钻屑法的研究与应用VIP免费

钻屑法的研究与应用一．概述所谓钻屑法就是向煤体钻小直径钻孔，根据钻孔过程中单位孔深排粉量的变化规律和动力现象，了解煤体应应力集中程度、峰值大小及位置，以判定冲击地压的危险等级，达到冲击地压预测的目的。早在五十年代中期，西德等国家就开始研究钻屑法。六十年代以后，前苏联、波兰、英国也相继开始试验研究，。目前世界上所有有冲击地压的国家都在应用和研究钻屑法。我国几个冲击地压严重的矿井，如北京矿务局门头沟矿、开滦矿务局唐山矿以及重庆大学、北京煤科总院开采所等单位也都进行了试验。辽宁工程技术大学在这个方面开展研究也比较早，处于国内领先地位。钻屑法是一种应用技术，尽管国外早已开始研究和应用，但由于开采地质条件的差异，特别是冲击地压问题的复杂性，以及在理论上和实践上尚不完善，所以国外经验难于直接引用。尤其是冲击危险的检测标准，必须因矿而异，具体条件具体确定。二．钻屑法的理论研究钻屑法是通过不同孔深排出钻屑量的多少来估算煤体应力大小的方法。其理论研究，就是建立钻屑量和煤体应力之间的定量关系，以便由钻屑量的多少估算该处的应力值，或由应力估算出相应的钻屑量，以信为确定钻屑量危险指标的依据之一。为了建立钻屑量与煤体应力之间的定量关系，不少学者进行了研究。均假设钻孔前煤体为均质各向同性的弹性体，视为具有圆孔的无限大平面应变问题进行处理，并采用库仑——摩尔准则，视其为静水压力状态的轴对称问题。六十年代佩图霍夫考虑钻孔周围出现非弹性变形区发生松胀现象，引入了松散系数n(r)A/(1Br)式中A、B为常数，由在弹性区与非弹性区边界上n(r)为1，和在钻孔内壁上为1.1~1.2而求出，Anr0n1Ra，Ba，r为距钻孔轴线的距离。再根据RnaaRnaa煤体体积不变条件求出非弹性区的半径R。以库仑——摩尔准则为屈服条件得出钻屑量与煤体应力关系式，该法的特点是考虑了煤体的非弹性变形的松胀，即扩容。但n(r)解析式的提出缺乏明确的物理意义，理论上也不够严密。七十年代以后，西德的勃罗纳及日本的管原胜彦都是将钻屑排出量分为两部分，一部分为与钻孔直径相同的圆柱煤体形成的钻屑量，一部分为成孔后，孔周围应力重新分布，孔内壁发生位移而产生的钻屑量。根据卡斯特那公式或修正的芬纳公式，计算非弹性区半径R0后，再根据塑性区体积不变条件求出钻孔内壁径向位移，弹性变形产生的位移相对较小，忽略不计，而得出钻屑量。最后得到总钻屑量与煤体应力的关系式。该方法完全根据弹塑性理论，没有再作任何假设，理论上较严密，但没有考虑到扩容的影响。为了克服以上理论存在的缺点，辽宁工程技术大学工程力学研究所提出了以下理论。考虑煤的应变软化特性，建立本构方程为Eccm(c)(c)以库仑——摩尔准则为屈服条件，进行弹塑性分析。εcpσσc弹性变形区pRE非弹性变形区aε煤的本构关系图钻孔周围弹性分析平衡方程为drr0drr屈服条件为qrc边界条件为：在钻孔的内周处r应力连续。得出非弹性区半径R的解析式为(2mq1)(2pc)Ra11mm(q1)p(q1)cc12mq1ra0；在弹性区与非弹性区的分界线rR上当式中m0时，即为理想塑性的卡斯特那公式。如不计扩容效应，钻孔非弹性区与弹性区交界处的径向位移为uR1q1Rc(2pc)2Eq1孔内壁径向位移由体积不变条件求得uauRRa以上各式中q1sin，为内摩擦角，m为煤的塑性软化系数，c及c分别1sin为单轴抗压强度及相应的应变，r和为径向应力和切向应力。如果考虑煤体非弹性变形的扩容，目前还没有建立根据扩容物理现象直接建立的松散系数解析式。因此目前均按煤体质量不变条件，采用平均扩容系数n，求得包括扩容在内的孔内壁的径向位移为uaRn12uRRa2a2a式中第二项即为扩容产生的影响。由上可得，考虑扩容时，单位孔深总钻屑量为Ga22aua2an1R2a222auRn11q1n1a21(2p)cc2E...