基于煤岩结构面承载损伤下动载的波扰机理研究

Side abutment stress, front abutment stress and dynamic stress induced from the movement of the overlying rock stratum make the local coal and rock in the superposition bearing state of static and dynamic load. Prediction of the dynamic stress distribution in the abutment stress field is a way to determine the underground roadway layout and surrounding rock control and solve the dynamic disasters in coal-rock engineering. In this project, the relevant research has been conducted by using indoor experiment, analytical analysis, numerical analysis and industrial test, including following aspects: 1) a damage constitutive model for coal-rock structure plane with high strain rate is developed and the deformation and failure characteristics of the structure plane with dynamic load is investigated; 2) the propagation and attenuation analytical model of dynamic stress wave in the coal-rock structure plane is constructed and the effects of the abutment stress, the structure plane properties, the coal-rock medium properties and incident wave parameters on the propagation and attenuation of the dynamic stress wave are investigated, which exposes the azimuthal change and the intensity attenuation of the dynamic stress wave in the structure plane; 3) the pre-warning algorithm of the dynamic load coefficient is developed to calculate the wave mechanism of the roof’s dynamic load in the coal and rock stratums based on the aforementioned results, which is helpful to expose the tomography of the dynamic stress coefficient and determine the roadway layout method in the dynamic load wave field.

采动覆岩运动产生侧向支承应力、超前支承应力及动载应力，使局部煤岩体处于动静载叠加承载状态，而预测支承应力场内动载应力的分布规律是指导井下回采巷道布置与巷道围岩控制、解决煤岩体工程动力灾害的有效途径之一。为此，本课题采用室内实验、理论分析、数值分析和工业性试验等方法，开展以下研究：1）建立加载过程煤岩结构面的高应变率损伤本构模型，揭示动载波扰煤岩结构面的变形破坏规律；2）建立煤岩结构面内动载应力波的传播衰减解析模型，研究支承应力、结构面属性、煤岩介质属性以及入射波参数对动载应力波传播衰减的作用规律，揭示结构面内动载应力波的方位变化和强度衰减规律；3）结合上述研究内容，开发顶板型动载波扰煤岩体的动荷系数预警算法，揭示动荷系数层析成像分布规律，确定动载波扰区域的巷道布置方法。

为了预测支承应力场内动载应力的分布规律，有效解决井下回采巷道布置与巷道围岩稳定控制问题，本项目以应力波传播为主线，综合采用室内实验、理论分析、数值分析和工业性试验等方法，建立了加载过程煤岩结构面的高应变率损伤本构模型，揭示了动载波扰煤岩结构面的变形破坏规律；建立了煤岩结构面内动载应力波的传播衰减解析模型，研究了支承应力、结构面属性、煤岩介质属性以及入射波参数对动载应力波传播衰减的作用规律，揭示了结构面内动载应力波的方位变化和强度衰减规律；开发了顶板型动载波扰煤岩体的动荷系数预警算法，揭示了动荷系数层析成像分布规律，确定了动载波扰区域的巷道布置方法。经过三年的团队合作与不懈努力，项目组累计发表与项目相关的学术论文15篇，其中，SCI收录10篇，EI收录4篇，本项目第一标注6篇。项目负责人以第一发明人授权国家发明专利4项，实用新型专利5项，出版学术专著1部，获批软件著作权2项，获得科技奖励4项。具体成果如下：（1）构建了煤岩结构面的数字模型，塑造了煤岩结构面的微凸起模具，建立了煤岩结构面相似物理模型。（2）确定了应力波透射系数与试样轴压和结构面倾角的定量关系，获得了煤岩结构面的承载损伤本构模型，揭示了采动煤岩结构面的变形破坏特征。（3）建立了采动附加应力作用下煤岩体微单元承载力学模型，获得了煤岩结构面两侧介质密度与附加应力的关系，求解了应力波倾斜入射煤岩结构面的临界入射角和方位变化角。（4）建立了煤岩结构面承载力学平衡方程，推演了应力波透射煤岩结构面的多参数迭代方程，获得了应力波透射煤岩结构面的透射系数、影响因素及其影响规律。（5）建立了煤系地层非连续层状介质数字模型，获得了应力波透射煤岩体的数学衰减模型，揭示了应力波透射典型煤体、岩体的衰减系数。（6）开发了邻空煤巷动载响应阈值求解算法，建立了采动动荷系数层析成像预警技术，确定了动静载叠加作用下邻空巷道布置方法。

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