高预应力与爆炸载荷耦合作用下的巷道围岩损伤破坏机制

近年来我国煤矿安全得到一定改善,但是瓦斯爆炸事故没有从根本上消除,依然是煤矿事故的重中之重。煤矿深部巷道发生的瓦斯爆炸造成的事故损伤巨大,爆炸冲击不仅造成人员伤亡,同时也造成巷道坍塌,这主要是因为高预应力和爆炸载荷的耦合作用。为了研究高预应力损伤与瓦斯爆炸载荷耦合作用下巷道围岩损伤规律以及多种载荷叠加的作用机制,基于ANSYS/LS-DYNA数值模拟软件,采用隐-显式耦合分析方法,模拟了0,5,10和15 MPa初始地应力和爆炸载荷耦合作用下巷道围岩的动态响应特征,通过研究巷道预应力损伤和位移的变化以及预应力与爆炸载荷耦合下损伤、位移和应力的变化,得出以下研究结果:在无地应力下,巷道几乎没有预应力损伤和初始位移,随着地应力的增加,巷道的预应力损伤程度和区域以及初始位移逐渐变大。爆炸载荷单独作用下巷道几乎没有位移,且损伤较小。在爆炸载荷和预应力造成的损伤耦合作用下,巷道位移和损伤随地应力增大而增大。地应力与爆炸载荷耦合作用下,爆炸产生的应力在巷道中的传播被抑制,且随着地应力增加,抑制效果也更加明显。地应力存在两种作用:在爆炸载荷作用前,地应力的存在造成了巷道围岩的预应力损伤,降低了围岩强度,导致围岩在爆炸载荷作用下发生变形破坏;在瓦斯爆炸载荷作用于巷道围岩后,地应力对应力在围岩内的传播起到抑制作用。

爆炸载荷诱发地应力瞬态卸荷对深部围岩的损伤特性

地应力瞬态卸荷是造成深部巷道空间变形垮塌的主要诱因。近似认为爆炸荷载与地应力瞬态卸荷的耦合应力场是在一定的地应力条件下,由爆炸荷载激发的动态应力场和地应力瞬态卸荷激发的动态应力场在相应的时域和空间上叠加而成。采用数值模拟的方法研究了爆炸载荷扰动诱发的高地应力瞬态卸荷对巷道围岩的损伤规律。研究表明:爆炸载荷对围岩的扰动先于地应力瞬态卸荷,二次应力分布时程曲线受爆炸应力波的影响显著,耦合应力场对巷道顶板拐角、两帮、顶板、底板中央围岩处的动力扰动仍以爆炸载荷为主,且对顶板的扰动作用更强。巷道两帮的围岩损伤比顶、底板深,质点振动速度峰值随着向围岩远处的传播呈衰减趋势。随着侧压系数的增大,巷道两帮围岩塑性损伤范围减小。