基于损伤和Hoek-Brown准则的煤层突出模型

本文探讨了不同结构特性煤岩体对煤层突出临界条件的影响，并建立了结合损伤理论和Hoek-Brown强度准则的煤层突出模型。煤层突出是指在煤矿开采过程中，煤层突然涌入采掘空间的现象，这一问题随着煤矿开采深度的增加而变得尤为重要。冲击地压是该领域的关键问题，表现为煤岩突然涌入采掘空间，有时甚至会封闭巷道空间，引发煤层整体平移突出。研究冲击地压问题对于保障煤矿安全生产具有重要意义。 文章首先指出煤层本身的性质是导致冲击地压发生的内在因素，而岩体结构特性则对煤层耐受冲击地压的能力产生重要影响。为了更精确地模拟实际情况，文中引入了损伤力学的方法和Hoek-Brown强度理论，将二者相结合构建了煤层突出模型。Hoek-Brown强度理论是一种经验准则，广泛用于描述岩石的强度特性，特别适用于地下岩体工程。该理论将岩石强度与经验参数m、s及岩块单轴抗压强度σc联系起来，能够较准确地描述岩体在不同复杂应力状态下的强度特性。 文章提出的模型考虑了煤层的损伤效应，通过有效应力和损伤参量的概念来反映煤层因损伤而引起的强度衰减。损伤参量D表示煤层材料的损伤程度，有效应力σ'与柯西应力σ之间的关系由应变等价原理给出。文中还建立了一个突出基本模型，考虑了水平煤层与顶底板的相互作用，以及巷道开挖后煤层中的应力重分布情况。根据模型和相关方程，文章推导了煤层中的应力分布规律，以及煤层突出的临界强度和临界深度的解析式。 在模型的基础上，作者进行了实例分析，以赵各庄矿12号煤层为例，验证了模型的有效性，并预测了该煤层具有发生冲击地压的危险性。这一发现对于煤矿的安全评估和管理具有重要指导意义，可以作为预防和控制冲击地压的科学依据。 文章的创新之处在于它将损伤力学的理论应用到煤层突出模型的构建中，能够更好地模拟煤层的实际损伤状态，进而提供更加准确的预测。同时，文章对Hoek-Brown强度理论进行了改进，使之适用于煤层突出分析，并给出了具体的参数确定方法和数学解析式。 本文的成果为分析和预测煤矿中的煤层突出提供了新的思路和方法，对于提升煤矿安全生产水平、减少灾害事故有着重要的现实意义。对从事煤矿安全和岩土工程领域的科研人员和工程师来说，本研究具有较高的参考价值。