矿山巷道掘进时煤岩体变形破裂应力场的研究 煤岩变形破裂力电耦合实验研究模型

7.1.1 煤岩体的结构特点与破坏准则

从岩石学观点来说，煤是一种可燃的有机岩石，其组成比较复杂，一般不是均质的，是由各种煤岩成分（镜煤、亮煤、暗煤和丝煤）交替而成的带状结构。

煤岩体是典型的多孔介质材料，是由不同大小颗粒矿物组成的可燃有机岩，其中包含大量的孔隙、位错等宏观和微观缺陷。其形成历史是动植物遗体先经过生化作用变成泥炭，然后因地壳运动发生沉降，被泥沙等沉积物所覆盖，在以压力和温度为主的物理化学作用下形成沉积的煤岩体。在整个成煤过程中，煤岩体一方面由于地壳的运动、侵蚀等原因受到不同程度和形式的破坏，从而形成裂隙、层理、片理、破碎区和包裹体等特性；一方面在地应力和支承应力作用下煤岩体内部也会产生裂隙。这样，煤岩体在地质构造因素和开采等外在因素影响作用下，从一种均质的、近似各向同性的简单结构变成具有众多层理、断层、裂纹和其他缺陷的复杂结构，在不同受力条件下呈现不同的破坏形式，如稳定的静态破坏和非稳定的动态破坏。

煤岩体与岩石、土和混凝土等一类材料是非常复杂的介质，呈现出多属性的特点，在不同的受力条件下它们分别具有弹性、塑性或黏性。

传统的塑性力学是在金属材料变形研究中发展起来的，从屈瑞斯卡（Tresca）1864年发表最大剪应力屈服准则开始，到20世纪60年代德鲁克（Drucker）和普拉格（Prager）提出的Drucker-Prager准则，以及摩尔（Mohr）、库仑（Coulomb）提出的摩尔-库仑准则，使传统的塑性力学形成了比较系统的理论。物体总变形往往包括弹性变形和塑性变形两部分。

（1）摩尔-库仑强度准则

摩尔-库仑强度准则属于剪切破坏理论，该理论是由库仑在1773年提出来的，至今仍然是较为重要的岩石强度理论。其基本思想是认为岩石的剪切破坏是由岩石破裂面产生的破坏剪应力受到岩石材料的内聚力和内摩擦力的抵抗，当破裂面上的破坏剪应力等于岩石的内聚力和内摩擦力时，岩石即开始发生剪切破坏，由此得到强度准则，即

煤岩动力灾害力电耦合

式中：σ₁，σ₃——分别为最大和最小主应力，MPa；C——煤岩内聚力，MPa；φ——内摩擦角，（°）。

（2）霍克-布朗准则

根据大量煤岩力学实验证实，煤岩破坏后强度有所降低，产生弱化现象。霍克-布朗准则可以对此进行有效描述：

煤岩动力灾害力电耦合

式中：σ_1s——煤岩材料峰值强度时的最大主应力，MPa；σ₃——最小主应力，MPa；σ_c——完整煤岩材料的单轴抗压强度，MPa；m，s——材料常数，取决于煤岩性质和原始破裂情况。

（3）德鲁克-普拉格准则

德鲁克-普拉格准则为弹塑性屈服准则，其可以用下式表示：

煤岩动力灾害力电耦合

式中：I₁——应力张量第一不变量；J₂——应力偏量的第二不变量；a——常数，在平面应变条件下有a=k———常数，在平面应变条件下有k=。

7.1.2 围岩巷道的弹塑性分析及应力分布特点

矿山煤岩体在单巷掘进或工作面回采过程中，由于受突然开挖或采动影响，其巷道两帮、顶板和底板内部应力会重新分布，造成局部区域应力集中，使得煤岩发生变形破坏，这是一个动态的过程。前人的研究成果和本文前面实验结果已经证明，在煤岩体变形破坏过程中，会有电磁辐射和声发射信号产生，产生信号的幅度和频率与煤岩体变形破裂的速率有关，而煤岩体变形破裂的速率又直接受加载载荷或应力的大小和加载速率的影响。因此研究煤岩体内部的应力场及其应力集中区，对煤岩体变形破裂电磁辐射场的研究具有重要的意义。

未经采动的岩体，在巷道开掘前常处于弹性变形状态，岩体的原始垂直应力P为上部覆盖岩层的重量 rH（岩体的容重与埋藏深度的乘积）。在岩体内开掘巷道后应力会重新分布，即巷道围岩内出现应力集中。如果围岩应力小于岩体强度，这时岩体物性状态不变，围岩仍处于弹性状态。如果围岩局部区域的应力超过岩体强度，则岩体物性状态就要改变，巷道周边围岩就会产生塑性变形，在巷道围岩内出现塑性变形区，同时引起应力向围岩深部转移。巷道塑性变形区和弹性变形区内的应力分布如图7.1所示。在塑性区内圈（A），围岩强度明显削弱，能够负担的压力显著降低，且低于原始应力 rH，围岩发生破裂和位移，称破裂区，为卸载和应力降低区。塑性区外圈（B）的应力高于原始应力，它与弹性区内应力增高部分均为承载区，也称应力增高区。支架受力是支架与非弹性区的岩体相互作用的结果。

图7.1 圆形巷道围岩的弹塑性变形区及应力分布

运用极限平衡理论，在各向等压情况下圆形巷道的围岩应力、塑性区半径和周边位移计算式。

（1）弹性区的应力方程式

径向应力与切向应力分别为

煤岩动力灾害力电耦合

（2）塑性区的应力方程式

径向应力、切向应力以及塑性区半径计算公式为

煤岩动力灾害力电耦合

式中：P，P_i——分别为原岩应力和支护阻力，MPa；a——圆形巷道半径，m；r——所求应力处的半径，m；R——塑性区半径，m；φ——围岩的内摩擦角，°；C——围岩的内聚力，MPa。

三轴压力实验证明煤岩体的应力超过抗压极限强度后，其强度将随变形的增加而减小，但是仍具有一定的承载能力。煤岩体的理想弹塑性应变软化模型可以简化为如图7.2 所示。巷道两帮或迎头的应力集中区（极限平衡区）其应力分布示意图如图7.3 所示。从图中可以看出，巷道掘进时受采动影响，其迎头或两帮会出现应力集中，在弹性区和塑性软化区的交界处（x=x₀）应力达到最大。图示中，煤岩体主要受到垂直应力和侧向应力的作用，巷道在支护情况下，还存在支护阻力（图中的P即为支护阻力），其能起到加固围岩和减少围岩变形的作用，从而降低围岩垮落或岩爆的危险性。

图7.2 煤的弹塑性应变软化模型

图7.3 巷道两帮或迎头应力集中区示意图

巷道掘进时围岩三维应力场的数值模拟^［～］~

7.2.1 三维模型的构建
由于采场周围的应力分布是不均匀的，有的地点应力集中程度小一些，而有些地点应力集中程度就高一些。电磁辐射观测点布置的原则就是既要监测工作面的区域，又要监测两边巷道；而应力集中程度高的区域则是重点防治区域，对于重点区域要多布置一些测点。因此要有效利用电磁辐射预测方法监测煤与瓦斯突出、冲击矿压等煤岩灾害动力现象，提高监测的准确度，一方面必须对煤岩受载条件下的电磁辐射随加载应力的变化规律进行实验研究，一方面可以通过数值模拟方法对煤岩体不同受力条件下的应力场进行研究，继而在此和实验室研究结果的基础上利用力电耦合规律对电磁辐射场进行研究，以确定电磁辐射幅值和脉冲数在监测空间的分布规律。
通过现场测定结果与数值模拟结果的比较，可以验证所提方法（即将应力集中区域视为电磁辐射源）的正确性，从而指导电磁辐射监测仪器合理选择测试地点和监测方向（包括测点布置方式、方位、测点之间的距离以及测点的数目等）。
然后改变煤岩体的力学参数、采深等影响因素，通过数值模拟来研究这些因素与煤岩体内部应力集中区域的变化以及由此产生的电磁辐射分布之间的关系。
（1）应力场数值模拟的目的
1）确定煤岩体内应力场（巷道开挖时主要考虑应力集中区）的分布规律；
2）分析应力分布不同因素的影响程度（如煤岩体的体积弹性模量K、剪切弹性模量G、内摩擦力C和内摩擦角φ等）；
3）为分析煤岩体变形破裂电磁辐射幅值、脉冲数与影响因素之间的关系奠定应力场计算基础；
4）为现场更好地应用非接触电磁辐射方法预测预报煤与瓦斯突出、冲击矿压等煤岩灾害动力现象提供指导。
（2）三维模型的构建
现场实践与理论研究表明，巷道掘进过程煤岩变形破坏电磁辐射的幅度与频率与煤岩巷道两帮、顶底板内的应力分布有关，而煤岩巷道两帮、顶底板内的应力分布又受巷道两帮、顶底板岩体内的力学性质影响，不同围岩性质的巷道采掘过程中产生的电磁辐射变化也不同，因而分析围岩的性质对电磁辐射的影响，有利于全面了解电磁辐射在煤岩中的产生、传播和接受过程。
由于影响围岩应力分布或者说是电磁辐射的因素很多，如何对这些因素进行考查，一般采取三种方法：①单因素轮换方法，适合于影响因素少，关系较简单的实验研究；②全面实验方法，其缺点是在影响因素多时，实验量太大；③正交实验方法，主要是根据数理统计学理论，应用标准化的“正交表”来合理安排多因素实验的一种科学方法。
正交设计原理是根据正交性原则挑选试验范围内的代表点，若试验有m个因素，每个因素有n个水平，则全面试验点数为nm个，而正交试验仅有n2个。依据正交性原则来选择实验设计可大大减少实验次数，并且具有均匀分散性和整齐可比性，非常适用于多因素多水平的试验情况［184］，因此根据本文的研究内容，确定用正交实验设计方法对数值模拟方案进行设计：
1）研究指标：围岩性质对应力集中区域及电磁辐射的影响。
2）影响因素：煤层力学性质、顶板岩性、底板岩性。
3）实验水平：因素在实验中所处状态、条件发生变化时将引起指标变化，因素变化的各种状态和条件称为因素水平。本文根据一般规律确定为三因素三水平问题选取L9（34）正交表的前三列。如表7.1、表7.2所示。表7.3 实验因素在不同水平下的基本力学参数。
表7.1 实验因素及水平


表7.2 实验正交计划表


表7.3 实验因素在不同水平下的基本力学参数


4）其他因素的影响
由于巷道应力与采深有关，因此本文还对不同采深进行了数值计算，以考察采深因素对电磁辐射的影响规律。
根据以上试验方案，本章构建了矿山独巷掘进模型，简称为ModelⅡ。
由于矿山巷道开挖过程中受采动影响的弹塑性区域分布以及应力集中区域大小与巷道大小、埋深、煤岩力学性质、顶底板特性有关，因此模型设计为三层，每层分三块从左至右生成：上层是直接顶和老顶；中间层是煤层；下层是底板；巷道为矩形巷道。
根据模型的几何尺寸划分计算网格，给相应层位岩体赋予煤岩物理力学参数，建立数值计算模型。计算前按照模型所在的深度向模型施加载荷，并对三维模型侧面和底面提供约束，计算时首先根据模拟的条件构成初始应力场，岩体垂直应力σz按照岩体自重（σz=γH）来计算；岩体的水平应力σx，σy根据现场地应力测量结果（一般σx=σy=0.45σz）和岩体泊松效应计算；然后根据巷道掘进的方式分步开挖，获得不同掘进距离和地质条件下的煤岩体应力场和破坏场，并对计算过程中要提取的数据（主要是各个单元体在不同时期的最大主应力值）。
采用应力边界条件，模型的上表面施加均匀的垂直压应力，模型下表面垂直和水平位移固定，模型两侧面施加随着深度变化的水平压应力。其模拟巷道示意图和计算模型图如图7.4和图7.5所示，坐标设置如图7.6所示。

图7.4 模拟巷道示意图（立体图）


图7.5 计算力学模型示意图

表7.4 ModelⅡ-1 正交实验计划表


为考察不同因素不同采深的影响，ModelⅡ模型又分为ModelⅡ-1，ModelⅡ-2等几个小模型。
ModelⅡ-1：直接顶和老顶，尺寸为43 m×40 m×20 m；煤层，尺寸为43 m×40 m×3 m；底板，尺寸为43 m×40 m×10 m；巷道为矩形巷道，尺寸为3 m×3 m。模型共划分为121500个六面体单元，单元大小划分按照从模型外边界到巷道逐渐缩小的原则，缩小比例为0.95。模型计算时采用Mohr-Coulomb应变软化准则，每次开挖2 m，共开挖16 m。采深为500 m。ModelⅡ-1又根据煤层、顶底板力学性质的不同依据正交试验方法分为九种情况，如表7.4所示。
ModelⅡ-2：其他条件同ModelⅡ-1，采深为700 m，巷道未支护。ModelⅡ-2同样根据煤层、顶底板力学性质的不同依据正交试验方法分为九种情况。
ModelⅡ-3为：其他条件同ModelⅡ-1，采深为900 m。ModelⅡ-3同样根据煤层、顶底板力学性质的不同依据正交试验方法分为九种情况。
根据前面对煤岩体弹塑性理论和巷道弹塑性区域的研究与分析，当煤岩体在采动影响作用下应力重新分布时，一些区域会发生塑性屈服，其力学性质就会发生变化，因此在进行应力场数值模拟计算时必须对塑性区域进行应变软化处理，即调整其力学性质，才能更好地模拟实际情况。ModelⅡ-1，ModelⅡ-2，ModelⅡ-3模型的应变软化区域及处理方式如下：
1）煤层巷道左帮：区域大小为6 m×5 m×3 m，并随着巷道的不断开挖而前移；
2）煤层巷道右帮：区域大小为6 m×5 m×3 m，也随着巷道的不断开挖而前移；
3）煤层巷道迎头：区域大小为3 m×6 m×3 m；
4）顶板：区域大小为3 m×4 m×6 m；处理方式主要是根据应变的程度对内摩擦力（C）和内摩擦角（φ）进行弱化，一般是变形越大则内摩擦力和内摩擦角越小；
5）底板：区域大小为3 m×4 m×6 m。
处理方式主要是根据应变的程度对内摩擦力和内摩擦角进行弱化，一般是变形越大则内摩擦力和内摩擦角越小。具体参数设定如表7.5所示。
表7.5 煤层软化参数表


7.2.2 FLAC3D模拟结果分析
模拟采用的FLAC3D有限元程序考虑了煤系地层的层状特征、岩体破坏后具有残余内聚力和残余内摩擦力等力学特征，以及煤岩体变形破坏的大变形等特征。采用的是Mohr-Columb应变软化准则。下面以潘三矿1452工作面开采13号煤层巷道掘进为计算依据，上顺槽长度1060 m，下顺槽长度1070 m，倾斜长度最大200 m，最小150 m。煤层厚度3.5～4.38 m，平均3.9 m。煤层倾角12°～32°，平均18°，本文模拟计算时没有考虑煤岩的倾斜情况。在进行数值模拟时，以1452工作面开切眼前下顺槽独巷掘进为对象，模拟独巷掘进过程中煤岩迎头和两帮支承应力区的应力变化情况，模拟平均采深为700 m，主要提取出应力集中区各个单元的应力应变值。图7.7 为所模拟区域的煤层柱状图。模型中其它一些具体参数根据表7.6和表7.7来选取，具体如表7.8所示。
表7.6 煤系地层部分岩石强度［176］


表7.7 煤系地层的力学性质［176］


表7.8 实例计算时煤岩层的力学性质



图7.6 独巷掘进模型坐标示意图


图7.7 下顺槽独巷掘进煤岩层柱状图

本模型大小为43 m×40 m×33 m，具体模型构建为：直接顶和老顶，尺寸为43 m×40 m×20 m；煤层，为43 m×40 m×3 m；底板，为43 m×40 m×10 m；巷道为矩形巷道，为3 m×3 m。模型共划分为121500个六面体单元，单元大小划分按照从模型外边界到巷道逐渐缩小的原则，也是采用Mohr-Coulomb应变软化准则，分6次开挖，共开挖16 m，采深为700 m。其中坐标原点均定为巷道未开挖时的左下角，如图7.6所示。
（1）监测面的选取方法
为考察离迎头不同距离的左帮和右帮内的应力场变化情况，取了以下几个监测面：
① 左帮沿着巷道横向取了三个截面：20 m×13 m，即-20～0（x方向），-5～8 m（z方向），距离开挖起始点为0，8，16 m；② 右帮沿着巷道横向取了三个截面，17 m×13 m，即3～20（x方向），-5～8 m（z方向），距离开挖起始点为0，8，16 m；③ 迎头沿着巷道纵向也取了三个截面，20 m×13 m，即16～36（y方向），-5～8 m（z方向），距离左帮为0，1.5，3 m；④ 另外平行于煤层层理方向取了三个纵切面（z=-1，1.5，4.5 m处）。
（2）应力场分布规律
1）当煤岩层开挖后，煤岩体内应力重新分布，以前处于原岩应力区的巷道两帮和迎头出现应力集中区域，图7.8～7.11分别为开挖16 m迭代500、2000步后煤岩巷道中部纵切面最大主应力分布图和迎头垂直于巷道走向截面最大主应力分布图。图7.12和图7.13为煤层纵切面最大主应力等值线图。从图中可看出：当开挖2 m后，在两帮应力集中区范围为距离巷道壁面5 m内，最大应力达到原岩应力的1.4倍，说明其受掘进影响较大。开挖10 m后应力场也呈现相同的分布规律。

图7.8 煤岩巷道中部纵切面最大主应力分布图


图7.9 煤岩巷道中部纵切面最大主应力分布图


图7.10 垂直巷道走向截面最大主应力分布图


图7.11 垂直巷道走向截面最大主应力分布图


图7.12 开挖2 m煤层纵切面最大主应力等值线（z=1.5 m）


图7.13 开挖10 m煤层纵切面最大主应力等值线（z=1.5 m）


图7.14 开挖10 m煤层纵切面最大主应力等值线（z=1.5 m）


图7.15 开挖10 m右帮垂直截面最大主应力等值线（y=0 m）


图7.16 开挖10 m右帮垂直截面最大主应力等值线（y=8 m）

2）从图7.14～7.16可看出，当开挖10 m后，右帮应力集中区主要在离巷道壁面3～5 m处，在y=0 m和y=8 m处的截面其应力峰值位置是不同的，距离迎头越远的壁面其应力峰值距离巷道壁面越近，这相当于应力重新分配过程随着时间的延长，应力峰值逐渐向内部转移的动态过程，也就是说巷道周围的应变软化区范围逐渐扩大。而在距离壁面2 m范围内应力急剧降低，相当于应力降低区。图7.17～7.19所示的开挖16 m后在距离开挖起点不同位置处煤层右帮垂直截面最大主应力等值线同样呈现出了这个规律，这与理论分析和现场实际围岩应力显现规律是一致的，从而说明该模拟方法能正确反映现场煤岩受采动影响时内部应力场的变化规律。

图7.17 开挖16 m右帮垂直截面最大主应力等值线（y=0 m）


图7.18 开挖16 m右帮垂直截面最大主应力等值线（y=8 m）


图7.19 开挖16 m煤层右帮垂直截面最大主应力等值线（y=16 m）

3）图7.20～7.22为开挖16 m后迭代500步时垂直迎头截面在三个不同位置（即巷道迎头左角、中部和右边角）的应力场等值线图，从图中可看出三个截面应力集中区范围相差不大，应力峰值距离巷道迎头均在18～19 m处，但在中间位置截面的应力峰值稍大一些，说明某个时刻迎头内部应力集中区应力分布在巷道横向变化不大；但是随着时间的延长，其应力场会发生变化，如图7.23～7.25为迭代500步至迭代2500步的各个时段迎头中部截面的应力场分布变化情况：从图中可明显看出煤岩巷道开挖时迎头内部应力随时间的变化，在迭代500步后应力集中区在2～3 m处，最大垂直应力为21.5 MPa；说明当开挖后，巷道迎头内部煤岩应力逐渐增大，靠近巷道壁面的单元体应力会达到极限强度，产生塑性变形后承载能力降低，随着时间的变化，进入塑性破坏的单元体越来越多，应力峰值距离迎头壁面也越来越远，但经过一段时间后就趋于稳定。

图7.20 开挖16 m迭代500步时煤层迎头垂直截面最大主应力等值线（x=0 m）


图7.21 开挖16 m迭代500步时煤层迎头垂直截面最大主应力等值线（x=1.5 m）


图7.22 开挖16 m迭代500步时煤层迎头垂直截面最大主应力等值线（x=3.0 m）


图7.23 开挖16 m迭代1000步时煤层迎头垂直截面最大主应力等值线（x=1.5 m）


图7.24 开挖16 m迭代1500步时煤层迎头垂直截面最大主应力等值线（x=1.5 m）


图7.25（a）开挖16 m迭代2000步时煤层迎头垂直截面最大主应力等值线（x=1.5 m）


图7.25（b）开挖16 m迭代2500步时煤层迎头垂直截面最大主应力等值线（x=1.5 m）

前面从煤岩损伤和统计强度理论出发研究了煤岩变形破裂电磁辐射脉冲数、强度与加载应力的关系，得到煤岩破裂电磁场的变化规律与其内部微元体的应力场变化规律有着相当强的耦合关系。下面将从第二章的实验结果出发对煤岩变形破裂电磁辐射脉冲数、强度与加载应力的关系进行研究。
5.4.1 电磁辐射强度与应力之间的关系
如图5.8～5.13均为第二章实验研究样品在单轴压缩时煤岩破裂前即达到应力峰值前电磁辐射幅值与轴向应力之间的关系曲线，为了处理方便，其中图中的幅值比实验测定的值缩小了1000倍，相应的回归方程如表5.1所示。从图和表中可以明显看出电磁辐射的幅值（mV）与轴向应力（MPa）之间的关系为三次多项式关系，其相关系数均在0.9以上，说明它们之间的相关性非常好，这与前面的理论分析结果是相吻合的。由于煤岩变形破裂过程产生的电磁辐射源的幅值和频率变化的复杂性，因此本文在进行电磁辐射与应力场的耦合计算时，设电磁辐射源的幅值与其所在的微元体当时所受的轴向应力符合以下函数关系式：
这里：

煤岩动力灾害力电耦合

式中：Em（t）——电磁辐射源在t时刻的幅值；σ（t）——t时刻电磁辐射源所在微元体所受的轴向应力；a，b，c，d——实验常数。

图5.8 权台1＃EME幅值与轴向应力的关系


图5.9 权台2＃EME幅值与轴向应力的关系


图5.10 权台3＃EME幅值与轴向应力的关系


图5.11 义马1＃EME幅值与轴向应力的关系


图5.12 东滩1＃EME幅值与轴向应力的关系


图5.13 东滩2＃EME幅值与轴向应力的关系

表5.1 电磁辐射幅值（y）和轴向应力（x）关系的拟合方程


5.4.2 电磁辐射脉冲数与应力之间的关系
如图5.14～5.19均为第2章实验研究样品在单轴压缩时煤岩破裂前即达到应力峰值前电磁辐射累计脉冲数与轴向应力之间的关系曲线，相应的回归方程如表5.2所示。从图和表中同样可以看出用三次多项式能很好地拟合电磁辐射的累计脉冲数（个数）与轴向应力（MPa）之间的关系，相关系数均在0.97以上。

图5.14 权台1＃煤累计脉冲数与轴向应力的关系


图5.15 权台2＃煤累计脉冲数与轴向应力的关系


图5.16 权台3＃煤累计脉冲数与轴向应力的关系


图5.17 东滩1＃煤累计脉冲数与轴向应力的关系


图5.18 东滩2＃煤累计脉冲数与轴向应力的关系


图5.19 义马1＃煤累计脉冲数与轴向应力的关系

表5.2 电磁辐射累计脉冲数（y）和轴向应力（x）关系的拟合方程

矿山巷道掘进时煤岩体变形破裂应力场的研究
答：矿山煤岩体在单巷掘进或工作面回采过程中，由于受突然开挖或采动影响，其巷道两帮、顶板和底板内部应力会重新分布，造成局部区域应力集中，使得煤岩发生变形破坏，这是一个动态的过程。前人的研究成果和本文前面实验结果已经证明，在煤岩体变形破坏过程中，会有电磁辐射和声发射信号产生，产生信号的幅度和频...

巷道掘进煤岩变形破裂力电耦合[]
答：在进行巷道掘进煤岩变形破裂力电耦合计算时,电磁辐射信号的初始幅值、频率以及煤岩介质电性参数的选取见第6章。但考虑到巷道掘进时煤岩内部特别是迎头、两帮处应力场随着掘进而变化较大,属于易发生危险的地带,现场主要也是通过监测迎头和两帮电磁辐射信号的变化规律来达到有效预测预报煤与瓦斯突出、冲击矿压等煤岩灾害...

煤岩变形破裂力电耦合理论模型
答：损伤逐渐增加;③由于煤岩内部中等强度的微元体数目最多,在变形中期破坏的微元体也最多,损伤快速增加,当应力达到煤岩的极限强度时,从宏观上来看煤岩发生失稳破坏;④在变形后期,当强度高的微元体全部破裂时,煤岩体完全破坏,此时D=1。

巷道掘进时围岩三维应力场的数值模拟[～]
答：岩体垂直应力σz按照岩体自重(σz=γH)来计算;岩体的水平应力σx,σy根据现场地应力测量结果(一般σx=σy=0.45σz)和岩体泊松效应计算;然后根据巷道掘进的方式分步开挖,获得不同掘进距离和地质条件下的煤岩体应力场和破坏场,并对计算过程中要提取的数据(主要是各个单元体在不同时期的最大...

单轴压缩煤岩变形破裂应力场的数值模拟
答：进行单轴压缩煤岩体内应力场数值模拟的目的是: 1)确定煤岩体内应力场的分布规律; 2)分析影响应力分布的各种因素其影响程度(如煤岩体K、G、内摩擦力C和内摩擦角φ等),为分析单轴压缩煤岩体变形破裂电磁辐射信号与其影响因素之间的关系打下基础; 3)通过改变煤岩体的力学参数、单轴压缩时的加载速率等影响因素,通过...

煤岩变形破裂力电耦合机理
答：煤岩电磁辐射强度与加载应力的耦合机制 电磁辐射的产生从微观上来说，一方面是应力作用下内部裂纹的扩展和裂纹端部应力集中产生电荷分离，另一方面是由于产生的带电粒子变速运动。所以研究煤岩受载变形破裂过程中产生的电磁辐射及其变化规律必须从以下几个方面入手：①探讨应力大小或应力变化率与裂纹的扩展速度...

井工开采影响露天矿岩体变形机理
答：当在煤、岩体内开掘巷道或进行开采时,破坏了原来的应力平衡状态,使巷道或采场的周围岩体的应力重新分布。在应力重新分布过程中,引起巷道和回采工作面周围煤岩体内形成一个与原岩应力场截然不同的新的应力场,其形成过程就是煤、岩体中应力重新分布的过程。 开采煤层前,原岩应力线相互平行,没有变形;开采后,形成地下...

巷道掘进围岩二维应力场的数值模拟
答：1）如图7.26～7.33所示为在不同采深时煤岩巷道两帮的正应力、剪应力等值线分布图和塑性区状态图。从图中可以看出，随着加载应力的增加，巷道两帮煤岩体的塑性屈服区逐渐向里扩展，且出现剪切破坏和拉破坏，两帮煤岩体开始向巷道空间突出。2）图7.30～7.33所示为不同加载应力水平时煤岩巷道两帮的...

煤岩体应力测试
答：当需测定岩体中某点的应力时，可将该点一定范围内的岩体与基岩分离，使该点岩体上所受应力解除。这时由应力产生的变形(或应变)相应恢复。通过一定的量测元件和仪器量测出应力解除后的变形值，即可由确定的应力与应变关系求得相应应力值。应力解除法根据测量方法不同可分为表面应力解除法、孔底应力解除法...

煤岩变形破裂电磁辐射场数学模型
答：从上述带电粒子变速运动产生的电磁场数学模型中可以看出,煤岩体在变形破裂过程中产生的电磁辐射与带电粒子的电荷量和运动加速度成正比,产生的电磁辐射场包括库仑场和辐射场,辐射场与离场点的距离成反比,与产生的带电粒子数密度有关;而加载速率越大,变形及破裂过程越强烈,单位时间产生的带电粒子数越多,其运动速度越...