过现场调研发现,彬长矿区发生冲击地压灾害的主要因素包括:煤层冲击倾向性、高水平构造应力、开挖卸荷作业及开采深度和进度等。根据冲击地压灾害显现特征分析,得到彬长矿区发生冲击地压灾害是由于煤层处于高水平构造应力场和煤层具有冲击倾向性作为基础内因,开采卸荷是诱发的主因。 (2)完成了彬长矿区该矿高水平应力下煤岩冲击倾向性测定试验和三轴加载压缩试验。试验结果表明:该煤层具有强冲击倾向性特征;煤层强度与构造应力呈一次函数增长;煤岩由拉伸破坏过渡剪切破坏模式,弹脆性特征明显;声发射b值垂直式突降现象可作为冲击地压发生的前兆信息。 (3)完成了不同围压和不同卸荷速率下煤岩卸荷试验。应力梯度是导致巷道围岩变形破坏的重要影响因素之一;卸荷速率对围岩径向扩容变形的影响更大,塑性应变围压柔量与损伤程度呈一次线性增大趋势,即掘进推进速度对开挖掘进过程中诱发冲击地压可能性更大。煤岩破断角与围压呈负相关;煤岩由剪切张拉复合破坏向剪切破坏过渡,端部形成应力集中,在煤层尖端应加强监测预警和重点防控;煤岩声发射信号均呈现出“增加-回落-增加”的变化趋势,可作为煤岩卸荷损伤状态的判断依据;声发射b值随卸荷量的增加断崖式下降更明显,由此可作为冲击地压灾害的前兆信息,在微震监测出现大量信号频率区域及时进行预警。 (4)研究表明:能量耗散和释放是导致冲击地压灾害发生的本质原因之一;卸荷速率越快,应变能的释放越快,诱发冲击地压灾害现象越剧烈。总能量变化率与卸荷速率呈现正相关;应力跌落段的能量变化率涨幅速率是峰值前卸荷能量变化率的数倍。总应变能和弹性应变能与初始损伤程度呈正相关;弹性能储存率与水平构造应力呈正比例关系;同赋存环境条件下,开采进度与弹性能储存率呈正相关;表明在高水平构造应力条件下,工作面推进速度及施工进度是诱发冲击地压灾害最主要的原因,因此调整施工开挖进度或者采用合理施工步骤,可减缓或降低冲击地压灾害的发生。 (5)基于能量耗散理论建立了煤岩卸荷损伤本构模型。试验数据表明:该损伤本构模型是合理的,可以很好的描述冲击倾向性煤岩在高水平应力下应力跌落段前的应力-应变关系和卸荷扩容变化;煤岩极限储存能量与水平构造应力呈正比例关系;加载和卸荷极限储存能量相差不大,该结论可为进一步深入讨论冲击地压发生的能量判别提供一定的参考价值。 |
论文外文摘要: |
With the gradual transfer of coal resources to the deep, the influence of ' three high and one disturbance ' is more and more obvious, especially the frequent occurrence of rock burst disaster and goaf instability caused by excavation unloading under high level tectonic stress, which seriously affects the safety production of coal mine. In order to ensure the safe mining of deep coal seams, it is urgent to carry out research on the mechanical characteristics of coal rock unloading and its energy evolution law under high-level stress in deep mines, which is of great significance for safe and efficient mining and disaster prediction and early warning. In this paper, the rockburst prone coal rock of a mine in Binchang mining area is taken as the research object, and the research work is carried out by combining field investigation, laboratory test and theoretical analysis. The main contents and conclusions are as follows : Through field investigation, it is found that the main factors of rock burst disaster in Binchang mining area include : coal seam burst tendency, high level tectonic stress, excavation unloading operation and mining depth and progress. According to the analysis of the characteristics of rock burst disaster, it is concluded that the occurrence of rock burst disaster in Binchang mining area is due to the high level tectonic stress field of coal seam and the burst tendency of coal seam as the basic internal cause, and the mining unloading is the main cause. (2)The impact tendency test and triaxial loading compression test of coal rock under high level stress in Binchang mining area were completed. The test results show that the coal seam has the characteristics of strong impact tendency ; the strength of the coal seam and the tectonic stress increase in a function ; the coal rock transits from tensile failure to shear failure mode, and the characteristics of elastic brittleness are obvious. The vertical sudden drop phenomenon of acoustic emission b value can be used as the precursor information of rock burst. (3)The unloading tests of coal rock under different confining pressures and different unloading rates were completed. The stress gradient is one of the important factors leading to the deformation and failure of the surrounding rock of the roadway. The unloading rate has a greater influence on the radial expansion deformation of surrounding rock, and the plastic strain confining pressure compliance and damage degree show a linear increase trend, that is, the advance speed of excavation is more likely to induce rock burst during excavation. The fracture angle of coal rock is negatively correlated with confining pressure. The coal-rock transitions from shear-tension composite failure to shear failure, and stress concentration is formed at the end. Monitoring, early warning and key prevention and control should be strengthened at the tip of the coal seam. The acoustic emission signals of coal and rock show a trend of ' increase-fall-increase ', which can be used as the basis for judging the unloading damage state of coal and rock. The b value of acoustic emission decreases more obviously with the increase of unloading amount, which can be used as the precursory information of rock burst disaster, and early warning can be carried out in time in the area with a large number of signal frequency in microseismic monitoring. (4)The research shows that energy dissipation and release is one of the essential causes of rock burst disaster. The faster the unloading rate is, the faster the release of strain energy is, and the more severe the rock burst disaster is. The total energy change rate is positively correlated with the unloading rate. The increase rate of energy change rate in the stress drop section is several times that of the unloading energy change rate before the peak. The total strain energy and elastic strain energy are positively correlated with the initial damage degree. The elastic energy storage rate is proportional to the horizontal tectonic stress. Under the condition of the same occurrence environment, the mining progress is positively correlated with the elastic energy storage rate ; it shows that under the condition of high level tectonic stress, the advancing speed of working face and construction progress are the main causes of rock burst disaster. Therefore, adjusting the construction excavation progress or adopting reasonable construction steps can slow down or reduce the occurrence of rock burst disaster. (5)Based on the energy dissipation theory, the unloading damage constitutive model of coal rock is established. The experimental data show that the damage constitutive model is reasonable and can well describe the stress-strain relationship and unloading expansion change of coal rock with burst tendency before the stress drop section under high level stress. The ultimate storage energy of coal rock is proportional to the horizontal tectonic stress. There is little difference between loading and unloading limit storage energy. This conclusion can provide some reference value for further discussion on the energy discrimination of rock burst occurrence. |
参考文献: |
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中图分类号: | TD315 |
开放日期: | 2025-06-13 |