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煤岩系统模型冲击倾向的数值模拟研究

董建军

  冲击地压是煤矿井工开采中严重的自然灾害。煤矿冲击地压又称煤爆,它是一种发生在井巷或回采工作面围岩-煤体内煤岩体急剧破坏,突然释放弹性能,以突然,急剧,猛烈破坏为特征的动力现象。煤岩冲击倾向研究是冲击地压机理研究的重要组成部分。本文从系统观点入手充分考虑顶板、煤层和底板各子系统之间的关系,综合研究各个因素及整体效应对冲击倾向的影响,进而更科学地揭示和评价矿井煤岩系统的冲击倾向。采用能量和流变力学的方法进行理论分析,认为顶板和底板对煤体的能量传递、运动方式、破坏、变形和变形速度都有显著影响。运用有限元数值模拟方法和对顶、底板岩层受力特征的研究,发现顶底板存在明显的应力差别,这种差别对煤的受力及力学性质的影响是不可忽视的。依据研究得到的顶、底板各自不同的力学、物理状况,建立了易于通过实验室试验研究的煤岩系统试件模型,并通过数值计算方法证明这种试件模型与现场的顶、底板应力状态是一致的。采用RFPA数值模拟软件,对顶、底板不同岩性的煤岩系统模型进行了数值实验模拟研究,通过对获取的声发射、能量、应力、破坏过程等基本信息,从影响冲击倾向的各种因素入手进行综合分析,系统研究了不同顶(底)板岩性条件下系统冲击倾向的变化,研究结果表明:煤体在顶(底)板的参与下,随着顶(底)板强度的变化,煤岩系统模型冲击倾向的各方面特性会发生变化,其中,煤的弹性变形能力显著增强;随着顶板强度的增加,煤岩系统模型的承载能力和冲击能力会呈现非线性递增趋势,而扩容点应力、弹性能积聚能力和用于破坏的能量则呈现非线性递减趋势;随着底板强度的增加,煤岩系统模型的承载能力、冲击能力和扩容点应力会呈现非线性递减趋势,而弹性能积聚能力和用于破坏的能量则呈现非线性递增趋势。依据系统研究观点,通过分析研究得出煤岩系统的冲击倾向是煤岩系统自身多项物理力学性质的综合体现,是各种因素共同作用的结果。煤岩系统模型试件比单一煤体试件更能反映出能量的蓄能和耗能过程,进而确定了系统冲击能量指标μ及其判据,并以孙村煤矿二、四煤层为例进行了验证。……   
[关键词]:冲击地压;冲击倾向;系统模型;数值模拟;应力;应变;声发射;系统冲击能量
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:山东科技大学2004年
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