不同破断距下开采覆岩裂隙网络分形特征研究

为研究神东矿区不同破断距下开采覆岩裂隙网络分形特征,分析了基本顶周期破断距影响因素,选取大柳塔煤矿52505和上湾煤矿12401工作面进行物理相似模拟实验,探究了不同破断距影响下覆岩裂隙网络分布特征,借助Matlab软件获取不同覆岩裂隙网络分布分形维数,定量描述了覆岩裂隙发育特征,进一步探讨了覆岩裂隙传播影响下不同岩层沉降规律。研究结果表明:影响基本顶周期破断距主要因素包括基本顶厚度、抗拉强度以及承载载荷;大柳塔52505工作面、上湾12401工作面模拟开采平均破断距分别为20和30.4 m;不同破断距下覆岩裂隙网络的分形维数随煤层工作面推进呈现阶梯形增长态势,分形维数可较好地表征覆岩裂隙分布。两工作面最高离层裂隙发育高度与分形维数变化趋势均近似呈非线性正相关;不同破断距对覆岩整体裂隙发育扩展趋势影响显著,工作面回采前期大柳塔52505工作面分形维数相对较低,回采中后期则相反,破断距小,覆岩整体裂隙发育程度相对较高;两工作面覆岩沉降曲线呈“凸”型,近似以采空区中部对称。

不同角度充填节理花岗岩剪切裂纹扩展规律及断裂机制研究

增强型地热系统储层中岩体节理通常含有充填物,充填节理的剪切力学行为直接影响储层渗透性及连通性。基于不同角度充填节理花岗岩直剪试验,研究了充填节理花岗岩剪切破坏的力学特性、损伤变量演化及裂纹扩展规律。结果表明:充填物及节理角度影响花岗岩抗剪强度,表现为充填物改变裂纹扩展介质,节理角度影响花岗岩剪切时节理面的受力状态;充填节理花岗岩损伤破坏过程分为裂纹闭合、裂纹萌生发育、裂纹扩展破坏3个阶段,损伤变量随着损伤过程进行呈不断增大趋势;节理花岗岩剪切裂纹扩展方向可分为水平方向及平行节理方向,0°与90°节理试件剪切裂纹沿水平方向扩展直至贯通试件,30°、45°与60°节理试件剪切裂纹扩展方向与自身节理角度一致。

实时高温下花岗岩节理剪切力学性能及节理面损伤特征

花岗岩节理被认为是提升增强型地热系统(EGS)储层渗透性能的研究对象。花岗岩节理长期处于高温环境中,研究实时高温环境下花岗岩节理剪切行为是解决EGS储层渗透性能提升问题的关键和基础。为此,本文借助岩石剪切伺服试验机及力-热-水耦合剪切试验盒开展了实时高温下花岗岩节理直剪试验。结果表明:花岗岩节理抗剪强度及剪切刚度均随温度升高呈连续劣化趋势,主要划分为两个阶段:缓慢降低阶段(30~200℃)和快速降低阶段(200~400℃)。高温加剧了花岗岩节理表面凸体的剪切破坏,导致节理面剪胀变形随温度的升高而逐渐减小,且减小幅度随法向应力的增加而增大。温度与法向应力间的耦合协同作用加剧了花岗岩节理面的损伤,随温度及法向应力的增加(10 MPa、30℃至30 MPa、400℃),花岗岩节理面剪切损伤面积占比增加了21.41%。高温加剧花岗岩节理表面凸体剪断是节理面粗糙度随温度升高而降低的主要原因。

煤层采动底板突水演变过程可视化试验平台研制与试验研究

物理模拟试验可以直观展现底板突水全过程,并可获取采动底板突水灾变演化的多元化信息,成为研究承压水上开采的有效研究手段。对早期研制的深部采动底板突水模拟试验系统的突水流量监测、覆岩柔性加载、水平分级加载和恒压稳流试验舱等4个模块进行了改造,实现了突水水量区域化定量监测、覆岩柔性均布加载、双侧分区域独立加载、大容量恒压供水和全方位的密封等功能。借助改造后的试验系统和研制的非亲水相似模拟材料,以受底板承压水威胁的山东某矿为工程背景,研究了突水通道形成、流量灾变演化、隔水层应力变化等过程。试验结果表明:依据底板可视裂隙的扩展特征,将底板突水划分为横纵向演化阶段、横向周期演化阶段和灾变突水阶段;在第Ⅰ阶段,承压水顶界面主渗区首先产生于开切眼下方且位置不随煤层开采发生变化,随着开采可视裂隙向承压水含水层方向和工作面推进方向扩展,主渗区范围变大且流量显著提高;在第Ⅱ阶段,随煤层开采煤壁下方产生新的裂隙,上一阶段回采产生的裂隙封闭,裂隙扩展呈现周期性变化特征,主渗区流量呈现降低—升高—降低—升高的周期性变化趋势;在第Ⅱ阶段,突水通道形成后,主渗区成为承压水突水的源头,其他区域流量不再发生突变,可将该阶段初期的流量急剧突变特征作为突水预警信息。试验结果不仅对中东部矿区承压水上开采底板突水溃砂过程中裂隙演化、突水流量特征研究提供实验指导,同时也对矿井安全性评价及灾害预测与防治提供参考。

低透气性煤层群煤与瓦斯共采中的高位环形裂隙体

以顾桥煤矿1115(1)工作面为试验点,运用国际先进的岩层应力、位移、孔隙流压等实时监测手段,围岩变形与水、气耦合的COSFLOW数值模拟技术以及研究采动区流场特征的CFD模拟技术,系统研究并基本掌握了11号煤层深部煤层开采过程中的围岩应力场、裂隙场以及瓦斯流动场之间的动态变化规律。研究表明,采动支承压力影响范围可达300 m,覆岩运动和采动裂隙发育范围在工作面后方170 m以内,170 m以后采动裂隙基本压实,采动裂隙发育高度以及孔隙流压明显降低的高度可达145 m。在此基础上判别了1115(1)工作面上覆煤层群瓦斯高效抽采范围,并初步建立了低透气性煤层群瓦斯高效抽采的高位环形裂隙体及其判别方法,为煤与瓦斯共采理论发展以及工程实践提供了一套新的科学研究方法和工程设计手段。

煤层开采底板承压水导升模拟试验系统研制与应用

为深入分析煤层底板承压水导升规律和直观展现突水通道形成过程,基于现有的二维相似材料模拟试验台研制了煤层底板承压水导升模拟试验系统。该系统包括二维相似模拟试验台(改造后)、承压水加载系统、承压水导升系统和计算机监测系统。运用研制的系统进行了尺寸为1 900 mm×220 mm×1 800 mm的模型铺设、开挖及监测。试验结果表明:该系统将柔性水囊、导水脉络和突水口组合成一个整体,避免了一般模型底板加载压力不均衡,解决了含压水箱与模型之间的密封难题;在水压达到0.03 MPa条件下,随着工作面推进距离增大,承压水导升高度不断升高,采空区中部出水量最大,导升高度最高;承压水沿阻力最小、距离最短的线路突出,且突水通道形成呈现突发、干脆特点;底板岩层受采动矿压和承压水水压产生的压剪作用,应力值出现"负—正—负"变化趋势。

非均布荷载作用下煤岩力学强度特性试验研究

考虑不同初始垂向应力、不同初始水平应力及不同应力转移速度条件,借助于自主研发的采动应力试验系统,研究了非均布荷载作用下煤岩体的力学强度特性。研究结果表明:煤岩外部损伤残余块体对煤岩内部力学承载能力具有强化作用,当初始垂向应力、初始水平应力、应力转移速度一定时,煤岩内部力学承载能力近似为煤岩外部力学承载能力的2倍;伴随初始垂向应力的增加,煤岩整体后期力学承载能力不断降低,且处于不同初始垂向应力范围,煤岩内、外部后期力学强度递减特征不同,当处于较小初始垂向应力范围时,煤岩外部后期力学强度递减量大于煤岩内部,当处于较大初始垂向应力范围时,煤岩外部后期力学强度递减量小于煤岩内部;初始水平应力越大,煤岩体的力学承载能力越高,且无论较小还是较大初始水平应力范围,煤岩内部后期力学强度增量总大于煤岩外部;伴随应力转移速度的增加,煤岩峰值强度不断升高,应力转移速度对煤岩内部区域力学性质的影响相对较大。

断层影响下岩体采动灾变响应研究现状与展望

针对采动可能引起断层活化进而导致工程灾害,从断层形成机制、断层附近岩体采矿工程响应及致灾、大断层附近安全开采3个方面综述了断层影响下岩体采动灾害响应机制和规律研究现状。对煤矿开采尺度下断层形成的地质力学机制及区域原岩应力分布特征、断层对采动应力阻碍及传导作用机制、采动应力与断层相互作用下致灾机理、近断层煤炭安全开采与灾害防治等4方面的进一步研究提出了展望;将断层形成和运动过程中应力场、能量场与采动相结合,可以更好地研究断层影响下岩体采动灾变响应,利用断层特性可以防治相关矿山灾害,以期为认识断层影响下岩体采动灾变响应及灾害预防提供技术支持。

类岩石材料三维裂纹传播规律试验研究

对含有预制三维裂纹的脆性类岩石材料进行了单轴加载试验,结合声发射实时监测及静态CT检测技术,研究三维裂纹声发射特征及传播破裂规律。试验结果表明：试件单轴强度、起裂强度、起裂位移随裂纹深度增加而减小,对于深裂纹试件,剪切裂纹与次生裂纹的传播扩展是试件破坏失稳的关键,破坏形式以剪切破坏为主,并出现沿裂纹延伸方向的横向破断;Ⅰ型破坏起裂导致应力-应变曲线出现阶梯状波动,AE信号出现峰值,破裂后回落到峰前水平,裂纹稳定传播,Ⅱ型破裂起裂能量为Ⅰ型破裂的8~10倍,起裂后AE信号突变式增长;试件内部拉伸裂纹以裂纹中心线为对称轴向两端传播,整体形成反对称向外扩展花瓣形结构,半圆形部分拉伸裂纹起裂角度随着裂纹深度的增加而增大,剪切裂纹、次生裂纹大量发育,预制裂纹尖灭后形成了沿预制裂纹方向横向剪切裂纹面。

边坡破坏机制的离散元法研究

通过两个模型实验结果与计算结果的对照,验证了离散元法用于边坡分析的可行性,揭示了边坡破坏的机制,指出块体边坡内的应力分布是不连续的,并发现块体组合边坡内应力核存在的现象。

FRACOD模拟软件在岩石工程中的应用及案例分析

岩土工程领域中岩石作为力传播媒介在地下工程中起着至关重要的作用,掌握工程扰动过程中岩石裂纹扩展规律及破坏特征有助于揭示相关灾害发生机理,为防治灾难发生提供研究基础。为此,基于岩石断裂力学理论和位移不连续数值模拟理论,提出能够同时预测拉伸和剪切裂纹传播的F-准则,研发了能够模拟岩石混合裂纹扩展的FRACOD软件。首先从理论背景层面对FRACOD裂纹扩展模拟软件进行了详细的介绍,软件采用间接边界元-位移非连续法,并引入裂纹扩展F-准则及Mohr-Coulomb裂纹起裂准则用以模拟岩石混合裂纹扩展规律及应力场、位移场等物理场的分布规律。为验证该软件在众多工程领域的适用性,进行了地热开发钻孔破裂、岩石力学双轴压缩试验、水压致裂等三个模拟案例的对比分析。通过对模拟试验结果与室内试验或现场观测结果的对比发现,FRACOD不仅可以准确模拟岩石的裂纹扩展规律及岩体破坏特征,同时适用于涉及岩体断裂损伤的多个工程领域。因此,FRACOD研发与应用为岩石工程设计和研究提供了重要的研究工具,对岩体断裂损伤学科的发展具有重要的指导意义和参考价值。

FRACOD模拟裂纹扩展液-力耦合模块的研发及工程应用

核废料储存、地热开发等岩体施工过程中经常遇到液-力耦合(H-M)问题,给安全施工带来了巨大挑战。开展液-力耦合相关模拟问题的研究对岩体工程领域发展具有一定的现实指导意义与参考价值。FRACOD软件中的H-M耦合采用位移不连续法计算裂隙的变形和张度、用立方定律等方法依次对相邻裂隙单元之间流量、水压进行计算,再通过力学部分及液体流动部分的动态时步迭代循环,进而获得最终岩体破裂状态。为进一步验证FRACOD中液-力耦合模块的模拟效果,以地热开发中水力压裂及节理岩体中裂纹传播过程为例进行分析。模拟结果表明,在高应力环境中,天然裂隙岩体在水压及原岩应力共同作用下发生了明显的剪切滑移,受裂纹剪切的影响天然裂隙的水力孔径增加了80%,裂隙内部流体流动明显增强;在液-力耦合作用下,液体驱动的裂纹与岩石节理贯通且贯通后的节理继续向最大主应力方向扩展,模型结果直观地展现了耦合裂纹的起裂、扩展和贯通全过程以及应力场、声发射等物理场信息的分布规律。FRACOD中液-力耦合模块的开发,可成为研究岩体液-力耦合问题的工具,进而为岩体工程领域提供一种新的模拟方法和手段。

大采高工作面区段煤柱宽度量化研究

合理的区段煤柱宽度对于提高煤炭采出率、提升采煤作业的安全性具有重要作用。以杨家村煤矿22205工作面为工程背景,采用理论计算、现场监测和FLAC3D数值模拟等多种方法对9、12、15和21m不同宽度区段煤柱进行计算分析。结果表明:当煤柱宽度为9和12m时,煤柱大部分进入剪切破坏,塑性区范围较大,不能达到维持煤柱稳定的要求;当煤柱宽度为15和21m时,顶板塑性区范围减小,煤柱承载能力增强,此时的煤柱宽度能满足稳定性要求。综合考虑煤炭资源回收、巷道围岩稳定性,确定工作面的区段煤柱宽度为15m。

侧压影响下圆形洞室岩爆双轴物理模拟试验研究

为研究侧压影响下圆形洞室岩爆机制,采用双轴加载装置对含孔洞红砂岩试样进行了物理模拟试验,期间采用高速相机观测了孔洞破坏全过程。研究结果表明:岩爆过程可划分为平静期、剥落期、屈曲期和岩爆期四个时期;洞壁垂直起裂应力和岩爆V型槽破坏深度均随侧压增大而呈线性增大趋势。侧压主要从两方面影响岩爆发生:一是影响洞室破坏机制,当侧压较低时,洞壁垂直方向起裂应力小、水平方向应力梯度小,以拉伸破坏机制为主,破坏范围小,而侧压较大时,洞壁浅部区域破坏机制与低侧压时类似,但洞壁深部区域由于水平应力增加,受力类似三轴压缩,以剪切破坏机制为主,破坏范围大;二是影响洞壁能量积聚释放特征,由于侧压增大,平静期持续时间增加,而破坏期持续时间减小,造成洞壁破坏时单位时间内能量释放率增加,岩爆发生更加剧烈。

脆性类岩石材料边缘裂纹扩展规律试验研究

为研究脆性岩石边缘裂纹扩展规律,以自制的类岩石材料试件为研究对象,采用单轴加载、声发射监测及FRACOD^2D数值模拟相结合的方法,对预制边缘裂纹的起裂、扩展及声发射特征进行了研究。试验结果表明:随着预制边缘裂纹宽度的增加,试件的起裂强度、单轴抗压强度逐渐减小,I型拉伸裂纹出现的时间越来越早,剪切裂纹出现的时间越来越晚;试件的破坏形式不因预制边缘裂纹宽度不同而改变,最终以拉伸破坏为主。声发射监测中,裂纹起裂和试件整体破坏时声发射具有阶梯状波动、能量高的特点;边缘裂纹宽度越大,第1次出现能量峰值时间越早;I型破坏产生在线弹性阶段,大多数剪切与次生裂纹产生在峰值强度附近,其能量水平远大于拉伸裂纹起裂点能量值。数值模拟试验过程中,随着裂纹宽度增加,裂纹起裂角度越趋近于加载方向,裂纹数目增多,总位移由4.7 mm降低到1.07 mm,最大拉应力由58.2 MPa减小到26.8 MPa,试件的破坏形式与力学试验相同。

Numerical simulation and disaster prevention for catastrophic fire airflow of main air-intake belt roadway in coal mine—A case study

Coal mine belt fire develops very rapidly and is difficult to control. If not suppressed quickly, a belt fire could easily lead to airflow disorder and undermine the ventilation system. However, belt fire can be prevented effectively by establishing fire airflow control system. In this work, the 5th belt roadway of Kongzhuang coal mine was taken as the object of investigation, where geometrical models of this roadway were established firstly. Then, based on mathematical model of fire smoke flow, the CO volume fraction, smoke density distribution, air temperature and pollutant velocity vector in the roadway before and after taking airflow control measures were simulated by using Fluent software. It can be known from the simulation that with the normal ventilation status in 5th belt roadway, the countercurrent of smoke does not happen when a fire occurs; the roadway's section is almost filled with CO at 10 m downstream from the fire source, and with air velocity getting stable gradually, the CO concentration reaches about 15 %. After taking airflow control measures, the effect range of temperature field which are harmful to the miners decreases from 69 m to 30 m; and the distance of the roadway fully filled with CO is 5 m farther than that before taking measures. Finally, according to the numerical simulation results and the actual condition of the belt roadway, the warning and automatic remote airflow control system with short-circuit method for the 5th belt roadway was designed to guarantee the safety production.

复合应力状态下砂岩损伤演化与裂纹扩展特征试验研究

为从细观尺度上研究复合应力状态下岩石中裂纹的扩展,采用数字图像相关技术,对砂岩人字形切槽巴西圆盘试件展开试验研究。基于试验中获取的试件在加载全程中的裂缝开口位移、全场域的应变场和位移场的分布和演变规律,对岩石的损伤演化及裂纹扩展机制和特征进行分析。结果表明:复合应力状态下岩石的损伤演化具有明显的阶段性;主要断裂形态为翼裂纹和次生裂纹,均为拉剪复合型裂纹;翼裂纹起裂位置随加载角度增大向试件中心靠近,沿曲线路径向加载点扩展,扩展中主导机制为拉伸;次生裂纹从柱面边缘起裂,以较平直路径向切缝尖端或切缝上某处扩展,扩展过程快速而不稳定,拉伸与剪切在其扩展机制中所占比重随加载角度变化。

潘一东矿煤层氧化升温模拟实验研究

为掌握潘一东矿煤层自燃产物产生规律,为建立自然发火早期预报指标体系提供依据,本文 利用自主研制的实验装置对潘一东矿11号煤层的煤样进行了氧化升温模拟实验,分析了煤样升温过 程中CO、 C2 H4生成量随温度变化的规律,实验结果表明煤样在较低的温度条件下就产生CO,其绝对 生成量在整个氧化过程中单调递增,但其增幅在不同溢度条件下是不均匀的,存在着突变温度点; c2 h4 首次出现温度在101℃,在101℃-230℃之间单调递增,在230℃以后其产生量出现了波动.

充填墙提升煤柱性能机理与数值模拟研究

在对条带煤柱破坏失稳过程和规律分析的基础上,研究了充填墙加固煤柱以提升其性能机理,对低强度膏体和高强度矸石混凝土充填墙提升煤柱性能进行了模拟及分析。结果表明:充填墙加固作用主要体现在对煤柱侧向约束和分担煤柱承载载荷上,充填墙自身强度和对煤柱的侧向约束须满足一定条件才能保证煤柱性能提升效果;充填墙主要限制了煤柱塑性破坏区煤体横向变形并使其承载能力增加而宽度减小;充填墙分担煤柱承载载荷,煤柱整体支承压力都有所降低;高强度矸石混凝土充填墙提升煤柱性能效果优于低强度膏体充填墙,相同宽度下可以分担更多煤柱承载载荷、更有效地限制煤柱横向变形并提供足够的侧向约束力;在模拟地质采矿条件下当矸石混凝土充填墙宽度3 m时为最佳,煤柱性能得到显著提升,又不至过大增加成本,煤柱整体应力分布趋于平缓、均匀,横向变形较小,3 m宽矸石混凝土充填墙可等效7.93 m宽煤柱,煤柱尺寸可减小15.86 m,煤炭采出率可提高17.62%。

节理特性对花岗岩起裂应力和损伤应力影响规律颗粒流模拟

节理花岗岩起裂应力、损伤应力的研究对认识其渐进破坏过程和脆性破坏机制具有重要意义.利用细观颗粒流软件模拟了不同长度、倾角的单节理花岗岩单轴压缩试验,并通过监测微裂纹确定其起裂应力和损伤应力,研究了节理长度、倾角对起裂应力和损伤应力影响规律.结果表明：当节理方向与加载方向夹角α一定时,随节理长度L增加,起裂应力和损伤应力逐渐递减,其中α为30°-60°时,递减幅度最大;而当L一定时,随α增加,起裂应力、损伤应力先递减再递增,当α为90°时,起裂应力略有下降;当α为45°时,起裂应力最小,而当α为30°或45°时,损伤应力最小.单节理花岗岩起裂应力与峰值应力比值介于29.1%-45.04%,大部分大于完整花岗岩,而其损伤应力对节理长度、倾角变化的敏感度要大于峰值应力,其值介于72.84%-83.25%,大于完整花岗岩.节理花岗岩起裂应力和损伤应力大小与其破坏模式有关,当主破坏面裂纹起裂和扩展始于节理尖端而沿节理方向时,起裂应力和损伤应力最小.