应力环境变化影响下煤冲击特性的统一响应机制

Beside inherent attribute, the change of stress environment also have an effect on bursting characteristic of coal. The stage and continuity index are designed to describe bursting characteristic of coal, based on traditional bursting liability indexes and monitoring methods including AE monitoring, infrared monitoring, high speed camera, reliability test of indexes above are carried out through numerical simulation from the energy point of view. Multi-loading rate tests with different confining pressure and sample size, cyclic loading tests with different load-unload rate and loading cycle which originate in field stress environment are carried out separately on the premise that samples in the same loading group have the same source. According to the similar material basis of different mechanical behavior, unified response mechanism of bursting characteristic of coal to the change of loading environment is summarized through data mining technology, damage and fracture mechanism and the physical connotation of different bursting characteristic description indexes, constitutive model that can fully describe the unified mechanism is established. A firm theoretical foundation for improving the accuracy of bursting characteristic evaluation and the effectiveness of the control method considering the change of loading environment is laid.

煤冲击特性除与自身固有属性相关外，外部应力环境的变化同样会对其产生影响。利用现有冲击倾向性描述指标以及声发射、红外、高速相机等监测手段，分别设计试验室尺度连续性和阶段性的煤冲击特性描述指标，并利用数值模拟从能量角度进行指标可靠性检验；将现场应力环境抽象至试验室尺度，在保证同一加载组内煤样同源的前提下，进行多围压（包含单轴）多加载速率力学试验、多尺寸多加载速率力学试验、不同加卸载速率循环加载力学试验、不同加卸载周期循环加载力学试验；利用统计学及数据挖掘技术，从多角度实现煤冲击特性对于不同应力环境变化响应规律的提炼，基于煤样不同力学行为均具有类似物质基础的认识，结合断裂损伤力学以及不同冲击特性描述指标的物理内涵，获得煤冲击特性对于应力环境变化的统一响应机制，构建能够充分描述该机制的本构模型，为提高应力环境变化条件下煤冲击危险程度评价的准确性以及相关解危措施的有效性奠定理论基础。

随着煤矿开采深度不可避免的增加，冲击地压已成为威胁安全生产的主要灾害，我国防冲工作虽有多年积累，但自2011年以来，每年均有冲击地压事故发生的事实，已然敲响了冲击地压防控端基础研究亟待深化的警钟。.对于冲击地压，除受煤岩等介质自身物性因素影响之外，还取决于工作面推进强度、地质赋存复杂度等环境因素的影响，进而大大增加了冲击地压有效预测和防控的难度，使得目前冲击地压监测预警与防控解危过多依赖经验。在既定的物性条件下，掌握环境因素对于冲击危险性的影响机制将是解决上述问题的关键。.现场尺度的环境因素可映射为试验室尺度的加载速率、围压、应力路径等指标。而煤的冲击危险性在试验室尺度可通过煤的冲击特性进行描述，其能够反映煤岩试件在受载条件下积聚弹性能并发生脆性破坏的可能性。本项目即重点考虑冲击特性在加载速率、围压等因素发生变化时的演化特征及对应机制，进而为冲击特性人工干预，降低现场尺度冲击危险性提供可靠切入点。.通过多加载条件力学试验及数值模拟发现，当加载环境发生变化时，煤岩内部的细观结构、裂隙等破坏介质均匀性的要素，对于破坏等力学响应具有显著的吸引作用，并通过CT扫描验证了该结论，为此，将上述结构统称为“内生结构”，内生结构赋存特征对于具体力学行为具有显著的控制作用。进一步基于多加载速率下煤冲击特性的非线性演化现象，阐述了内生结构在加载环境发生变化时对于具体力学行为的影响机制，并设计了对应的本构方程，认为较高或较低的加载速率均会使得细观承载结构较早发生破断，进而表现出较低的冲击特性，而处于二者之间的临界加载速率对应着最强的冲击特性，并将该结论中的加载速率映射为现场尺度的工作面推进度，提出了基于工作面推进度的冲击危险性干预方法，取得了良好的应用效果。.同时，项目成果将加载环境对于煤岩力学行为的影响聚焦在了客观存在的内生结构上，为干预相对抽象的采掘空间应力或能量状态提供了切实的介入手段。