巷道冲击地压的断裂力学模型

（ ） ：
作者简介：
黄庆享（ 金等科研项目 著 部 ） ，男，博士，副教授，采矿系副主任兼陕西省岩层控制重点实验室副主任， 项，参加国家自然科学基金等项目多项，获得省、部级和教委科技进步奖 年毕业于西安矿业 篇，出版专
学院采矿系，主要从事浅埋煤层顶板控制、放顶煤开采、模拟实验技术等方面的科研与教学工作，主持陕西省自然科学基 项，发表论文
，
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巷道冲击地压的损伤断裂力学模型
作者： 作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数： 黄庆享， 高召宁， HUANG Qing-xiang， GAO Zhao-ning 西安科技学院采矿工程系, 煤炭学报 JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY 2001,26(2) 16次
!
极限应力影响因素分析
根据公式（ ） ， （ ）绘制 与 的关系曲线，如图 （ ）所示，薄壳抗载能力 与预存裂纹长度 薄壳厚度 和宏观裂纹长度 取决于预存裂隙长度 的大小，其关系如图 （ ）和
呈非线性反比关系 （ ）所示
图
与 ， ， 的关系 ， ，
随着预存裂纹长度
增加，薄壳厚度
和宏观裂纹长度 增加，而随着宏观裂纹长度
伤变量推导出在长度
和厚度! 内的损伤变形能为
!
"
" !! （ ）
" !! ， （ ）
求导，得
" !! （ ）
!"# 片帮型冲击地压损伤断裂模型 天然的煤岩体存在大量的缺陷或裂纹（统称预存裂纹） ，巷道开 挖引起围岩应力重新分布，出现高应力集中区，在此区域预存裂纹 明显增加 同时，巷道开挖形成了自由表面，使轴向应力 " 在自由 表面降低至零，相当于在围岩预存裂纹的远场只施加了压应力 " 在这种应力条件下，预存裂纹尖端产生翼型张裂纹，这些裂纹距自 由表面的距离一般较小，近似平行于压应力" 方向 成薄壳 行 翼型裂纹相互
是薄壳的形成与预存裂纹性质无关，并且认为宏观裂纹的扩展、失稳仅与预存裂纹的位置有关而与其长度
"
结
论
由裂纹扩展变形能 和损伤变形能 两部分组成 薄壳厚度 和宏观裂纹
（ ）在巷道冲击地压发生的过程中，围岩首先产生损伤积累，对裂纹的产生、扩展和失稳产生影响 裂纹最终扩展所需变形能 （ ）在断裂力学 （ ） 与预存裂纹长度 能量理论中引入损伤变形能，给出了发生冲击地压的极限应力 呈非线性反比关系，预存裂纹长度越大，越容易发生冲击地压 的大小 随着预存裂纹长度 的增加，薄壳厚度
致与主应力平行或呈很小夹角，在外力作用下微裂纹扩展使裂隙互相结合起来，裂纹间的相互作用和联合 将使煤岩类材料局部弱化，并最终导致宏观裂纹的形成，引起煤岩类材料的断裂破坏和宏观失效 和 优势 效 !"!
［ ］
认为：缺陷诱发的应力场使扩展的翼裂纹排列互相平行，其连续扩展比张性开裂占有
缺陷的这种连续扩展导致了煤岩类材料局部弱化区的出现，并形成了宏观裂纹，使材料最终宏观失 研究表明，宏观裂纹的扩展断裂与损伤积累息息相关 损伤变量选择 煤岩类材料中的预存微裂纹，在外力作用下形成的新生微裂纹，按照 提出的应变等价原理，
第
卷第 年
期 月 （ ）
煤
炭
学
报
! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !
文章编号：
巷道冲击地压的损伤断裂力学模型
料的损伤积累，把裂纹扩展过程与材料损伤过程耦合起来，确定了发生冲击地压的临界应力 ! ，
冲击地压是一种发生在井巷或回采工作面围岩（煤体）内，以突然、急剧、猛烈破坏为特征的矿山压 力的动力现象，给安全生产带来严重危害，研究它的发生机理是非常必要的 论 由于冲击地压的复杂性，这些理论都存在一定的适用范围和局限性 笔者在研究片帮型冲击地压时，考虑了宏观裂纹出现以前材料中的微缺陷或微裂纹的形成及其发展对 煤岩类材料力学性质的影响，采用断裂力学和损伤力学相结合的方法，研究巷道片帮型冲击地压发生的机 理，克服了单纯采用断裂力学方法的缺陷，为预测、预报巷道片帮型冲击地压提供了可靠的理论依据 目前，对于冲击地压机理的 认识还不统一，主要有强度理论、能量理论、冲击倾向理论、断裂理论以及近年来我国学者提出的失稳理
!
巷道片帮型冲击地压的损伤断裂力学模型
大多数煤岩类介质的微结构具有各向异性，造成局部的应力集中 当岩体整体受压时，在这些应力集 李
中区将产生局部的张应力，在岩体内部引起延性 ! 型微裂纹，其扩展近似平行于最大压应力方向 贺
［ ］
等认为：岩石在最终断裂前，有强烈的应变集中带，在应变带中有许多雁型排列的微裂纹，它们大
黄庆享，高召宁
（西安科技学院 采矿工程系，陕西 西安 ）
摘
要：分析了平巷煤壁中预存裂纹尖端产生翼型张裂纹，形成薄煤层壳，薄煤层壳弯曲变形失 能量理论及能量判据，考虑了材
稳引发冲击地压的机理 分析过程采用了断裂力学中的 并分析了其影响因素 关键词：材料损伤；裂纹扩展；薄煤层壳；冲击地压 中图分类号： 文献标识码：
其损伤变量采用比较敏感且容易测到的弹性模量来表示，即 ， 式中， !"# 为受损材料的弹性模量； 为无损材料的弹性模量
［ ］ 能量理论 引入损
损伤变形能的确定 假设半长为 的预存裂纹在长度 上均匀分布，在厚度 " 上紧密排列，由
）
收稿日期： 基金项目：陕西省教委专项科学研究基金资助项目（
第
期
黄庆享等：巷道冲击地压的损伤断裂力学模型
图 巷道围岩中翼型张裂 纹及薄煤壳受力模型
（ ）
作用、演化、贯通，形成宏观裂纹，使巷道围岩沿自由表面附近形 这一过程随 " 从自由表面至煤壁深处逐渐增大而反复进 由于压应力" 的作用，形成的煤层薄壳发生弯曲，加剧了裂纹 的扩展和裂纹群的演化，进一步使煤层薄壳承载能力降低 如果压 所 为 （ ）
应力" 达到一临界值时，就有可能发生片帮型冲击地压，如图 示
和宏观裂纹长度 取决于预存裂隙长度 长度 增加；随着宏观裂纹长度 （ ） 与预存裂纹长度 、薄壳厚度
和薄壳厚度 的增大，发生冲击地压的几率和冲击地压程度增大 和宏观裂纹长度 呈非线性关系，体现了损伤积累的明显影
响，克服了不考虑损伤因素所得出结论的片面性
第
期
黄庆享等：巷道冲击地压的损伤断裂力学模型
参考文献：
本文读者也读过(10条) 1. 黄庆享.石平五.钱鸣高.Huang Qingxiang.Shi Pingwu.Qian Minggao 老顶岩块端角摩擦系数和挤压系数实验研 究[期刊论文]-岩土力学2000,21(1) 2. 黄庆享 浅埋煤层长壁开采顶板结构理论与支护阻力确定[期刊论文]-矿山压力与顶板管理2002,19(1) 3. 黄庆享.刘文岗.田银素 近浅埋煤层大采高矿压显现规律实测研究[期刊论文]-矿山压力与顶板管理2003,20(3) 4. 黄庆享.HUANG Qing-xiang 厚沙土层下采场顶板关键层上的载荷分布[期刊论文]-中国矿业大学学报2005,34(3) 5. 黄庆享.李冬.刘腾飞.陈国红.董伯林.陈明武.胡耀.项乾华.唐志明 急倾斜临界角煤层沿空留巷矿压规律与支护 对策[期刊论文]-矿山压力与顶板管理2004,21(4) 6. 王双明.范立民.黄庆享.申涛.苗霖田 生态脆弱地区的煤炭工业区域性规划[期刊论文]-中国煤炭2009,35(11) 7. 黄庆享.董伯林.陈国红.冉隆明.黄正平.HUANG Qing-xiang.DONG Bo-lin.CHEN Guo-hong.RAN Long-ming.HUANG Zheng-ping 急倾斜软煤巷道破坏机理及锚网支护设计[期刊论文]-采矿与安全工程学报2006,23(3) 8. 黄庆享.HUANG Qing-xiang 厚沙土层在顶板关键层上的载荷传递因子研究[期刊论文]-岩土工程学报2005,27(6) 9. 黄庆享.陈杰.杨宗义 浅埋厚煤层分层开采合理隔离煤柱尺寸模拟研究[期刊论文]-西安科技学院学报2001,21(3) 10. 黄庆享.HUANG Qing-xiang 公路隧道TZL预应力锚杆支护效果对比试验研究[期刊论文]-西安公路交通大学学报 2000,20(4)
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［ ］
假定煤体为脆性材料，裂纹扩展单位面积释 ） （ ）
为 （
考虑损伤的断裂极限强度 岩体中裂隙的断裂强度是与裂隙的失稳扩展相对应的，并且可以与岩体裂隙的损伤演化过程耦合起 裂纹从 点扩展到 点时， 点先损伤，然后才会形成断裂，最后形成裂纹
［ ］
因此可以认
为，在裂纹形成前煤体由于自身的缺陷已为受损的介质，在裂纹出现过程中，伴随着材料的进一步损伤， 材料的损伤积累影响着裂纹的产生和发展，导致了裂纹的出现 组成：损伤应变能 由式（ ） 和裂纹扩展的能量释放率 ，即 （ ） （ ）得 （ ） !"! （ ） 薄煤壳弯曲变形，使裂纹 所以，裂纹扩展所需要的应变能由两部分
引证文献(16条) 1.夏永军 跃进煤矿25110综放工作面发生冲击地压影响因素分析[期刊论文]-内蒙古煤炭经济 2013(10) 2.高明仕.窦林名.张农.郑百生.阚甲广 煤(矿)柱失稳冲击破坏的突变模型及其应用[期刊论文]-中国矿业大学学报 2005(4) 3.贺虎.窦林名.巩思园.王利利.高明仕.张学飞 巷道防冲机理及支护控制研究[期刊论文]-采矿与安全工程学报 2010(1) 4.高明仕.窦林名.张农.王恺.郑百生 冲击矿压巷道围岩控制的强弱强力学模型及其应用分析[期刊论文]-岩土力学 2008(2) 5.GAO Ming-shi.DOU Lin-ming.ZHANG Nong.XIE Yao-she.ZHENG Bai-sheng Simulation of the relationship between roadway dynamic destruction and hypocenter parameters[期刊论文]-中国矿业大学学报（英文版）
随着压应力的不断增大，裂纹将迅速贯穿、联结，在煤壁附近形成薄煤壳 出现不稳定扩展，此时的压应力达到了临界值" ，即
煤
炭
（ !（ !，
学
） ）
报
! （ ）
年第
卷
[
某矿煤层埋藏深度 ，
（ ）
]
，
（ ） （ ） 实验室测定 ，自重应力 ，
!! ，岩体容重 ，
! !! ，煤层倾角
，经过计算得临界应力
，此应力已接近临界应力 ，所以有可能发生冲击地压
和薄壳厚度
的增大，发生冲击地压概率和冲击地压程度增大 预存裂纹长度 ，决定了距离工作面煤壁 置，对片帮型冲击地压的发生具有关键性影响 无关，这显然是不客观的 一般情况下，井下工作巷道为非裸露巷道，考虑到巷道支护反力的影响，必然在巷道围岩中裂纹尖端 产生一个负的附加应力强度因子 尖端原应力场，即 " 附加应力场叠加到原应力场中，裂纹尖端附加的应力场减弱了裂纹 ，抑制了裂纹的继续扩展，在一定程度上可以控制冲击地压的发生 处的预存裂纹的扩展和失稳，即决定着薄壳的厚度和位 而在传统研究中，由于没有考虑损伤因素，所得出的结论
［ ］ ［ ］ ［ ］ ［ ］ ［ ］ ［ ］ 李 贺 岩石断裂力学［ ］ 重庆：重庆大学出版社， ， （ ） ： ， （ ） ：
张小春，杨挺青，缪协兴 岩石裂纹演化及其力学特征的研究进展［ ］ 力学进展， 王维纲 高等岩石力学［ ］ 北京：冶金工业出版社，
张晓春，缪协兴，翟明华，等 三河尖煤矿冲击矿压Leabharlann Baidu生机制分析［ ］ 岩石力学与工程学报， 李新年，朱瑞赓，朱维申 裂隙岩体的损伤断裂理论与应用［ ］ 岩石力学与工程学报， 简 浩，谷栓成 结构性土体破损的全过程分析［ ］ 岩土力学， ， （ ） ： ，
［ 考虑自由表面对裂纹的影响，裂纹尖端的应力强度因子 ］
# !
， ! # ! "# （ $） ，
式中，
$ $， （ $） # 为翼型张裂纹产生时，预存裂纹面上的一对张力； 为裂纹长度； $ 为预存裂纹与压应力方向的
倾角； 为考虑摩擦阻力和次生翼型裂纹弯曲的级次单位因子； ! 为预存裂纹到自由表面的距离 ［ ］ 认为：在外载荷的作用下，如果杜绝外界能量的传入，则裂纹开始扩展时，形成裂纹表面的 能量是由裂纹开裂过程中所释放出来的弹性变形能所提供的 放的应变能，即能量释放率 !"$ 来