强扰煤岩体蠕变过程中跨尺度非连续结构演化研究进展

【目的和方法】巷道围岩时效变形破坏、蠕变型冲击地压等灾害是深井面临的重大威胁,加之深部采动与结构变化的影响,亟需研究强扰煤岩体蠕变过程中跨尺度非连续结构演化规律,系统回顾煤岩体力学性质的尺度效应、非连续结构与多物理场效应,以及煤岩体长时稳定性、蠕变演化规律与力学模型。【结果和结论】强调不同尺度(细观-宏观-工程尺度)、不同尺寸(REV范围内)煤岩变形破裂过程中非连续结构(包括裂隙和矿物)与物理力学性质存在密切的关联特征。指出煤岩体跨尺度非连续结构导致应力场非均匀分布,造成力学各向异性、尺度效应及尺寸效应,进而出现非协调宏观破裂现象。透明解析与推演煤岩变形破裂过程中跨尺度非连续结构与多物理场演化规律,是认识煤岩灾变内禀机制的关键。明确指出现有蠕变实验与蠕变模型在煤岩表面变形及破裂方面具有优势,但无法预测煤岩内部变形与非连续结构;为此提出了全尺寸CT扫描重构、数字体图像相关(DVC)、跨尺度等效岩体-等效晶质建模(SRM-GBM)相结合的破解方法。对扰动煤岩体蠕变前沿问题进行了讨论,阐明了非连续结构与应力引起内部变形损伤诱发蠕变这一新观点,指出非连续结构和应力是煤岩非协调蠕变的主控因素,最后建立了强扰煤岩体蠕变过程中跨尺度非连续结构与多物理场演化的精细化建模及透明解析新方法。研究成果为相关矿山灾害的发生机理、预警与防控提供理论基础。

基于能量原理不同含水率下煤岩体变形破坏能量损伤演化机制

为探究不同含水率下煤岩体在变形破坏过程中的能量演化规律与损伤演化特征,对双马一矿煤岩体开展了在不同含水率条件下单轴压缩试验,基于能量计算及最小耗能原理,分析不同含水率下煤岩体能量耗散特征及损伤演化机制,结果表明:不同含水率下煤岩体力学性质不同,峰值应变与含水率呈正相关,抗压强度、弹性模量与含水率呈负相关;煤岩体含水率越高,其在峰值处弹性应变能及破坏吸收总应变能越小,耗散能占总应变能比例越高;基于最小耗能原理建立的损伤本构模型表明:随着煤岩体含水率增加,损伤门槛值逐渐降低;干燥状态下,煤岩体在应力峰值处损伤变量分别为0.36、0.28,当含水率增至自然状态时,煤岩体在应力峰值处损伤变量值分别下降0.09、0.18,但当含水率增至饱水状态时,煤岩体在应力峰值处损伤变量值反而分别大幅度上升0.102、0.49,总体呈先减后增的发展趋势;进一步建立了不同含水率煤岩损伤应变能释放率演化模型,低含水率煤岩较干燥煤岩的最大损伤应变能释放率大幅度下降,降幅分别为45.61%、31.29%,而随着含水率增加至饱水状态,其最大损伤应变能释放率增大幅度较平缓,分别为3.08%、8.80%,表明煤岩破坏剧烈程度并未大幅度增加。研究成果对煤岩矿柱水害预测评价与岩石损伤评估具有一定参考意义。

三维静载与循环冲击共同作用下组合煤岩体力学特性试验研究

为进一步研究循环冲击载荷下煤岩体的力学特性,以岩-煤-岩结构试样为研究对象,利用改进后霍普金森压杆试验系统,开展三维静载与循环动态冲击试验,研究冲击入射能及围压对岩-煤-岩结构试样的强度、变形及破坏特征的影响。研究结果表明:相同围压下,总循环次数随冲击入射能的增加而逐渐减少;相同入射能下,总冲击次数随围压的增大而增加;相同围压下,平均应变率随着冲击次数、冲击入射能的增加而逐渐增加;相同入射能下,围压9 MPa时应变率较低且前期增长幅值较为缓慢,围压3 MPa时应变率较高且增长速度较快;峰值应力、变形模量随入射能增加而逐渐递增,随冲击次数增加而逐渐递减;相同入射能下,峰值应力及变形模量随围压的增大而增加;相同围压下,峰值应力与应变率呈幂函数递减,变形模量与应变率呈线性函数递减;循环冲击下,煤岩体破碎程度明显高于单次冲击,破坏主体是煤,破坏形式为剪切-拉伸复合破坏,并且具有明显的率相关性,随着冲击入射能的增加或者围压的减少,煤碎块尺寸较小且块数较多。研究结果可为深部煤岩体动力灾害控制提供理论参考。

动静荷载下煤岩体应力波传播与衰减特征

首先,采用霍普金森压杆(SHPB)试验系统对短试样(长度为50 mm)和长试样(长度为300 mm)煤岩开展多种应变率和不同传播距离的冲击试验,并将应变片粘贴在长试件的不同位置;其次,结合自主研发的干耦合式超声波测试系统开展多应力水平和多频率的超声波测试试验;最后,揭示应力波在煤岩传播过程中的能量损失规律以及高频波与低频波的衰减规律。研究结果表明:在冲击试验中,入射、反射及透射应力波峰值均随应变率增加而增大,但由于应变率增加时波频率增加,高频波在穿越微观结构面时更易衰减,透射系数随应变率增加而呈线性减小;透射波在传播距离300 mm以内衰减较快,衰减量达30%,透射波随距离增加大致而呈现指数形式的衰减规律;超声波由于振动幅值小且频率高,在传播过程中距离达到75 mm时迅速衰减,之后的衰减幅度逐渐趋于平缓。高频率更易与煤体的细观结构发生相互作用而被吸收,致使高频波随传播距离衰减更快,频率与波幅值衰减呈线性关系。

采空区垮落煤岩体净化效能时空演化规律研究——以凌志达煤矿为例

采空区地下水库的建设对矿井水资源的利用意义重大。随着矿井水通过垮落煤岩体,水中悬浮物会产生迁移与沉积的现象,从而影响采空区垮落煤岩体的净化效能,进而影响采空区地下水库的净水能力和使用年限。采用考虑源汇项的水动力弥散方程作为描述悬浮物在采空区垮落煤岩体中迁移与沉积过程的数学模型,研究了悬浮物浓度随采空区内流程长度的变化规律,预计了凌志达煤矿采空区地下水库的使用年限,并分析了滞留因子对采空区地下水库使用年限的影响,可为评估采空区地下水库使用年限提供理论依据。

冲击载荷作用下组合煤岩体动态力学特性研究

在地下工程开挖过程中,一系列层状岩体的动态损伤与破坏是造成重大地质灾害的关键因素。以多层组合煤岩体为研究对象,基于SHPB试验系统,研究在低速/高速冲击、不同组合顺序、有/无围压状态下5层组合煤岩体的应力、应变、应变率时程动态变化以及应力-应变动态变化规律,得到高速冲击作用下组合煤岩体的应力、应变时间动态分布规律,对揭示动力灾害的发生机理具有重要意义。

煤岩体损伤破坏演化规律试验研究

为了研究煤岩体的损伤破坏特征,采用配制的标准型煤试样开展单向加载条件下煤岩试样的表面损伤统计试验,结合数字图像技术研究煤岩体的损伤破坏演化过程,分析散斑损伤变化、瞬时应变、应变变化和损伤破坏之间的关系。结果表明,试样表面损伤破坏过程分为4个阶段:压密阶段、弹性变形阶段、峰值应力阶段、峰后破坏阶段。对3个类型的煤样损伤破坏产生的裂隙进行分析,发现沿x、y和xy 3个方向上的应变增加规律较为相似,其中沿y方向上和沿xy方向上的变化均表现不明显,沿x方向上的变化明显且与损伤的增加趋势相近,说明沿x方向的应变变化是煤样损伤破坏的主要因素,且不同的发育阶段损伤累积增加导致裂隙的发育程度也不同,最终形成煤样表面的不同破坏类型。

瓦斯抽采钻孔孔周煤岩体损伤破坏试验

为研究瓦斯抽采钻孔蠕变失稳特性,采用数字散斑系统观测孔周煤岩体裂纹在扩展过程中的损伤破坏及蠕变过程,得到孔周煤岩体的损伤演化及蠕变力学特性规律。将煤样破坏分为缓慢型、间断型和瞬间破坏型,3个类型的煤样损伤破坏产生的裂隙主要由沿x方向应变引起,其中在不同的发育阶段损伤累积增加导致裂隙发育程度也不同,最终形成了煤样表面的不同破坏类型。在恒载应力下,随着蠕变时间推移,煤岩体的变形能力、变形空间都逐渐减弱,映射了现场的孔周煤岩体的抗压抗变形能力与蠕变时间的关系。

急倾斜煤层开采速度对煤岩体的扰动规律分析

急倾斜煤层由于其赋存环境复杂,煤岩体所受推进速度的扰动效应明显。为掌握不同推进速度下煤岩体应力、能量演化规律,构建急倾斜煤层开采的数值模型,统计分析不同推进速度下微震能量-频次、产量、回采率等特征,并基于推进速度与卸压力度耦合作用关系确定合理的推进速度。数值模拟结果表明,随着煤层开采后岩柱发生弯曲撬动,在靠近B1+2煤层顶板处形成高应力集中及高能量积聚区域,随着推进速度增大,岩柱内高应力集中及高能量积聚程度均升高,岩柱弯曲撬动效应愈明显。微震监测结果表明,随着推进速度增大,微震事件频次、能量增大,煤岩体受扰动程度增强,产量增大但回采率降低,煤炭损失增大。基于推进速度与卸压力度的耦合分析,提出单日产量/单日炸药使用量K值,得出推进速度为3.2 m/d时,K值最大,降低和提高推进速度K值均减小,即在保证卸压安全的情况下,可以适当提高推进速度。研究结果可以为急倾斜煤层推进速度的确定提供一定的参考。

积水采空区破碎煤岩体渗流特性试验研究

掌握积水采空区破碎垮落带煤岩体渗流规律对矿井瓦斯安全高效开采至关重要。利用气水两相可调控流动试验系统,采用稳态渗透法开展了积水采空区破碎煤岩体应力-渗透率试验,得到了不同块径、不同积水量条件下渗透参数随轴向载荷的变化特征,揭示了积水采空区破碎煤岩体渗流规律。结果表明:煤样应变随着载荷应力的增加逐渐增大;相同积水量条件下,不同块径煤样渗透率随着载荷的增大呈指数式递减;相同块径条件下,不同积水量的煤样渗透率随载荷的增大呈减小的趋势,且随着载荷的增大,积水量对渗透率的影响逐渐减小。

注浆加固在破碎煤岩体中的应用与研究

破碎煤岩体注浆加固对控制围岩稳定具有重大意义,分层注浆效果检验是检测注浆工程合格的重要环节。通过设计分层注浆方案,选择合理的注浆材料、注浆压力以及注浆量,从浆液填充率、钻孔电视探测、分段注水、巷道检测4个方面进行注浆效果检验。结果表明,分层注浆工艺裂缝的浆液填充率可达90%以上,孔隙率低于10%,填充效果优于传统注浆工艺。

采动煤岩体瓦斯通道形成机制及演化规律

为了研究采动煤岩体瓦斯通道形成机制及其演化规律,运用断裂力学和岩石力学相关理论,结合煤岩体裂隙发育特征将工作面前方煤岩体瓦斯通道分为孤立通道区、张裂破坏区、剪切破坏区及支承压力峰值后破坏区,提出前3区域属于细观流动通道,第4区域属于宏观流动通道;研究了采动过程中煤体顶板变形受力特征、裂隙发育规律及通道导通特性,进行了顶板宏观瓦斯通道的分区:瓦斯紊流通道区、瓦斯过渡流通道区和瓦斯渗流通道区,结合实验室模拟分析了上覆煤(岩)层瓦斯通道发展变化过程,其经历了卸压、失稳、起裂、突变张裂、吻合缩小、加速闭合、通道维持、再次加速闭合直至完全被压实闭合的过程。

煤岩体钻孔结构观测方法及应用

介绍了煤岩体结构观察与测试方法,煤矿井下采用的光导纤维钻孔窥视仪、前视电子钻孔窥视仪及数字式全景钻孔摄像系统的测试原理、仪器结构及特点。提供了在典型矿井获得的钻孔观测结果及图像,分析了煤岩体中钻孔形态及结构面分布特征。介绍了钻孔观测结果在采矿工程中的应用,包括煤岩体结构面分布与完整性评价,水压致裂地应力测量,采场顶板冒落与岩层移动研究,巷道围岩变形与破坏机理研究,巷道支护与加固设计,工程质量检测与支护加固效果评价等方面。实践证明,钻孔摄像与观测是一种能够直观、有效、快速观测钻孔形态及其变化的手段,为矿山压力与岩层控制研究,采矿工程设计、施工与质量检测提供了可靠的基础数据。最后,针对钻孔观测存在的问题,提出了改进建议。

煤岩体拉伸失稳破坏电荷感应规律研究

为研究不同类型煤岩试样拉伸破坏过程自由电荷运移规律,以巴西圆盘劈裂试验为基础建立煤岩拉伸失稳破坏全程电荷监测系统。试验中分别对砂岩、泥岩及煤体拉伸失稳动态破坏过程进行实时电荷监测,得到煤岩体拉伸破坏过程中的力学特征和自由电荷运移规律。研究结果表明:煤岩体拉伸过程中有自由电荷产生,电荷信号异常区域对应于煤岩劈裂试验中应力突变阶段,煤体拉伸破坏所产生的自由电荷相对于砂岩、泥岩更为丰富,煤体断裂后的残余强度依旧使得电荷信号有较大波动,而砂岩、泥岩试样断裂后的残余强度却使得电荷信号波动较小。煤岩体拉伸与压缩破坏电荷感应规律不同,拉伸失稳破坏过程中拉应力造成裂纹扩展进而导致损伤局部化是电荷信号异常的重要原因之一。

煤岩体采动裂隙网络的逾渗与分形特征关系研究

以平煤八矿己15-22060工作面为背景,引入逾渗和分形理论,分析了煤岩体裂隙网络的演化特征,得到了逾渗概率和分形维数随工作面推进度的变化规律及二者的变化关系。结果表明:逾渗概率的大小受横向离层裂隙和竖向破断裂隙的发育、贯通等因素影响,随工作面推进分阶段线性增大,且增幅有增大的趋势;随工作面推进煤岩体的裂隙网络逐步向工作面前方煤体和上覆岩层扩展,分形维数大小受裂隙的长度、宽度、数量、分布等因素控制,升维过程大致可分为3个阶段;煤岩体裂隙网络的逾渗概率与分形维数的关系可分段拟合为1个幂函数和2个线性函数,且具有很好的相关性,数学模型的建立可为研究煤岩体裂隙网络的等效渗透率奠定一定的基础。

多相介质煤岩体力学实验研究

基于自然煤样、水饱和煤样和气、水饱和煤样的三轴对比力学实验得出 :自然煤样的弹性模量、抗压强度和体积压缩系数大于饱和水煤样的 ,饱和水煤样的又大于气、水饱和煤样的 ,而泊松比则正好相反 ;平行层理方向的应变大于垂直层理方向的应变 ;煤吸附气、水介质后 ,体积发生膨胀 ,煤体强度和机械能降低。指出了在地面开发煤层气过程中 ,随着气、水介质的排出 ,煤基质发生收缩 ,煤体强度提高 ,泊松比减少 ,上覆重力在煤储层水平方向的分量降低 ,煤储层渗透率得到改善。

煤岩体破裂电磁辐射分形特征研究

为提高电磁辐射预测煤岩体动力灾害的准确性,采用室内试验和分形理论相结合的方法研究单轴压缩煤体产生的电磁辐射分形特征。研究结果表明:煤岩体受载过程中产生的电磁辐射脉冲数在时间上具有明显的分形特征,分形维数与煤样的冲击能指数成正幂指数关系;当受载煤岩体处于压密阶段时电磁辐射分形维数较小;处于弹性阶段时,电磁辐射分形维数有一个较小增长,并保持在一个稳定的水平;当受载煤岩体处于塑性阶段时,电磁辐射分形维数大幅度提高;临近主破裂时电磁辐射逐渐降低;主破裂时电磁辐射分形维数降低到最低水平;残余变形阶段,电磁辐射分形维数先增长后减少,总趋势减少。利用上述研究成果,成功地对7249工作面的冲击地压进行准确的预测预报。实践表明,计算脉冲数分形维数的电磁辐射法能够预测煤岩动力失稳现象。

随机分布裂隙煤岩体模型及其应用

煤层中随机裂隙展布模拟技术是瓦斯抽放数值模拟中的关键技术。利用Monte-Carlo模拟技术模拟实际煤岩裂隙的随机性,建立了随机分布裂隙煤岩体模型,并在Matlab平台下开发了二维随机裂隙煤岩体生成程序RFSS2D。在煤岩实测数据和统计分析的基础上,利用编制的程序不仅能生成与实际煤岩具有相同统计分布裂隙网络的虚拟煤岩体,而且能实现有限元网格自动剖分。以辽宁某瓦斯抽放试井作为数值算例,依据实测和统计数据建立了随机裂隙分布的煤岩体模型,模拟了瓦斯压和应力的演化规律,结果表明,与瓦斯抽放井连通的裂隙对瓦斯运移影响很大,与瓦斯抽放井不连通的裂隙对瓦斯运移也有影响,但影响有限。

考虑界面倾角及分形特性的组合煤岩体强度及破坏机制分析

为深入研究分界面对组合煤岩体力学行为的影响,设计25个不同界面分形维数及倾角的组合体试验模型,运用RFPA软件对其力学特征及破坏机制进行数值试验研究。计算结果分析表明:界面倾角及分形维数对组合体的破坏强度、破裂形式、弹性模量及损伤有明显的影响:随界面倾角增大,破坏强度逐渐降低,组合体的破坏形式由煤样内部剪切破坏逐渐转变为煤样分界面滑移破坏;随界面分形维数的增加,破坏强度与弹性模量均逐渐增大,并且界面倾角越大,界面分形特征对组合煤岩体弹性模量的影响程度越大;随着分形维数的增大,组合煤岩体的损伤值逐渐降低,两者呈上凸形二次曲线的函数关系,且分形维数越大,损伤值降幅也越大。

煤岩体水力压裂动态演化物理模拟试验研究

为了掌握煤体水力压裂过程中压裂孔附近应力场、水压力场的时空演化规律,利用多场耦合煤层气开采物理模拟试验系统进行试验研究。试验结果表明:水力压裂全过程可以分为4个阶段,分别为应力积累阶段、微破裂发育阶段、裂缝失稳扩展阶段、破裂后阶段;在水力压裂过程中压裂孔径向应力会发生显著变化,而平行于压裂孔方向的应力变化不明显,且在裂缝扩展范围内距离压裂段越远的位置发生应力升高的时间越晚;水力压裂过程中水压力场的演化与裂缝的发育、扩展有着密切的联系,水压力等值线更倾向于沿着裂缝扩展的方向发展,且水压力等值线沿最大主应力方向的扩展速度明显大于沿中间主应力和最小主应力方向的扩展速度,表明水力压裂裂缝主要沿最大主应力方向扩展。