煤矿动静载组合作用下煤的动力学特性试验研究

冲击矿压是煤矿深部开采最为严重的动力灾害之一，呈现急剧增多、增强的趋势。煤在动静载组合作用下的动力学响应特征是煤矿冲击矿压研究的基础科学问题，对于揭示冲击矿压机理、指导冲击矿压监测及治理具有重要作用。本项目针对煤矿采动动静载组合作用下煤的动力学特性，首先采用微震监测技术进行了煤矿井下原位测试，得到了煤矿采动动载的传播规律、应变率、强度、持续时间、波组等特征，煤矿采动动载应变率一般小于10-1/s，对煤矿载荷状态进行了分类，在此基础上采用动静载岩石力学试验系统、声发射系统、高速摄像系统试验研究煤的静力学及动力学特性与应变率之间的相关性，以及不同动静载组合条件下煤的损伤破坏过程中微观、宏观断裂损伤特征和声发射效应规律，建立了煤矿采动动载条件下煤的动态力学参数与应变率之间的耦合关系，揭示煤岩体冲击破坏过程中能量积聚及耗散规律、煤的冲击倾向特性与采动动载的相关性、微观及宏观损伤破坏规律、煤在动静载组合作用下冲击破坏的声电物理效应规律等，构建基于微震监测的静载CT反演与动载扰动系数的动静组合的煤的冲击危险评价方法，并提出了切顶巷弱化动载，减弱静载的冲击矿压防治方法。研究成果为基于动静载防治冲击矿压奠定了基础。 2100433B

冲击矿压是煤矿深部开采最为严重的动力灾害之一，呈现急剧增多、增强的趋势。煤在动静载组合作用下的动力学响应特征是煤矿冲击矿压研究的基础科学问题，对于揭示冲击矿压机理、指导冲击矿压监测及治理具有重要作用。本项目针对煤矿采动动静载组合作用下煤的动力学特性，首先采用微震监测技术进行煤矿井下原位测试，得到煤矿采动动载应变率、强度、波组等特征，在此基础上采用动静载疲劳试验系统、煤岩损伤过程试验系统、高速摄像系统及微观扫描系统试验研究煤的动力学特性与动载应变率、强度、波组等特征之间的相关性，以及不同动静载组合条件下煤的损伤破坏过程中微观、宏观断裂损伤特征和声电物理效应规律，以期建立煤矿采动动载条件下煤的动力学本构关系，揭示煤的能量积聚及耗散规律、煤的冲击倾向特性与采动动载作用方式的相关性、微观及宏观损伤破坏规律、煤在动静载组合作用下冲击破坏的声电物理效应规律等，构建基于动静组合的煤的冲击危险评价方法。

矿井火灾是煤矿的主要灾害之一。火灾发生后，在直接灭火无效时常采用封闭火区的办法控制火势。火区封闭后，在灭火工作取得成效的情况下，需要启封火区。火区的启封是一项复杂而又危险性的工作，对火区状态的判断不明往往会引起复燃而造成重大事故，因此，关于火区启封时机及启封后复燃特性的研究意义重大。这项内容也是目前研究较少的基础性研究工作之一。本申请项目通过对火区热量的生成和释放速率的变化规律的研究，建立火区复燃的动力学模型，确定通风网络条件下火区阴燃、复燃的试验方法；通过建立火区启封及复燃模拟实验平台，考察出不同类别可燃物在不同温度、湿度、通风强度、通风方式等条件下，火区的复燃特性及气体产物的生成规律；结合现场火区启封及防复燃的实测数据，确定出具有指导性的火区启封及防复燃的关键参数和控制方法。研究成果可为煤矿井下火区的启封及启封后防复燃的技术工作提供参考依据。 2100433B

基桩承受水平荷载并产生水平位移，改变了桩侧阻力的分布，进而对单桩的竖向承载特性产生影响；在存在水平位移的情况下，桩身产生挠曲变形，竖向荷载的作用会使桩顶产生附加弯矩并导致桩周土体抗力发生改变，从而影响单桩的水平承载特性。基于基桩实际经常受到水平、竖向和弯矩荷载（组合荷载）共同作用的事实，而目前工程上不考虑组合荷载的相互影响，且对荷载组合情况下单桩承载特性的研究结论不一致的现状，本课题进行了三次在不同情况下的室内模型试验，通过理论研究建立了考虑组合荷载各分量间相互影响的单桩承载特性分析理论，并结合现场试验和数值模拟对其进行了进一步的修正和补充，得出了考虑桩周土体性质和土体加卸荷效应的桩周土体水平反力、桩侧阻力和桩端阻力的变化规律，建立了组合荷载下桩身内力的分析理论，并给出了考虑组合荷载各分量间相互影响的单桩极限承载力建议公式。本课题的主要研究结论如下： （1）室内模型试验结果表明，水平和弯矩荷载对桩侧阻力的影响主要集中在地面以下10倍桩径范围，在该范围内，随着桩顶位移的增大，桩侧阻力不断减小。现场试验结果显示，该影响范围为地面以下0~15倍桩径深度。建议在工程设计中，应重点加强地面以下0~15倍桩径深度范围内的桩身配筋和桩周土体的加固，以提高单桩的抗弯能力和桩周土体抗力，减小桩身侧向位移。 （2）水平或弯矩荷载的增大，均会降低单桩的竖向极限承载力，但只有水平荷载大于相应水平荷载作用点位置的极限承载力的0.5倍时，这种降低程度才较明显。水平或弯矩荷载对单桩沉降的影响程度与其产生的水平位移大小正相关。 （3）在存在水平位移的情况下，竖向荷载的施加会产生P- 效应，导致水平位移的进一步增大，从而削弱了单桩水平承载力。 （4）室内模型试验表明，水平、弯矩和竖向荷载共同作用对单桩承载特性的影响存在组合效应。数值模拟结果显示，先施加竖向荷载再施加水平荷载时，当竖向荷载介于0.4~0.5倍竖向极限承载力时对桩顶侧移的减小作用最为明显。 2100433B