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齐庆新研究员:冲击地压应力流理论及其数值实现

2022-09-16    来源:时时采彩下载苹果APP注册 作者:时时采彩计划手机版

  完善了冲击地压应力流理论,指出应力流在时间上表征了应力率,在空间上表征了应力梯度,提出了应力流张量与应力流矢量的概念及计算公式,指出应力流张量描述了不同位置、不同时刻应力的流动趋势,而应力流矢量总是与应力梯度增量方向相同。通过单轴压缩试验,发现应力流矢量方向与试样破坏变形方向较为吻合,初步验证了应力流与岩体开裂破坏的内在相关性,并探讨了工程现场的应力流监测方法。

  2010年至今,我国累计发生冲击地压事故25起,造成119人死亡、108人受伤,随着我国煤炭资源深部开采的常态化,具有应力敏感特征的冲击地压将成为对煤矿安全生产威胁最为显著的灾害。虽然冲击地压具有发生突然和破坏剧烈的特征,但从原岩应力状态演化至最终灾害发生,显然需要孕育过程,而弄清楚冲击地压孕灾过程对于其科学防控具有重要意义。

  应力作为常规物理量,被广泛地用来描述工程尺度的一些矿压现象。然而,现场可测的“应力”往往依赖于介质的变形,由此使得该物理量的获得只能依赖于接触式测量,进而制约了其所能描述的空间范围。而受限于应力空间分布状态测量手段的缺乏,对于工程尺度应力状态的描述也多停留在概念层面,如应力集中、应力转移等,对于上述概念的相关性质也尚未给出进一步的定量研究。应力作为控制冲击地压的直接物理量,对其集中、转移等性质进行定量描述,对于深化工程尺度应力状态的认知,指导新型应力监测装备的研发,实现冲击地压的量化防控都有着至关重要的作用。 为此,笔者提出了应力流的概念,用以描述煤岩体应力在时间和空间上的变化,从而为煤岩体应力转移、冲击地压孕灾机制等研究提供载体。应力本身是材料的一种状态,但应力流刻画了材料在未来的变形破坏趋势。类比于水势和电势控制了水流和电流的运动方向,应力流也描述了应力的“势”,由于“势”的存在导致了“流”的发生。当应力流经介质并达到某个临界值或具备某些特性时,煤岩体可能发生不可逆的破坏。从这个意义上说,应力流与材料变形破坏有内在相关性。

  对于应力与岩体破坏的关系,一直是研究的重点,ADYNA等、SELLERS和KLERCK针对隧道围岩开挖,认为应力重分布是导致围岩破坏的根本原因;左建平等认为深部围岩开挖后,巷道周边应力重分布形成的应力梯度是导致围岩发生破坏的一个非常重要的因素。然而,无论是应力重分布还是重分布形成的应力梯度,都是一种结果性表述,形成对应结果显然都涉及到应力状态的变化过程。对于工程现场而言,研究冲击地压的目的是对其实现有效防控,而有效防控的理想状态是“预防为主,防患未然”,结果性表述能够给出类似于危险等级的认知,而有效防控则需要获得形成危险的过程细节,以支持措施参数和介入时机的合理选择,应力流正是针对这一切实需求而提出的过程描述参量。

  冲击地压作为应力敏感型动力灾害,具象化地描述应力在煤岩介质中的空间流动特征,对于冲击地压科学评价与防控具有重要意义。为此,完善了冲击地压应力流理论,指出应力流在时间上表征了应力率,在空间上表征了应力梯度,提出了应力流张量与应力流矢量的概念及计算公式,指出应力流张量描述了不同位置、不同时刻应力的流动趋势,而应力流矢量总是与应力梯度增量方向相同。

  理论推导表明应力流越大的区域,应力强度因子变化越大,材料可能更易发生断裂破坏。在非线性有限元程序中开发了应力流矢量计算程序,实现了应力流的可视化,通过数值分析还原了单轴压缩试验、单煤层常规开采条件下的动态应力状态,计算结果表明:

  岩石单轴压缩过程中,应力流矢量呈近水平分布,向外发散;常规开采过程中,垂直方向应力流较大,由顶底板岩层指向中间煤层,水平方向应力流主要指向工作面前方,当开挖距离增大,采空区附近应力梯度明显增大,应力流矢量分布区随工作面前移。

  通过单轴压缩试验,发现应力流矢量方向与试样破坏变形方向较为吻合,初步验证了应力流与岩体开裂破坏的内在相关性。最后探讨了工程现场的应力流监测方法。研究成果有望为煤矿冲击危险性定量评价与差异化防治措施制定提供直观的认知形式和实用的理论工具。

  齐庆新,吉林长春九台人,研究员,博士生导师,煤炭科学研究总院有限公司深部开采与冲击地压防治研究院院长,中国煤炭科工集团一级首席科学家,国家百千万人才工程国家级人选,中国科学技术发展基金会孙越崎“青年科技奖”获得者,享受国务院政府特殊津贴,国家煤矿安全专家委员会委员,中国岩石力学与工程学会理事,中国煤炭学会煤矿动力灾害防治专委会副主任委员、岩石力学与支护专业委员会委员,全国青年联合会海外留学人员联谊会委员,创新方法研究会技术创新方法专业委员会,国家奖评审专家,国家“653”工程采煤工程专业领域首席专家。主持/参加国家科技攻关项目、国家科技支撑项目、国家重点研发计划项目、国家”973”课题、国家自然科学基金项目等各类纵向项目50余项和横向项目100余项,主持制订“煤和岩石物理力学性质测定方法”、“冲击地压测定、监测与防治方法”等国家标准30余项,“冲击地压预测与防治”、”煤矿冲击地压预测与防治成套技术”等成果获国家攻关奖1项、国家科技进步二等奖3项和省部级科技进步奖一二三等奖10余项,发表论文100余篇,出版专(译)著《冲击地压理论与技术》等9部。

  主要从事冲击地压、矿山压力与岩层控制、采煤方法、岩石力学、煤矿安全等理论、技术与仪器的研究与开发

  (1)提出的冲击地压“煤岩层结构破坏理论”和“三因素”理论,完善和丰富了冲击地压发生机理,对指导我国煤矿冲击地压的防治起到了积极的作用;(2)提出并成功开发出能够有效监测矿压、预测冲击危险性的采动应力监测系统,已成功在冲击地压矿井应用,有效地指导了冲击地压预测与防治;(3)在世界范围内首次完成煤的单轴直接拉伸实验并获得不同加载条件下的全应力-应变曲线,在此基础上提出建议“煤力学”的思想;(4)在采动煤岩应力场、裂隙场与瓦斯流动场及其耦合研究方面,创造性地进行了现场条件下煤体渗透性的SF6示踪气体观测,提出了煤体渗透率现场测定新方法,指导了煤矿瓦斯抽放技术的实施;(5)提出了冲击地压的应力控制理论,揭示了冲击地压的发生实质,为冲击地压的防治提出具体的理论与方法;(6)开发成功自震式微震监测系统、煤岩动态破坏试验装置等,提高了冲击地压、煤与瓦斯突出等矿井动力灾害的研究能力和现场监测精度。

  齐庆新,王守光,李海涛,等. 冲击地压应力流理论及其数值实现[J]. 煤炭学报,2022,47(1):172-179.