剛—柔耦合支護(hù)防治沖擊地壓機(jī)理研究.pdf

1、世界范圍內(nèi)淺部資源正日益枯竭,深部資源開采迫在眉睫。然而,隨著深井采礦、深埋隧道和硐室等人類活動的不斷深入地下,地應(yīng)力呈非線性增加,地溫升高,地質(zhì)環(huán)境更加復(fù)雜多變,沖擊地壓發(fā)生頻次和破壞程度也愈加強(qiáng)烈,釋放大量沖擊能造成支護(hù)圍巖體破壞,給人民生命、財產(chǎn)和生產(chǎn)安全帶來極大危害,亟待在防沖支護(hù)材料和方法方面做出重大突破。因此,建立剛-柔耦合支護(hù)模型,對多孔金屬材料動態(tài)力學(xué)特性和吸能性能進(jìn)行實驗研究,分析不同支護(hù)巷道沖擊破壞規(guī)律,揭示剛-柔耦

2、合吸能機(jī)理,提出剛-柔-剛耦合支護(hù)方法,為防治巷道沖擊破壞提供一種防沖支護(hù)材料和方法,具有重要的理論研究意義和實用價值。采用理論分析、材料實驗、相似模擬試驗和數(shù)值計算相結(jié)合的研究方法,對剛-柔耦合吸能機(jī)理及防沖支護(hù)進(jìn)行研究。實驗研究準(zhǔn)靜態(tài)和沖擊載荷條件下多孔金屬材料的力學(xué)行為、吸能特性和防沖支護(hù)的吸能效果;理論分析沖擊地壓巷道圍巖破壞發(fā)生的應(yīng)力判據(jù)和能量條件,建立剛-柔耦合吸能模型(剛-柔-剛耦合支護(hù)體系:R-F-R)并進(jìn)行防沖理論研究

3、;相似材料試驗研究沖擊地壓發(fā)生和破壞過程及不同支護(hù)巷道變形規(guī)律,分析不同支護(hù)效果;數(shù)值模擬研究高速沖擊載荷作用下沖擊地壓巷道變形破壞規(guī)律,分析不同支護(hù)條件下巷道破壞程度,檢驗剛-柔耦合防沖支護(hù)的合理和有效性;基于防沖機(jī)理,進(jìn)行防沖支護(hù)裝置研制,對防沖裝置提供初撐力大小和緩沖吸能作用進(jìn)行理論分析和實驗研究,將柔性體+強(qiáng)力支護(hù)手段應(yīng)用到躍進(jìn)煤礦25110工作面下巷,對比分析傳統(tǒng)支護(hù)和防沖支護(hù)沖擊破壞結(jié)果,初步驗證剛-柔耦合防沖支護(hù)的可靠性。

4、1.多孔金屬材料及防沖支護(hù)吸能機(jī)理研究:利用準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實驗、高速沖擊實驗和SHPB實驗方法,結(jié)合細(xì)觀結(jié)構(gòu)和宏觀力學(xué)兩方面對不同多孔金屬材料動態(tài)力學(xué)特性和防沖支護(hù)吸能性能進(jìn)行實驗分析,研究材料參數(shù)、細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化對材料動態(tài)力學(xué)特性和防沖吸能性能的影響,揭示剛-柔耦合防沖支護(hù)吸能機(jī)理。(1)不同基體材料對泡沫金屬動態(tài)力學(xué)特性的影響研究采用高速沖擊實驗方法,借助電鏡掃描(SEM)技術(shù)手段,從細(xì)觀結(jié)構(gòu)和宏觀力學(xué)兩方面出發(fā),對閉孔Al基、Al-Si

5、12基、Al-Si6基、泡沫鎂及泡沫鋁-纖維合金和泡沫鋁-稀土合金等泡沫金屬系列材料進(jìn)行沖擊實驗,得到不同材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線和吸能曲線,研究材料基體對其動態(tài)力學(xué)特性的影響,進(jìn)而優(yōu)選沖擊吸能性能良好的多孔金屬材料。(2)材料參數(shù)影響的泡沫金屬動態(tài)力學(xué)特性分析材料參數(shù)對其沖擊吸能性能影響較大,選擇材料尺寸相同,不同材料密度、不同孔隙度以及材料孔徑的閉孔Al-Si6基泡沫材料,利用高速沖擊實驗和SHPB實驗研究方法,考慮材料參數(shù)對吸能性能的影

6、響,研究材料密度、孔隙度和孔徑與材料動態(tài)力學(xué)特性的關(guān)系,從而確定合適的材料參數(shù)。(3)考慮試件尺寸效應(yīng)影響的多孔金屬材料動態(tài)力學(xué)特性分析考慮尺寸效應(yīng)對材料吸能性能的影響,利用沖擊載荷實驗系統(tǒng),選擇實驗材料均為閉孔Al-Si6基泡沫材料,研究試樣形狀和尺寸效應(yīng)對其動態(tài)力學(xué)特性的影響,進(jìn)而選擇合理的吸能材料尺寸高寬比。(4)多孔金屬材料及防沖支護(hù)吸能機(jī)理研究根據(jù)落錘沖擊實驗和SHPB實驗結(jié)果,利用電鏡掃描(SEM)技術(shù),對基體材料(Al基、

7、Al-Si12基、Al-Si6基、泡沫鎂及泡沫鋁-纖維合金和泡沫鋁-稀土合金)破裂細(xì)觀形貌特征進(jìn)行分析,研究細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化對材料吸能影響;利用沖擊實驗系統(tǒng),對鋼支架、底腳式支架和頂端式支架吸能性能進(jìn)行分析,揭示剛-柔耦合支護(hù)防沖機(jī)理。2.剛-柔耦合模型及防沖理論解析:從能量吸收的角度出發(fā),研究沖擊地壓巷道圍巖破壞發(fā)生的應(yīng)力判據(jù)和能量條件,建立剛-柔耦合吸能模型并進(jìn)行防沖理論解析,提出剛-柔-剛耦合支護(hù)方法。(1)從能量角度出發(fā),對沖擊地壓

8、巷道圍巖破壞機(jī)理進(jìn)行研究,研究支護(hù)巷道圍巖沖擊破壞發(fā)生的應(yīng)力判據(jù)和能量條件。(2)基于應(yīng)力波的沖擊破壞理論,建立圍巖-吸能材料-鋼支架剛-柔耦合吸能支護(hù)力學(xué)模型,揭示剛-柔耦合吸能支護(hù)的耦合關(guān)系,進(jìn)而研究吸能支護(hù)沖擊波耗散機(jī)理和支護(hù)耗能機(jī)理,得出防沖支護(hù)能量耗散標(biāo)準(zhǔn)。(3)對R-F-R支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化,根據(jù)材料力學(xué)和沖擊波理論相關(guān)知識,進(jìn)行沖擊波作用下R-F-R支護(hù)結(jié)構(gòu)衰減沖擊波性能理論解析,得到多孔金屬材料厚度和材料性能對其衰減沖擊波

9、的影響,對比分析設(shè)置多孔金屬材料前后支護(hù)結(jié)構(gòu)的緩沖和吸能效果。(4)提出剛-柔-剛耦合支護(hù)方式,并對不同支護(hù)進(jìn)行防沖實驗分析,研究防沖支護(hù)方法,進(jìn)而提出建立柔性支護(hù)體+強(qiáng)力支護(hù)耦合支護(hù)手段,提高巷道安全程度,降低沖擊型動力災(zāi)害。3.沖擊巷道支護(hù)模擬試驗研究:利用爆炸加載方式模擬高速沖擊載荷作用,借助數(shù)字散斑光測技術(shù)手段,研究巷道圍巖破壞過程及不同支護(hù)條件下巷道變形規(guī)律;同時,在實驗室研究沖擊地壓發(fā)生過程及錨桿、U型鋼、棚索協(xié)同支護(hù)以及剛

10、-柔耦合支護(hù)(巷道襯砌吸能材料+強(qiáng)力支護(hù))條件下巷道沖擊破壞規(guī)律。(1)利用低能爆炸加載方式,借助高速采集數(shù)字散斑光測裝置,對高速沖擊載荷作用下巷道動態(tài)破裂規(guī)律進(jìn)行相似試驗研究,并研究錨桿支護(hù)和剛-柔耦合支護(hù)巷道沖擊破壞規(guī)律。(2)利用相似理論,按照一定的配比制作脆性材料,采用單軸加載的方法,借助數(shù)字散斑光測方法,對制作標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行壓縮沖擊破壞試驗研究,確定合適作為沖擊地壓相似模擬的材料配比和強(qiáng)度。(3)考慮尺寸效應(yīng)的影響,模擬不同巷道

11、尺寸條件下沖擊破壞規(guī)律,確定模擬巷道沖擊破壞的合理巷道形狀及尺寸,對不同支護(hù)條件下巷道沖擊破壞過程進(jìn)行試驗研究,對比分析不同支護(hù)巷道沖擊破壞規(guī)律,檢驗剛-柔耦合支護(hù)的合理和有效性。4.支護(hù)巷道沖擊破壞非線性動力學(xué)分析:將沖擊波作為離散的動態(tài)沖擊載荷施加在模型內(nèi)部節(jié)點(diǎn)上,利用FLAC3D進(jìn)行煤巖巷道沖擊變形破壞過程的三維數(shù)值計算,實現(xiàn)先加載后開挖及合理動力加載方式,分別研究裸巷、錨網(wǎng)錨桿、U型鋼支護(hù)和防沖支護(hù)等條件下的巷道沖擊破壞規(guī)律,并

12、從能量角度出發(fā),對不同支護(hù)方式的支護(hù)效果進(jìn)行分析,進(jìn)一步說明防沖支護(hù)的有效性。5.根據(jù)防沖結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本依據(jù),研究了可實現(xiàn)提供較大初撐力,又起到良好緩沖吸能作用的防沖結(jié)構(gòu),并進(jìn)行了防沖裝置的研制。利用理論分析和試驗研究相結(jié)合的研究方法,對防沖裝置提供初撐力大小和緩沖吸能作用進(jìn)行了研究,得到了消除裝置自鎖發(fā)生的合理角度,彈簧壓縮量與裝置提供初撐力之間的關(guān)系,也說明剛-柔耦合防沖支護(hù)的可靠性,為防沖支護(hù)設(shè)計和應(yīng)用提供了科學(xué)依據(jù)。6.基于剛-