块系岩体鞭梢结构超低摩擦效应研究

作     者：唐垒 

作者单位：辽宁工程技术大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李利萍

授予年度：2022年

学科分类：081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 08[工学] 

主      题：块系岩体 鞭梢结构 超低摩擦效应 应力波扰动 高宽比 

摘      要：随着矿山开采深度持续增加,由超低摩擦效应引起的岩爆及冲击地压更加频繁、严重,岩体所处应力环境越趋复杂,其力学行为呈现出新形式、新特征。冲击地压现场观测表明,现有研究未充分考虑深部岩体结构的破碎特征,存在诸多不适用的情形,致使一些特殊的动力响应现象无法得到合理解释。为进一步促进我国矿山资源的高效开采、安全开采、环境友好型开采,亟需基于现有研究充分考虑结构破碎特征,建立新的研究模型。现引入矿山开采过程中岩体存在的特殊结构,这种特殊结构是由诸多破碎的块状岩体组合而成,与“鞭梢效应结构特征尤为相似,故在下文统称这种特殊结构为“鞭梢结构。针对煤炭开采过程中常遇的岩爆及冲击地压等工程问题,充分考虑煤岩体“越深部、越破碎的现场特征,基于岩体鞭梢结构开展进一步研究工作,分别建立块系岩岩鞭梢结构超低摩擦效应研究模型、块系煤岩鞭梢结构超低摩擦效应研究模型,通过试验及数值模拟的方式进行研究。首先,利用自主研制超低摩擦效应试验装置研究应力波扰动、水平冲击、轴压等外部载荷组合作用下块系岩岩鞭梢结构超低摩擦效应动力响应机制,分析得到应力波扰动、冲击强度、尺寸、位置、高宽比等因素对其的影响规律;其次,在块系岩岩鞭梢结构超低摩擦效应试验研究的基础上,进行块系煤岩鞭梢结构超低摩擦效应试验研究,并通过两者之间的对比分别指出两类块系岩体鞭梢结构超低摩擦效应响应机制的异同,为指导现场提供参考;最后,基于前期试验结果,利用FLAC-3D探究不同工况下工作块体尺寸与位置对块系岩岩鞭梢结构超低摩擦效应强度及工作块体高宽比对块系煤岩鞭梢结构超低摩擦效应强度的影响规律。综上,所得重要结论如下:(1)结合岩体“越深部、越破碎的性质及鞭梢效应结构特征,初步建立了存于岩体中的简化鞭梢结构研究模型,并提出岩体的鞭梢效应。分析了尺寸、位置、高宽比等主要影响因素对岩体鞭梢结构超低摩擦效应强度的影响机制,发现工作块体水平位移历时曲线主要存在稳定阶段、突增阶段及二次稳定阶段,以二次稳定阶段位移值表征工作块体超低摩擦效应强度。(2)不同应力波扰动强度在介质中的传播特性不完全一致,通过对比分析应力波扰动作用下块系岩岩鞭梢结构及块系煤岩鞭梢结构中工作块体水平位移在四种位置工况下的响应情况,均可发现工作块体水平位移随其位置的增大(2→5)均呈现出先减增的趋势,工况p-4时为一个临界位置且在该位置处结构稳定性较好,能有效降低岩体鞭梢结构超低摩擦效应的影响。(3)针对已研究工况,发现应力波扰动强度对不同尺寸(S=40-100mm)的工作块体没有显著影响,但工作块体为煤时,应力波扰动频率对其水平位移存在显著影响尺寸区域(S=40-70mm)。质量对块系岩体鞭梢结构超低摩擦效应的影响是非线性的,其动力响应随质量增加并非呈现单一变化,同时说明不同质量工作块体在不同扰动作用下所产生的动力响应程度不同,这种响应程度在很大程度上取决于应力波扰动频率及工作块体自身的固有频率,基于文章中给出的质量显著影响区(砂岩:0.2-0.4kg,煤:0.3-0.7 kg),为有效避免工程中机械扰动与破碎岩体之间的共振提供依据。(4)块系岩体鞭梢结构超低摩擦效应在不同应力波扰动作用下均呈现出波动及稳定的两种特性,由于不同岩体自身的物理力学性质不同,引起工作块体水平位移的响应不同。块系岩岩鞭梢结构在不同应力波扰动强度作用下有明显的波动区(H/S=0.4-1.2)及稳定区(H/S=1.2-2.0);而块系煤岩鞭梢结构在不同应力波扰动强度作用下相对稳定,但存在个别工况诱发的动力响应极为明显。(5)基于前期试验部分研究,通过数值模拟的方式对块系岩体鞭梢结构超低摩擦效应进行了不同工况的研究。基于岩岩鞭梢结构模拟研究发现,尺寸方面:S=40mm时动力响应最为剧烈;位置方面:P-4最危险;基于煤岩鞭梢结构模拟研究发现,高度占比方面:h-80mm便已产生剧烈动力响应;宽度占比方面:w-80mm相对危险。由于试验及模拟采用的外载荷及施加过程存在的差异,导致两者之间得出的规律不尽相同,可提供一定参考价值。该论文有图77幅,表15个,参考文献72篇。