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发布时间:2026-04-30
为了研究突出煤层掘进工作面前方煤体的受载状态和原位煤岩体在静态、动态载荷作用下的非线性力学传递路径,采用哈密顿力学体系建立横观各向同性层状组合煤岩体数学模型,并结合辛空间-时间子域法求解煤岩体的层间动态力学传递路径。通过理论分析研究了采掘扰动应力波的卸载/二次加载过程对掘进工作面前方煤岩体的影响,包括塑性区、弹性区及原岩应力区的应力传递路径与损伤破坏规律。研究结果表明,中心区域会产生应力集中,且沿着短轴和长轴方向的应力衰减;在对角线方向表现出能量衰减和“X”型剪切破坏模式;塑性加载波追赶弹性卸载波,在0.02、0.03和0.06 s时刻塑性区与弹性区煤体之间出现脱层现象,在0.004和0.028 s时刻出现了径向变形引起的脱层现象。基于MC破坏准则和应变能密度分析,研究了“V”型能量坑的分布特征,从而验证了轴向主导、长轴扩展的十字形裂隙的试验现象。
在深部煤层开采过程中,煤岩承受动静组合受力状态,易引发煤爆、岩爆、板裂及分区崩裂等灾害,影响煤矿安全生产。煤爆通常发生在采掘工作面后方。随采掘工作面推进前移,煤体内能量非均匀地积累与转化,最终导致其失稳破坏。传统线性力学理论难以解释复杂地应力环境下的破坏机制。深入研究煤岩动力失稳机理、力学条件及预测方法具有重要意义。
深部煤岩在高静应力与动态扰动耦合下,其力学行为与浅部显著不同。LI等研究表明,岩爆卸载损伤主要表现为自由面附近的拉伸破坏,剪切裂纹是失稳的关键因素。孙光华等结合岩爆试验与声发射监测发现,中间主应力增大会延迟临界点并延长平静期,易诱发突发性岩爆。李夕兵等通过动静组合加载试验揭示了岩石卸压破坏的等效应变能密度特征,并提出基于动静能量指数的岩爆判据。DAI等采用三维平面接触模型结合力矩张量发现,隧道肩部和底部裂纹受拉伸机制主导,而侧壁裂纹受剪切机制影响呈蝴蝶形分布。张晓君等提出硬岩层爆的爆裂松脱力概念,揭示厚长比和垂直应力对层爆的影响。翁磊等基于黏弹性本构关系建立屈曲型岩爆压屈时效方程,发现围岩层裂薄板结构易发生蠕变弯曲及失稳岩爆。冯帆等通过正交各向异性薄板模型研究发现,轴向应力增加会加剧板裂屈曲岩爆,而较小围压可显著抑制破坏。姜耀东等提出了深部煤层巷道冲击失稳的三维准静态模型及突出范围判定方法。金洪伟等通过数学模型分析岩壁应力卸载的传播规律,认为冲击地压中的层裂破坏主要由卸载波的反射叠加作用引起,煤与瓦斯突出则受高压瓦斯影响。尽管试验、数值模拟及理论研究取得诸多成果,但煤岩动力学理论仍有不足,需进一步探索新途径以完善理论体系。
针对煤层的各向异性和地基非均质性,研究者引入精细数值计算方法。杨有贞等将哈密顿系统辛空间算法应用于层状地基。杨仁树等解析研究层状岩体底板力学模型及应力分布。但传统模型忽略横向剪切力,难以准确反映煤岩体的复杂变形与破坏。孙建和胡洋利用重三角级数与最小势能原理简化矩形薄板弯曲分析,揭示应力分布差异。钟阳等采用辛几何方法求解矩形薄板自由振动。黄伟江等基于Hamilton型拟变分原理分析弹性梁动力响应。
基于哈密顿体系和有限元法,建立了层状煤岩体的力学模型,首次将Hamilton体系引入煤岩冲击损伤理论研究。通过构造层间传递矩阵函数,确保应力位移的连续性和能量守恒,采用时间子域插值函数,建立了动态响应的迭代计算公式,分析静、动载荷作用下层状煤岩体的力学传递路径及损伤模式,深入探讨煤/岩爆发生过程中的力学机制,为煤/岩爆动力现象的预测、预防以及安全开采提供了理论依据。
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