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声明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 ． 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名至亟 日期 p 肟．／．罗 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括①学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；②学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； ③学校可允许学位论文被查阅或借阅；④学校可以学术交流为目的， ， 复制赠送和交换学位论文；⑤学校可以公布学位论文的全部或部分内 容 保密学位论文在解密后遵守此规定 。 签名 墨当日期竺丛笸墨 导师酶缉．兰烃一日期丝[ ￡．兰卫_ 一 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 基于纤维束模型的煤矿巷道围岩变形稳 摘要 近十年我国在煤矿领域的死亡人数已经大大减小，但离我们的预期结 果还非常远。煤矿事故中顶板冒落、片帮所占的比重很大，这是巷道围岩 变形、恶化的结果。巷道变形失稳一方面影响井下人员安全，另一方面严 重影响煤矿正常生产进行。 本文研究分析了现在的围岩变形理论及其维护方面的方法，针对这些 理论的不足之处，提出了应用于煤矿巷道变形稳定性的纤维束模型。前人 的理论为煤矿安全生产做出了巨大的贡献，但是这些成果几乎都是从实践、 实验得到的宏观数据，如地压、位移、支护变形，从这些数据假设出模型， 尽量使得所假设提出的模型符合所观测到的结果。但是这些方法有一定的 局限性，那就是它们对岩体内部的微观变形、破裂发展过程不清楚，因此 对微观方面相关的岩石变形破坏机理研究就存在一定的盲区。岩石在受力 情况下，内部产生微裂隙损伤的瞬态孕育或原生裂隙扩大，岩石宏观的破 坏无非就是这些微损伤的不断扩大、相互融合。整体破坏都是从破坏的一 个点或者一些点逐渐扩大，形成面的破坏；即便是初始的微弱面，在更大 的尺度上也可以看成是一个点。由此，我们提出针对岩石特性的纤维束模 型。 分析了巷道围岩分类方法、岩石线性蠕变模型等，用于指导纤维束建 模。为了保证纤维束建模的科学性和实用性，对围岩分类方法应用的理论 支持、分类细致程度和分类实用性程度等多个角度进行了分析评价。对岩 石线性蠕变模型进行了说明，总结其应用方式，并对其中的岩石变形线性 粘弹性蠕变进行理论分析。改变线性模型中一些参数形成纤维束单根纤维 模型的基础。 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 对于整个纤维束来说，一个纤维就是微观的，利用计算机的计算能力， 我们可以对每个纤维进行不同的参数赋值并对整个纤维束进行破坏模拟分 析。本论文中的模拟都是通过是M A T L A B 软件进行。纤维束模型的一个重要 优点是形态简单直观易懂，便于进行计算机计算。也由于这个模型的简单， 我们可以更好的看到这个模型在变化的时候几乎所有细节，以此更好的推 断岩石的特性，比如微破坏到整体破坏的量变到质变规律，又如微破坏过 程中涉及的能量释放分析。这都是进行纯理论分析与宏观模型分析所不具 备的优点。 根据岩石的抗拉抗压强度、蠕变、泊松比、结构组成等参数的变化， 把纤维束模型分为连续损伤纤维束模型和多线性纤维束模型，这两个模型 区别是单根纤维的本构曲线。本文重点是对多线性纤维束模型进行计算机 模拟。分析了纤维束模型中的最大衰变次数、衰变系数等参数的研究要点。 模拟分析了最大衰变次数、衰变系数对纤维束的本构关系、雪崩尺寸的影 响。分析了这些参数与岩石变形、稳定性方面的关系。 通过模拟建立了纤维束模型本构曲线与岩石变形的关系，建立了雪崩 尺寸与岩石声发射、围岩灾变的关系。利用最大衰变次数和衰变系数作为 变量模拟研究围岩变形和雪崩效应。围岩变形与衰变次数呈负相关，与衰 变系数呈正相关。雪崩尺寸都服从幂率定律，且衰变系数对幂指数的影响 大，最大衰变次数对幂指数的影响很小，并分析了原因。这些都有助于人 们对煤矿巷道围岩变形稳定性进行分析、监测预报工作。 关键词煤矿巷道，围岩，纤维束模型，变形破坏，稳定性 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 S T U D YO ND E F O R M A T I O NA N DS 1 - A B I L I T YO F S U R R O U N D I N GR O C KI NC O A LM I N ER O A D w A Y B A S E DO NF I B E RB U N D L EM O D E L A B S T R A C T O u r c o u n t r yh a sm u c hs m a l l e rn u m b e ro f d e a t h si nr e c e n tt e ny e a r s ，b u tw e a r es t i l lf a ra w a yf r o mt h eg o a l ．A m o n ga l lt h ec o a lm i n ea c c i d e n t s ，r o o fc a v i n g a n ds i d e f a l l i n g a c c o u n tf o ral a r g e p r o p o r t i o n ，w h i c ha r e t h er e s u l t so f d e f o r m a t i o na n dd e g r a d a t i o no fs u r r o u n d i n gr o c k si nr o a d w a y ．D e f o r m a t i o no f r o a d w a yi sat h r e a tt ot h es a f e t yo fw o r k e r sa n dh a ss e r i o u si m p a c to nn o r m a l p r o d u c t i o n ． O nt h eb a s i co fa n a l y z i n ge x i s t i n gt h e o r i e sa n dm e t h o d so fs t u d y i n g s u r r o u n d i n gr o c kd e f o r m a t i o n ， W ef o u n ds o m es h o r t c o m i n g so ft h e ma n d p r o p o s e af i b e rb u n d l em o d e la p p l y i n gt ot h e s t u d yo fd e f o r m a t i o no f s u r r o u n d i n gr o c k ．T h ee x i s t i n gt h e o r i e sh a v em a k eag r e a tc o n t r i b u t i o nt oc o a l m i n es a f e t yp r o d u c t i o n ，w h i l et h e ya r ec o m ef r o me n g i n e e r i n gp r a c t i c ea n d e x p e r i m e n ti nt h el a b o r a t o r y , s u c ha ss t r a t ab u m p i n g ，d i s p l a c e m e n ta n ds u p p o r t d e f o r m a t i o n ，a n df r o mw h i c hr e s e a r c h e r sg e td a t at oc o m eu pw i t ha l lk i n d so f t h e o r i e sa n dm e t h o d st oi n t e r p r e tt h ep h e n o m e n a ．H o w e v e rt h e o r i e sh a v eaf e w l i m i t a t i o n s ，s i n c et h e yc a n n o tg e tt h ed e t a i l so fi n t e r i o rm i c r o s c o p i cd e f o r m a t i o n a n dt h ep r o c e s so ff r a c t u r e ，t h u st h e ya r en ov e r yc l e a ra b o u tt h em i c r o l e v e l m e c h a n i s m ．W h e nu n d e rs t r e s s ，r o c k sw i l l g e n e r a t ei n h e r e n tm i c r o - l e v e l d a m a g e sa n df i s s u r e st r a n s i e n t l y , a n dt h ep r e - e x i s t i n gf r a c t u r e se n l a r g et h e i r s c a l e ．T h em a c r o s c o p i cf a i l u r ee v o l u t i o np r o c e s s e sa r et h er e s u l t so fe n l a r g e m e n t a n dm e r g e n c eo fm i c r o l e v e lm e c h a n i s m ．T h e nW ek n o wt h a tm a c r o s c o p i c f a i l u r eb e g i n sf r o mo n eo raf e wp o i n t sw h i c hd e v e l o pi n t oaf a c e ．E v e nas m a l l l I l 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 f a c ei nt h eb e g i n n i n gc a nb er e g a r d e da sap o i n t ．F o rt h e s er e a s o n s ，w es t u d ya n d s i m u l a t eaf i b e rb u n d l em o d e lt ol e a r nt h ep r o c e s so fr o c kd e f o r m a t i o na n d b r e a k i n g ． F o it h e m o d e l i n go ff i b e rb u n d l e ，w ea n a l y z et h e c l a s s i f i c a t i o n so f s u r r o u n d i n g r o c ko fr o a d w a yw h i c hi n c l u d e s i n g l e i n d e x a n dm u l t i - i n d e x c l a s s i f i c a t i o n s ．T h e nw ea s s e s st h o s ec l a s s i f i c a t i o n sf r o mt h ep e r s p e c t i v eo f t h e o r ys u p p o r t s ，l e v e l so fd e t a i la n dp r a c t i c a b i l i t y f o rt h es c i e n t i f i c i t yo f c l a s s i f i c a t i o n ．L i n e a rc r e e pm o d e lo fr o c k sa r ei n t r o d u c e d ，s u m m a r i z i n gi t s a p p l i c a t i o n ，a n dw em a k es o m et h e o r e t i c a la n a l y s e so f l i n e a rv i s c o e l a s t i cc r e e p o fr o c ka n dp a r a m e t e r sa r em o d i f i e dt os e tt h ef o u n d a t i o no fas i n g l ef i b e r m o d e l ． C o m p a r e dt ot h ew h o l ef i b e rm o d e l ，as i n g l ef i b e rm o d e li sm i c r o c o s m i c ． U s i n gt h ec o m p u t e r s ，w eg i v ee v e r ys i n g l ef i b e rd i f f e r e n tp a r a m e t e r sa n dm a k e s i m u l a t i o na n a l y s i so ft h ew h o l ef i b e rb u n d l em o d e l ．O n ei m p o r t a n ta d v a n t a g e o ft h i sm o d e li st h a ti ti se a s yt ou n d e r s t a n da n db ea n a l y z e db yc o m p u t e r s ，S O w ea r ea b l et ol e a r na l m o s te v e r yd e t a i l ．T h e r e f o r e ，w ec a nb e t t e ru n d e r s t a n d r o c kp r o p e r t i e s ，s u c ha st h el a wo ff o r mq u a n t i t a t i v ec h a n g et oq u a l i t a t i v e c h a n g ea n de n e r g yr e l e a s ed u r i n gt h ep r o c e s so f r o c kb r e a k i n g ．T h i sa d v a n t a g e d o e sn o te x i s ti np r e v i o u sm e t h o d s ． B a s i n go nt h ep a r a m e t e r so fr o c kl i k et e n s i l ea n dc o m p r e s s i v es t r e n g t h s ， c r e e p ，a n dP o i s s o n ’Sr a t i ot oi n t r o d u c et w ok i n d so ff i b e rm o d e l s ，c o n t i n u u m d a m a g ef i b e rb u n d l em o d e la n dm u l t i - l i n e a rf i b e rb u n d l em o d e l ．T h em a i n d i f f e r e n c eb e t w e e nt h e mi st h ec o n s t i t u t i v ec u r v eo fs i n g l ef i b e r ．W eh a v ea p r e l i m i n a r yt h e o r e t i c a la n a l y s i s t ot h ef o r m e ra n dam u c hc l o s ec o m p u t e r s i m u l a t i o nt ot h el a t t e r ．I nt h i sw o r k ，w ei n t e r p r e tt h ec o n c e p t so fb i g g e s t r e d u c t i o nt i m e s ，r e d u c t i o nc o e f f i c i e n to fY o u n g ’Sm o d u l u sf o rt h i ss t u d y ．B y c o m p u t e rs i m u l a t i o n ，t h er e l a t i o n s h i p so ft h o s ec o n c e p t sa n dt h ec o n s t i t u t i v e c u r v e ，t h ea v a l a n c h es i z eo ft h ef i b e rb u n d l em o d e la r ea n a l y z e d ．T h e nw e i l l u s t r a t eh o wt h o s ew o r k sw i l lh e l pi nt h es t u d yo fs u r r o u n d i n gr o c k T V 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 d e f o r m a t i o na n ds t a b i l i t y ． 1 1 1 er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc o n s t i t u t i v ec u r v eo ff i b e rb u n d l ea n dr o c k d e f o r m a t i o na n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e na v a l a n c h es i z ea n da c o u s t i ce m i s s i o n ， d e t e r i o r a t i o no fs u r r o u n d i n gr o c ka r ee s t a b l i s h e d ．W ef i n dt h a td e t e r i o r a t i o nh a v e an e g a t i v ec o r r e l a t i o nw i t hK i i l a xa n dap o s i t i v ec o r r e l a t i o nw i t ha ．A v a l a n c h e s i z eh a sa p o w e rl a w , w h i c h i sm o r es e n s i t i v et oa ．A l lt h o s ew o r k sw i l lh e l pt h e a n a l y s i sa n d m o n i t o rd e f o r m a t i o no fr o c ki nt h ec o a lm i n e ． K E Y W O R D S c o a lm i n er o a d w a y , s u r r o u n d i n gr o c k ，f i b e rb u n d l em o d e l ， d e f o r m a t i o na n df r a c t u r e ，s t a b i l i t y V 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 V I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 目录 第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 课题的研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 1 ．2 国内外巷道变形及维护研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．2 ．1 岩体破坏机理的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．2 ．2 巷道维护技术研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 1 ．3 问题的提出及意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 第二章巷道围岩变形及维护理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．1 围岩破坏机理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯13 2 ．1 ．1 弹塑性理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．13 2 ．1 ．2 岩性转化理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 2 ．1 ．3 轴变论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 2 ．1 ．4 流变理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 2 ．1 ．5 普氏平衡拱理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 4 2 ．2 巷道稳定监测技术研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯l8 2 ．3 巷道围岩稳定控制方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 2 ．4 锚杆支护理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 l 2 ．4 ．1 悬吊理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 2 ．4 ．2 组合梁理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 2 2 ．4 ．3 组合拱理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 2 ．4 ．4 围岩强化理论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 第三章纤维束模型研究内容分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．1 纤维束模型中的重要概念⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．2 纤维束模型中的研究重点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．2 ．1 纤维断裂阈值分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．2 ．2 纤维束的本构关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 3 ．2 ．3 纤维束的雪崩尺寸分布⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 3 ．3 纤维束模型应用研究介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 V l I 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 ．3 ．1 纤维束应变渐变模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 3 ．3 ．2 纤维增强复合材料⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 5 3 ．3 ．3 双成分纤维束模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 3 ．3 ．4 雪崩中的能量问题研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 3 ．3 ．5 拉伸纤维束的蠕变分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 3 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 第四章岩石蠕变模型及纤维束模型分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 l 4 ．1 岩石分类方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 4 ．1 ．1 单指标分类法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 l 4 ．1 ．2 多指标分类法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 4 ．1 ．3 围岩分类体系综合分析评述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 3 4 ．1 ．4 煤矿顶板分类研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 4 ．2 线性蠕变模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 4 ．2 ．1 线性元件的主要力学特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 4 ．2 ．2 岩石蠕变典型线性模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．51 4 ．2 ．3 岩石变形线性粘弹性蠕变分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 3 4 ．3 纤维束模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 4 ．4 对连续损伤纤维束模型的理论分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 4 ．4 ．1 连续损伤纤维束模型说明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 5 4 ．4 ．2 连续损伤纤维束本构关系的推导⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 6 4 ．5 多线性纤维束模型说明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 4 ．6 多线性纤维束本构关系的模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 4 ．6 ．1 最大衰变次数对本构关系的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 4 ．6 ．2 衰变系数对本构关系的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 2 4 ．7 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 第五章岩石声发射及纤维束雪崩过程的模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 5 ．1 岩石声发射产生研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 5 ．1 ．1 声发射的分类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 7 5 ．1 ．2 声发射信号的传播⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 9 5 ．1 ．3 声发射技术岩石稳定性监测预测应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 0 ，I I l 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 ．1 ．4 声发射特性的影响因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 1 5 ．2 纤维束断裂全过程的雪崩效应⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 5 ．2 ．1 最大衰变次数对雪崩效应的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 5 ．2 ．2 衰变系数对雪崩效应的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 5 5 ．3 纤维束断裂各阶段情形模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 6 5 ．4 各阶段雪崩效应的对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 9 5 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 第六章主要结论及展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 3 6 ．1 本文工作及结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 3 6 ．2 不足及展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 4 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 5 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 1 攻读硕士学位期间发表论文及申请专利⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～9 3 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 ．1 课题的研究背景 第一章绪论 我国煤炭储量巨大，全国大部分地区都有一定分布，每年还在勘探发现大量新的资 源，煤炭资源的探明储量在不断增加。传统的化石能源主要有煤炭、石油、天然气，尽 管从现阶段的使用技术来看，煤炭资源与石油、天然气资源相比对环境污染严重，但在 可预见的未来，煤炭资源作为我国一次能源主体这一现实不会变化。中国的社会、经济 发展离不开煤炭，相应的，煤炭开采就是一个需要不断发展的行业。我国绝大部分矿井 是井工开采，由于资源赋存条件差及技术发展阶段约束，我国的煤矿灾害严重，主要有 瓦斯、煤尘、水、火、地压灾害。井下开采危险因素多，在煤矿开采过程中，工作人员 稍有不注意，就有可能引发严重的安全生产事故。我国煤炭开采现状可以用“五多五差” 进行概括，“五多”为煤矿数量多、煤炭产量多、安全事故多、从业人员多、资源浪费 多；“五差“ 为资源赋存条件差、人员素质差、技术基础差、整体效应差、工作环境差。 虽然近年从国家层面到煤矿层面都在加强对安全生产的重视，国家相继出台了一系列加 强煤矿安全生产的法律法规，但煤矿行业作为我国一个规模庞大的基础行业，现状难以 马上扭转。我国的煤炭安全生产形势与国际上主要产煤国相比，还有很大差距，提升空 间是巨大的。 2 0 1 3 年全国煤炭总产量3 6 ．9 2 亿吨【l 】，煤炭产生共发生各类事故5 8 9 起，死亡1 0 4 9 人，分别同比下降2 4 ．4 ％和2 4 ．2 ％；煤矿百万吨死亡率为0 ．2 9 3 ，比上年下降2 1 ．7 ％。 2 0 1 4 年全国煤炭总产量3 5 ．9 9 亿吨，全国煤矿百万吨死亡率同比下降了1 2 ．2 ％，煤 矿事故发生数和死亡总数同比分别下降1 4 ．1 ％和1 3 ．4 ％，煤矿重特大事故同比分别降低 1 2 ．5 ％和1 0 ．5 ％，持续保持煤矿安全生产形势好转形势。 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 表1 ．12 0 0 4 - - - 2 0 1 3 年中国煤矿事故统计表 T a b l e1 1T h es t a t i s t i c a lc h a r to f c o a lm i n i n ga c c i d e n ti nC h i n af r o m2 0 0 4t o2 0 1 3 ●_ o _ _ _ _ _ _ _ _ l _ ■_ _ _ ■_ _ _ _ _ l _ l l _ I _ _ o I _ _ _ _ _ _ _ l _ - o l I ■●●●_ - ●●_ 一i m m I t ■■- _ ■I ●_ _ ●_ _ _ o _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ l ●■_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ l _ o I - ■_ _ - _ - _ l - - _ _ ■I - - ‘_ _ ●一 年份2 0 0 42 0 0 52 0 0 62 0 0 72 0 0 82 0 0 92 0 1 02 0 112 0 1 22 0 1 3 表1 - 22 0 0 2 - - 2 0 l1 年美国煤矿事故统计表 T a b l e1 - 3T h es t a t i s t i c a lc h a r to fc o a lm i n i n ga c c i d e n ti nA m e f i c a nf r o m2 0 0 2t o2 011 年份 2 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 62 0 0 72 0 0 82 0 0 92 0 1 02 0 11 表1 ．3 中美煤矿生产百万吨死亡率对比 T a b l e1 - 3C o m p a r eo f m o r t a l i v yr a t ep e rm i l l i o nt o n si nC h i n aa n dA m e d e a -■__■■_■■_●■■■●■■■●■■■■■■●_____-___●●____■__■■一m m ●_ _ ■■■■■■■■■■■■■■■■■●●■●_ ■●■■_ ●_ _ ■■●■●●●■■■■■■■■■■■■■■■■■■■●■■■●■■■●- ●●■■●●■■■■■■■■■一 2 0 0 42 0 0 52 0 0 62 0 0 72 0 0 82 0 0 92 0 1 0’2 0 11 从表1 ．1 、1 ．3 我们可以看到，中国的煤矿安全形势的总体趋势是在好转，但与美国 的差距还是非常明显。美国是世界上最发达的国家之一，但事实上，我国煤炭生产百万 吨死亡率也远高于南非、波兰、印度等发展中国家。这就意味着我国的煤矿安全生产形 势需要有彻底的改变，改善煤矿安全生产现状、降低煤炭行业死亡率刻不容缓。另外， 国外同行的数字也让我们对中国煤炭行业的改善更有了希望和目标。 矿井开采规模的增大和开采条件的恶化，井下开采所面临的地质条件也更加复杂， 具体为地应力高、地下水压高、围岩变形大、突水事故多发等，由此带来顶板管理和 ， 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 巷道支护等方面的许多问题，严重威胁了井下工作人员的生命安全，也在很大程度上影 响了煤矿高效高产。在各类煤矿安全事故中，顶板事故是我国最为严重的一项。从近年 来公布数据来看，顶板事故发生次数占煤矿全部事故的5 0 ％- 6 0 ％，顶板事故导致的死 亡人数占全部死亡人数的3 0 0 ／0 ．- , 4 0 ％。顶板事故发生率高，死亡人数多，多发生于掘进 工作面和巷道。在巷道掘进后，当两帮岩石为软岩 煤 时，在巷道顶部岩层压力下， 岩 煤 发生形变、破坏，向巷道内部发展，巷道宽度缩小，形成片帮事故。巷道开拓 之后，巷道底板所承受的压力急剧减小，在两帮支撑压力和地下水水理作用下，底板岩 石强度降低同时产生弹塑性形变，底板向上隆起，成为底鼓。巷道开挖，在不进行支护 的情况下，巷道高度变形量的三分之二以上是由底鼓产生的【2 】。多变的工程地质条件， 以及生产过程中的动载扰动作用，有的巷道会在两帮变形和底鼓下显现出“缩颈”，严 重情况下巷道失去基本功能乃至报废，损失巨大。 近十年以来对全国主要煤矿的统计表明，煤矿对巷道支护所支出的花费提高了十倍 左右，部分地质情况复杂的巷道会返修次数达到3 - - 4 次，总体返修率达到四成。在很多 情况下，巷道后续维护的花费会大于开拓花费。然而这种趋势难以改变，新世纪以来， 我国综采放顶煤技术得到大力推广，各地相继出现了亿吨级矿区、千万吨级矿井，一个 综采工作面的年产量达到8 M t ，有的已经超过1 0 M t 。单个工作面煤炭产量的大幅度提 高必然伴随着综采机械设备的大型化，巷道为了达到相匹配的运输、通风、行人能力， 井下巷道断面在不断扩大【3 1 。煤巷的跨度达到了6 m 以上，巷道断面达到了2 0 m 2 ；回采 巷道的跨度达到了5 m 以上，断面面积达到了1 5 ～2 0 m 2 。巷道尺度的不断扩大，使得围 岩受力更为复杂，使得巷道维护出现更多问题。 1 ．2 国内外巷道变形及维护研究现状 1 ．2 ．1 岩体破坏机理的研究现状 1 ．弹塑性理论 二十世纪五十年代以前，研究围岩的应力、应变和稳定性问题主要依靠弹性、弹塑 性理论。1 9 3 8 年，F e n n e r 在研究地下硐室的围岩的时候，利用M o h r - C o u l o m b 准则把围 岩简化为各项同性、各向等压的轴对称平面应变模型，基于这个简化的模型，他分析了 万方数据 太原理工大学硕士研究生学位论文 弹塑性“极限平衡’’条件下围岩的应力应变、支护效果与围岩应力和围岩强度的相互关 系。在典型的理想弹塑性模型以及岩石在破坏后体积不变的假设下，F e n n e r 和H ．K a s t n e r 推导出了地下洞室围岩的特性曲线方程，这就是H ．K a s t n e r 公式。他们的研究显示，地 下硐室可以通过充分发理围岩的自承载能力，在较小的支护阻力下使围岩稳定。典型的 弹塑性模型和体积不变能很好的分析硐室围岩的变形破坏主要特征，F e n n e r 的成果被后 人大力推广。 2 ．岩性转化理论 2 0 世纪6 0 年代，在大量的工程实践之中，陈宗基提出了岩性转换理论[ 4 1 。该理论
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