采动动载诱导围岩变形破坏的模拟试验研究

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随着我国煤矿开采强度和深度的不断增加,由动载诱发的冲击矿压灾害也逐渐增加。相似模拟试验作为重要实验室研究手段之一,在国内外一些研究单位已开展了冲击动载方面的试验和探索。但从冲击动载对围岩的破坏效应和破坏特点的角度进行研究的较少,且动载大多采用爆破模拟的形式。为此,本文以动静载荷组合加载相似模拟试验为主要研究手段,结合理论分析、数值模拟等方法,对采动动载诱导围岩变形破坏的特征进行了研究。主要结论如下:基于冲击矿压动静载叠加原理及相似理论,分析了围岩动、静载应力条件。依据相似理论,分析了动静载的特点及动载的相似性,分析比较了相似比例系数,在MLT系统中对弗洛德比尺因数中的主要变量量纲进行分析,确定了相似模拟试验的比尺因数并对其量纲进行分析验证。以急倾斜煤层地质条件为基础设计并完成了相似模拟试验,探究采场围岩的应力分布特点及采动动载对其变形破坏的影响,并确定了围岩冲击破坏加速度、位移临界值。结果表明:同一水平分层,煤层底板左侧应力集中程度最高,且随着动载强度的增大,围岩响应特征更加明显,当模拟能量为3.92×105J时发生冲击显现。相同动载强度时,随着传播距离的增加,响应特征逐渐减弱,但传播距离差别不大时应力条件成为了响应大小的决定因素。同时,对采动动载诱导巷道围岩变形破坏进行了相似模拟试验研究。结果表明:巷道模型中应力对称分布,顶底板左、右侧静载应力相同,中部应力较低。动载强度增大导致围岩变形破坏更为严重。相同动载时,由于试验设备动载形式限制,巷道“迎载侧”受动载影响最大,加速度、声发射事件更为明显,且模拟能量9.00×104J时发生冲击破坏,“背载侧”响应程度略有衰弱,但总体仍处于较高水平,而处于径向位置的巷道拱顶受扰动最小。利用FLAC2D数值模拟软件进行了对照模拟试验分析。结果表明:动载传递过程中在介质中将发生反射和透射,从而引起煤岩应力变化,动载强度越高,诱发围岩变形破坏越严重。相同动载强度时,由于围岩自由空间方向限制,巷道顶底板在垂直方向上响应特征更为明显,而左右两帮在水平方向变形破坏更为严重,且由于反射作用左侧煤壁处变形破坏程度高于内部围岩。巷道“迎载侧”区域受动载影响较大,响应特征较为明显。数值模拟分析与相似模拟试验结果一致,耦合性较好。
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