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结构瞬变激励下覆岩应变能场和重力势能场的演变机理
1
作者
罗生虎
高佳波
+7 位作者
闫壮壮
伍永平
解盘石
韩刚
王红伟
田程阳
王同
孙明明
《煤炭学报》
北大核心
2025年第2期768-780,共13页
揭示覆岩能量场的聚集与释放机理,是煤岩动力灾害防治的理论基础。采用模拟试验、数值计算和理论分析相结合的方法,通过构建坚硬岩层破断前、后2个稳态时的力学模型,对比分析了结构瞬变前、后采场煤岩受载的阶变特征,研究了结构瞬变激...
揭示覆岩能量场的聚集与释放机理,是煤岩动力灾害防治的理论基础。采用模拟试验、数值计算和理论分析相结合的方法,通过构建坚硬岩层破断前、后2个稳态时的力学模型,对比分析了结构瞬变前、后采场煤岩受载的阶变特征,研究了结构瞬变激励下覆岩应变能和重力势能聚集与释放的演变机理。结果表明:受自重应力场和采动卸荷效应影响,采动影响范围内的各岩层相互作用、相互制约,存在紧密且复杂的力学联系。坚硬岩层破断诱发的结构瞬变,打破了岩层间原有旧秩序的平衡,导致岩层间的力学联系发生瞬变,覆岩载荷传递路径亦发生瞬变,覆岩的应变能场和重力势能场随之改变。并且覆岩载荷传递路径的瞬变,会对采场空间不同区域的煤岩形成不同的瞬时加、卸载,造成不同区域覆岩能量的演变特征存在差异。这其中,下位坚硬岩层破断后,破裂面内力的瞬时卸载和覆岩载荷传递路径瞬变形成的瞬时加载,使其邻近采空区的部分区域瞬时向上回弹、释放应变能,回弹区以里的部分区域瞬时下沉、释放重力势能。与此同时,结构瞬变区域支撑载荷的瞬时卸载,使上位坚硬岩层瞬时下沉、变形量骤增,重力势能释放而应变能聚集。本质上,结构瞬变激励下采场煤岩的动力学响应过程,是采场煤岩原有时空结构被打破后向新时空结构演化的动力学过程,存在应变能、重力势能和动能的相互转换,并伴随有应变能和重力势能的聚集与释放。且整体而言,覆岩应变能的释放区域较小,主要集中在瞬时卸载区,其余区域瞬时增大;而重力势能的释放范围较大,仅在下位坚硬岩层的回弹区域略有增大。
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关键词
结构瞬变
应
变
能
重力势能
聚集与释放
煤岩动力灾害
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职称材料
基于结构动力学理论的矿震机理分析
2
作者
罗生虎
闫壮壮
+5 位作者
解盘石
伍永平
王红伟
朱广安
王同
田程阳
《煤炭学报》
北大核心
2025年第6期2881-2891,共11页
矿震是地下煤层开采中较常见的动力学现象,揭示矿震的力学原理是其灾害评价、预测及防治的前提和基础,采用理论分析方法,探讨了矿震的力学原理与主控因子,研究了矿震中覆岩的下沉-振动响应特征,及其作用下覆岩应变能、重力势能和动能的...
矿震是地下煤层开采中较常见的动力学现象,揭示矿震的力学原理是其灾害评价、预测及防治的前提和基础,采用理论分析方法,探讨了矿震的力学原理与主控因子,研究了矿震中覆岩的下沉-振动响应特征,及其作用下覆岩应变能、重力势能和动能的演变机理。结果显示:在结构动力学视角下,矿震是一类典型的自由振动,由坚硬岩层破断等采场煤岩结构子系统的瞬时失稳触发,由采场煤岩结构瞬变后的初始状态驱动,不需要外部能量的输入,耗散采场煤岩自身的势能(重力势能+应变能),受控于采场煤岩结构的力学性能与力学环境及其对应的瞬变特征。对于结构瞬变区域上方的覆岩,受坚硬岩层破断影响,覆岩载荷转递路径发生改变,采空区上方关键层上、下表面的承载量瞬时减小,采空区外侧关键层上表面的承载量瞬时增大。受此影响,关键层及其上覆岩层下沉-振动,其任意时刻的速度、位移和弯曲应变能线密度等响应特征均呈现出波动特性,且都以震源为中心迅速衰减。并且,在任意振动周期内,除了有能量的耗散外,亦存在不同能量间的相互转换;在第1个1/4周期内,重力势能向动能和应变能转换;在第2个1/4周期内,重力势能和动能向应变能转换;在第3个1/4周期内,应变能向重力势能和动能转换;在第4个1/4周期内,动能和应变能向重力势能转换。基于上述的理念,可以更直观地理解矿震中采场空间不同区域煤岩力学响应的发生机理及其内在关联等,为煤岩动力灾害的防控提供了新思路和新视角。
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关键词
矿震
结构
动力学
结构瞬变
自由振动
力学原理
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职称材料
题名
结构瞬变激励下覆岩应变能场和重力势能场的演变机理
1
作者
罗生虎
高佳波
闫壮壮
伍永平
解盘石
韩刚
王红伟
田程阳
王同
孙明明
机构
西安科技大学理学院
西安科技大学西部矿井开采及灾害防治教育部实验室
西安科技大学能源学院
中煤能源研究院有限责任公司
安徽理工大学矿业工程学院
出处
《煤炭学报》
北大核心
2025年第2期768-780,共13页
基金
国家自然科学基金面上资助项目(52274139,51974227)
陕西省杰出青年科学基金资助项目(2023-JC-JQ-42)。
文摘
揭示覆岩能量场的聚集与释放机理,是煤岩动力灾害防治的理论基础。采用模拟试验、数值计算和理论分析相结合的方法,通过构建坚硬岩层破断前、后2个稳态时的力学模型,对比分析了结构瞬变前、后采场煤岩受载的阶变特征,研究了结构瞬变激励下覆岩应变能和重力势能聚集与释放的演变机理。结果表明:受自重应力场和采动卸荷效应影响,采动影响范围内的各岩层相互作用、相互制约,存在紧密且复杂的力学联系。坚硬岩层破断诱发的结构瞬变,打破了岩层间原有旧秩序的平衡,导致岩层间的力学联系发生瞬变,覆岩载荷传递路径亦发生瞬变,覆岩的应变能场和重力势能场随之改变。并且覆岩载荷传递路径的瞬变,会对采场空间不同区域的煤岩形成不同的瞬时加、卸载,造成不同区域覆岩能量的演变特征存在差异。这其中,下位坚硬岩层破断后,破裂面内力的瞬时卸载和覆岩载荷传递路径瞬变形成的瞬时加载,使其邻近采空区的部分区域瞬时向上回弹、释放应变能,回弹区以里的部分区域瞬时下沉、释放重力势能。与此同时,结构瞬变区域支撑载荷的瞬时卸载,使上位坚硬岩层瞬时下沉、变形量骤增,重力势能释放而应变能聚集。本质上,结构瞬变激励下采场煤岩的动力学响应过程,是采场煤岩原有时空结构被打破后向新时空结构演化的动力学过程,存在应变能、重力势能和动能的相互转换,并伴随有应变能和重力势能的聚集与释放。且整体而言,覆岩应变能的释放区域较小,主要集中在瞬时卸载区,其余区域瞬时增大;而重力势能的释放范围较大,仅在下位坚硬岩层的回弹区域略有增大。
关键词
结构瞬变
应
变
能
重力势能
聚集与释放
煤岩动力灾害
Keywords
structural transients
strain energy
gravitational potential energy
aggregation and release
coal-rock dynamic disaster
分类号
TD324 [矿业工程—矿井建设]
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职称材料
题名
基于结构动力学理论的矿震机理分析
2
作者
罗生虎
闫壮壮
解盘石
伍永平
王红伟
朱广安
王同
田程阳
机构
西安科技大学理学院
西安科技大学西部矿井开采及灾害防治教育部实验室
陕西省岩层控制重点实验室
西安科技大学能源学院
安徽理工大学矿业工程学院
出处
《煤炭学报》
北大核心
2025年第6期2881-2891,共11页
基金
国家自然科学基金面上资助项目(52274139,52474149)
陕西省杰出青年科学基金资助项目(2023-JC-JQ-42)。
文摘
矿震是地下煤层开采中较常见的动力学现象,揭示矿震的力学原理是其灾害评价、预测及防治的前提和基础,采用理论分析方法,探讨了矿震的力学原理与主控因子,研究了矿震中覆岩的下沉-振动响应特征,及其作用下覆岩应变能、重力势能和动能的演变机理。结果显示:在结构动力学视角下,矿震是一类典型的自由振动,由坚硬岩层破断等采场煤岩结构子系统的瞬时失稳触发,由采场煤岩结构瞬变后的初始状态驱动,不需要外部能量的输入,耗散采场煤岩自身的势能(重力势能+应变能),受控于采场煤岩结构的力学性能与力学环境及其对应的瞬变特征。对于结构瞬变区域上方的覆岩,受坚硬岩层破断影响,覆岩载荷转递路径发生改变,采空区上方关键层上、下表面的承载量瞬时减小,采空区外侧关键层上表面的承载量瞬时增大。受此影响,关键层及其上覆岩层下沉-振动,其任意时刻的速度、位移和弯曲应变能线密度等响应特征均呈现出波动特性,且都以震源为中心迅速衰减。并且,在任意振动周期内,除了有能量的耗散外,亦存在不同能量间的相互转换;在第1个1/4周期内,重力势能向动能和应变能转换;在第2个1/4周期内,重力势能和动能向应变能转换;在第3个1/4周期内,应变能向重力势能和动能转换;在第4个1/4周期内,动能和应变能向重力势能转换。基于上述的理念,可以更直观地理解矿震中采场空间不同区域煤岩力学响应的发生机理及其内在关联等,为煤岩动力灾害的防控提供了新思路和新视角。
关键词
矿震
结构
动力学
结构瞬变
自由振动
力学原理
Keywords
mining earthquake
structural dynamics
structural transient
free vibration
mechanics principle
分类号
TD32 [矿业工程—矿井建设]
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题名
作者
出处
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1
结构瞬变激励下覆岩应变能场和重力势能场的演变机理
罗生虎
高佳波
闫壮壮
伍永平
解盘石
韩刚
王红伟
田程阳
王同
孙明明
《煤炭学报》
北大核心
2025
0
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职称材料
2
基于结构动力学理论的矿震机理分析
罗生虎
闫壮壮
解盘石
伍永平
王红伟
朱广安
王同
田程阳
《煤炭学报》
北大核心
2025
0
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