深部岩体超低摩擦效应理论研究

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1、1绪论1.1论文选题目的与研究意义近年来随着我国煤炭浅部资源日益枯竭，越来越多的矿井进入深部开采，而深部岩体工程动力现象具有新的科学特征，这些特征与浅部岩体工程响应特征相比存在截然不同的特点，用传统的连续介质力学理论无法很好地解释，因此引起了国际上岩石力学专家学者的极大关注，成为该领域研究的热点。深部开采中所产生的岩体超低摩擦效应就是其中的热点Z-O1995年俄罗斯学者M.B.kyprehr首先提岀了岩体超低摩擦效应，认为当动力冲量作用于岩体时，由于岩体振动，岩体间相对压紧程度随时间变化，那么在岩体间相对疏松的某些时刻，岩体间摩擦力会大大

2、降低（甚至降低达数倍），具有“摩擦消失”效应。深部开采中煤层突出主要表现为整体平动突岀，尤其是在顶底板为岩石的深采煤层巷道中更易发生。由于深部煤层积聚了大量的变形能，同时在受到采动的影响下，煤层和顶底板间的摩擦不断减小，煤层内部裂纹也不断发展贯通。在外界扰动的影响下，摩擦将由静摩擦变为滑动摩擦，煤层所受的夹持作用瞬间减弱甚至消失，煤层和顶底板系统出现整体结构失稳，煤岩体内储存的弹性能瞬间释放，煤层被挤入采掘空间，形成突然、猛烈的突出破坏。综上所述,岩体超低摩擦现象与地震、冲击地压、矿震等动力灾害密切相关，研究并揭示它们之间的关系刻不容缓。

3、1.2国内外深部岩体超低摩擦效应研究现状1.2.1国外深部岩体超低摩擦效应理论研究现状岩体超低摩擦理论最早由俄罗斯科学研究院西伯利亚分院矿物研究所的Kurlenya和Oparin提出，两位学者认为当动力冲量作用于岩块介质时，在某个能级上相邻两个块之间存在摩擦“消失”效应，以此来解释摆形波存在机理;他们同时指岀：力的变化主要是由于结构单元间有效粗糙而降低造成的，并通过实验验证了超低摩擦现彖的存在。该实验的一维模型实验装置如图1-1所示，运用电磁铁1对模块施加静载荷，电磁铁2对模块3施加与静载荷相互垂直的冲击载荷，并用微位移传感器来测量模块的

4、水平位移，从而得到了静载荷和冲击载荷共同作用下结构块的水平位移与水平力之间的关系（图1-2所示），而图1-3描述的是冲击载荷间有规律的滞后间隔（At轴上的*表示），由图1-3可以看出每个点对应着很大的位移变化，位移降突然增大必然是由于接触而上摩擦力减小造成的，由此证明了岩体屮超低摩擦现象。微位移传感器12匸3456捕击小球击针悬挂的丝线电磁铁2图1・1一维模型实验装置Fig.lExperimentalfacilityofone-dimensionalmodel38mJ32mJ23mJ15.3mJ9mJ水平力/N图1・2水平位移与水平力的关

5、系Fig.2Relationbetweenhorizontaldisplacementandhorizontalforce滞后时间/msO530OO图1・3水平位移与滞后时间的关系Fig.3Relationbetweenhorizontaldisplacementand岩体超低摩擦效应是指当动力冲量作用于岩块系统时，由于岩体（或岩块系）的振动导致岩石间的相对压紧程度随时间变化的效应。可以设想，在某个时刻，当岩块之间相对疏松时，岩石间的摩擦力和摩擦系数会大大降低（降低达数倍），甚至降为。由于摩擦系数降低,平衡的约束条件被破坏，岩块系的临界平

6、衡条件变化导致岩块的运动。1.2.2国内深部岩体超低摩擦效应理论研究现状国内，2005年钱七虎院士在香山科学会议“深部地下空间开发中的关键科学问题”报告中就指岀了岩体块系构造中存在超低摩擦现彖。同年王明洋教授对岩体超低摩擦效应进行了研究，得到了在具有构造等级的深部岩体介质的变形过程屮，储能及返还性状与介质变形的摩擦系数有主要关系，并利用块体动力模型研究表明：块体界面的动力变形与稳定性的影响效应规律与块体界面体变能及块体大小密切相关，而且超低摩擦现象机理也与此密切相关。2007年王洪亮采用俄罗斯专家力学模型进行实验，并通过理论分析和数值计算

7、,得到了与俄罗斯专家相一致的结论，从而验证了岩体超低摩擦效应的存在。1.3本文的工作因为深部岩体超低摩擦效应尚处于研究探索阶段。为此本文在查阅大量资料基础上，以王洪亮，王明洋等教授对于超低摩擦效应的理论和实验基础上，运用剪切梁模型对岩体进行超低摩擦效应理论研究。2深部开采工程2.1深部岩体的力学性质2.1.1深部岩体的脆-延转化深部岩体的脆-延转化岩石在不同围压下表现出不同的峰后特性，在较低围压下表现为脆性的岩石可以在高围压下转化为延性。白VonKarman(1911)首先用大理岩进行不同围压条件下的力学实验以来，人们针对围压对岩石力学性

8、质的影响进行了大量实验研究。PatersonMS在室温下对大理岩进行了实验，证明了随着压力增大岩石变形行为由脆性向延性转变的特性。但对于诸如花岗岩和大理岩这类岩石，在室温下即使围压达到1000