小研巷道圍巖層裂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

　　1 引言

　　煤礦沖擊礦壓是典型圍巖體失穩(wěn)動(dòng)力災(zāi)害現(xiàn)象之一，它對(duì)煤礦的安全生產(chǎn)有很大的危害。概括說來，沖擊礦壓是指礦井采掘空間周圍巖體在高應(yīng)力作用下局部失穩(wěn)，彈性應(yīng)變能突然釋放，使煤或巖體向采掘空間拋射的一種動(dòng)力破壞現(xiàn)象。進(jìn)入20 世紀(jì)80 年代初，由沖擊礦壓發(fā)生事故資料分析發(fā)現(xiàn)，沖擊礦壓發(fā)生于高壓應(yīng)力集中區(qū)域，并且往往是由于與巷道自由表面平行的裂紋擴(kuò)展造成的。大量研究表明裂紋的擴(kuò)展方向受最大壓應(yīng)力方向控制，事實(shí)上這些裂紋是由于巷道開挖以及煤(巖)體內(nèi)原存缺陷生成的次生裂紋，且自由表面對(duì)裂紋擴(kuò)展的影響是非常重要的。

　　在巷道開挖以及煤礦開采過程中，巷道圍巖應(yīng)力由于開挖而重新分布，巷道附近壓應(yīng)力集中，在巷幫自由壁面附近的圍巖內(nèi)部將形成與壁面平行的貫穿型裂紋，裂紋使得巷道附近巖體開裂，形成板狀劈裂，并最終在巷幫自由表面附近出現(xiàn)與圍巖剝離的巖層，在近巷道壁圍巖中形成巖板結(jié)構(gòu)，這些板狀結(jié)構(gòu)就稱為層裂板結(jié)構(gòu)。巷道圍巖在外部載荷作用下形成層裂板結(jié)構(gòu)以后，如果層裂板結(jié)構(gòu)繼續(xù)承受外部載荷的作用，那么層裂板結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)生屈曲，繼而巷道圍巖發(fā)生失穩(wěn)，沖擊礦壓現(xiàn)象隨之發(fā)生。在層裂板結(jié)構(gòu)形成后，圍巖穩(wěn)定性可由板的穩(wěn)定性來分析。代寫第一范文網(wǎng)提供大量電子商務(wù)畢業(yè)論文，如有業(yè)務(wù)需求請(qǐng)咨詢網(wǎng)站客服人員！

　　2 巷道圍巖層裂板結(jié)構(gòu)的形成（a）、（b）、（c）

　　分別表示表示巷道附近煤體受壓狀況、煤壁附近單元體的受力狀況以及滑移裂紋模型。在煤壁附近存在高應(yīng)力集中區(qū)，由于節(jié)理切割或缺陷的影響，煤體中存在大量的次生裂紋。由于損傷的存在將在局部造成各向異性，在缺陷局部形成張應(yīng)力集中，使得缺陷邊緣沿最大壓應(yīng)力方向產(chǎn)生張性翼裂紋。

　　由于巷道附近的圍巖內(nèi)存在大量的裂紋，巷道圍巖均處于一定壓力的地應(yīng)力場(chǎng)中，圍巖中應(yīng)力波擾動(dòng)作用后形成的裂紋，當(dāng)拉應(yīng)力增長至巖石材料的抗拉極限時(shí)，促使裂紋沿應(yīng)力高的方向發(fā)展；當(dāng)應(yīng)力波傳播到裂紋處，引起應(yīng)力場(chǎng)的變化，特別是在裂紋尖端處，產(chǎn)生畸變，應(yīng)力驟然增加。

　　根據(jù)斷裂力學(xué)知識(shí)，可以得到圖（c）模型的裂紋擴(kuò)展臨界壓應(yīng)力：

　　層裂結(jié)構(gòu)的形成，使巷幫圍巖的側(cè)向剛度明顯下降，從而導(dǎo)致圍巖向巷道自由空間的變形迅速加劇，巷幫圍巖的側(cè)向剛度的下降極易造成層裂結(jié)構(gòu)的側(cè)向屈曲失穩(wěn)，從而誘發(fā)巷道沖擊礦壓的發(fā)生。

　　3 層裂板結(jié)構(gòu)的靜力穩(wěn)定性

　　對(duì)于層裂板在靜載荷作用下的研究，主要是研究層裂板失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷值，模型如圖3 所示，邊界條件取兩種極限情況考慮。國內(nèi)外的許多著作中對(duì)于臨界值的求解有很多方法，本文主要采用的能量法進(jìn)行求解

　　3.1 層裂板結(jié)構(gòu)的總勢(shì)能

　　3.2 層裂板的臨界曲屈載荷能量法的主旨思想是求得力在系統(tǒng)中的應(yīng)變能以及力在系統(tǒng)中所做的功，如果二者相等，那么系統(tǒng)處在臨界狀態(tài)，此時(shí)作用在系統(tǒng)中載荷就是系統(tǒng)發(fā)生突變的臨界載荷。

　　盡管邊界條件不同，但是兩臨界載荷與系數(shù)之間的關(guān)系曲線的趨勢(shì)是相同的。對(duì)于任意一個(gè)k1，隨著k2 的增加，層裂板的臨界載荷受k2 的影響逐漸減小，最后趨于一個(gè)穩(wěn)定的值；對(duì)于任意一個(gè)k2，隨著k1 的增加，臨界載荷逐漸減小，此時(shí)，層裂板越容易失穩(wěn)，也即構(gòu)造應(yīng)力越大，層裂板結(jié)構(gòu)越容易失穩(wěn)，沖擊礦壓發(fā)生的概率也更大。

　　3.4 層裂板結(jié)構(gòu)臨界載荷估計(jì)的補(bǔ)充說明

　　實(shí)際情況的巷道圍巖所處外部環(huán)境和應(yīng)力狀態(tài)時(shí)很復(fù)雜的，當(dāng)其產(chǎn)生層裂板結(jié)構(gòu)之后，板的邊界條件并不是單純的上述兩種情況。但是，經(jīng)過分析可以近似的簡化其邊界條件，認(rèn)為實(shí)際情況下巷道圍巖層裂板結(jié)構(gòu)形成以后，板的邊界條件介于上述兩種邊界條件之間。

　　比較（13）、（14）可以看出： y1 y 2 σ <σ 。所以在實(shí)際的情況中可以近似的認(rèn)為層裂板結(jié)構(gòu)的臨界載荷為：

　　y1 y y2 σ ≤σ ≤σ在工程實(shí)際中，考慮安全因素，所以建議實(shí)際過程中取層裂板結(jié)構(gòu)的臨界載荷為：

　　y y1 σ ≤σ4 層裂板結(jié)構(gòu)的動(dòng)力穩(wěn)定性對(duì)于層裂板結(jié)構(gòu)在周期動(dòng)載荷下的失穩(wěn)，主要是根據(jù)層裂板結(jié)構(gòu)的馬奇耶—希拉方程式，來確定其動(dòng)力不穩(wěn)定區(qū)，從而對(duì)于動(dòng)力擾動(dòng)下巷道圍巖的穩(wěn)定性有一定的預(yù)測(cè)[9]。對(duì)于層裂板結(jié)構(gòu)的動(dòng)力穩(wěn)定性，邊界條件同樣取與分析靜力穩(wěn)定性一樣兩種極限情況考慮。

　　4.1 層裂板結(jié)構(gòu)

　　馬奇耶—希拉方程有的不穩(wěn)定區(qū)中，第一不穩(wěn)定區(qū)的范圍最大，對(duì)問題的影響最明顯，實(shí)際工程也最危險(xiǎn)，也具有最大的實(shí)際意義，這個(gè)區(qū)域成為主要?jiǎng)恿Σ环�(wěn)定區(qū)。研究發(fā)現(xiàn)，無限增長的區(qū)域被具有周期t 及2t 的周期分割開來，周期相同的兩個(gè)解所包圍的是不穩(wěn)定區(qū)，而周期不同的兩個(gè)解包圍著穩(wěn)定區(qū)域。

　　由式表明，層裂板結(jié)構(gòu)動(dòng)力不穩(wěn)定區(qū)域邊界與層裂板結(jié)構(gòu)的自身頻率、承受擾動(dòng)載荷有密切的關(guān)系。當(dāng)層裂板結(jié)構(gòu)固有頻率一定，則層裂板結(jié)構(gòu)動(dòng)力不穩(wěn)定區(qū)等邊界取決于層裂板縱向擾動(dòng)載荷的大小；同理，當(dāng)縱向載荷幅值確定時(shí)，層裂板不穩(wěn)定區(qū)域隨周期性載荷幅值的增大而擴(kuò)張。對(duì)于主要不穩(wěn)定區(qū)尤為明顯。

　　上圖是關(guān)于 ~2θ μω的曲線，從圖上可以看出，動(dòng)力不穩(wěn)定區(qū)域的寬度隨著區(qū)域號(hào)碼的增加而迅速減小，具有最大寬度的為主要不穩(wěn)定區(qū)域。隨著μ 的增大，層裂板結(jié)構(gòu)的動(dòng)力不穩(wěn)定區(qū)域的邊界隨之增大，在0≤μ≤0.8范圍內(nèi)，當(dāng)μ= 0.8時(shí)，主要?jiǎng)恿Σ环�(wěn)定區(qū)達(dá)到最大，外載擾動(dòng)頻率位于動(dòng)力不穩(wěn)定區(qū)域等可能性最大，層裂板屈曲失穩(wěn)的可能性也最強(qiáng)，沖擊礦壓發(fā)生的概率也最大。

　　4.3 層裂板結(jié)構(gòu)動(dòng)力不穩(wěn)定

　　區(qū)估計(jì)的補(bǔ)充說明與靜力分析情況相同，認(rèn)為實(shí)際情況下巷道圍巖層裂板結(jié)構(gòu)形成以后，板的邊界條件介于上述兩種邊界條件之間。

　　但是通過分析，可以得到，兩種情況下的動(dòng)力不穩(wěn)定區(qū)的表達(dá)式在形式上是相同的，不同的只是其臨界值的大小，因此可以將式（21）作為實(shí)際情況下的不穩(wěn)定區(qū)作為參考。

　　5 結(jié)論

　　本文所研究針對(duì)巷道圍巖層裂板結(jié)構(gòu)受力特征，在彈性力學(xué)、板殼理論、彈性穩(wěn)定理論的基礎(chǔ)上，將層裂板結(jié)構(gòu)簡化為薄板進(jìn)行研究，通過對(duì)巷道圍巖層裂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的分析，得到了下列結(jié)論：

　　（1）在系統(tǒng)分析巷道圍巖變形及破壞特征的基礎(chǔ)上，建立了巷道煤幫層裂板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析的力學(xué)模型，并從理論上分析了巷道煤幫層裂板結(jié)構(gòu)的形成機(jī)理，由實(shí)驗(yàn)研究及數(shù)值模擬結(jié)果展示了巷道煤幫層裂板結(jié)構(gòu)的存在性；

　　（2）用彈性穩(wěn)定性理論，建立了巷幫層裂板結(jié)構(gòu)的靜力穩(wěn)定性方程，分析給出了層裂板結(jié)構(gòu)的靜力失穩(wěn)模態(tài)和失穩(wěn)臨界載荷；應(yīng)用彈性體系的動(dòng)力穩(wěn)定性理論，建立了層裂板結(jié)構(gòu)在擾動(dòng)載荷作用下的馬奇耶—希拉方程，得到了層裂板結(jié)構(gòu)的動(dòng)力不穩(wěn)定區(qū)域及分布特征，給出了引起層裂板結(jié)構(gòu)動(dòng)力失穩(wěn)的主要因素；

　　（3）針對(duì)實(shí)際情況，補(bǔ)充說明了在具體工程中文中理論的應(yīng)用條件和范圍，對(duì)實(shí)際工程有一定的參考價(jià)值。