基于离散元法的类岩石材料水力压裂裂缝扩展规律

水力压裂是煤矿井下卸压的重要技术手段,更好地理解裂缝扩展机理对煤层安全开采具有重要意义。为深入探究水力裂缝扩展规律,针对实验室常用的类岩石试件,利用颗粒离散元数值模拟软件MatDEM,建立了二维水力压裂数值模型,开展了不同注液压力增量的水力压裂试验。试验研究了注液压力增量对水力裂缝扩展的影响,揭示了模型起裂机理,从细观尺度分析了裂隙生成及裂缝扩展规律,并对水力裂缝扩展特性进行了讨论。结果表明:①注液压力增量对模型起裂压力与起裂时间变化趋势的影响相反。起裂压力随注液压力增量变大,其增长趋势不断变缓,并逐渐趋近于5.6 MPa。起裂时间随注液压力增量变大不断减小,其减小趋势同样逐渐减缓。②累计裂隙数目随时间呈指数型增长,将水力压裂过程分为4个阶段(Ⅰ~Ⅳ):无裂隙阶段、裂隙缓慢增长阶段、裂隙稳定增长阶段和裂隙急速增长阶段,分别对应模型起裂前、模型起裂后裂缝形成前、主裂缝扩展以及次级裂缝扩展过程。随注液压力增量变大,第Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ阶段时长不断减小,第Ⅳ阶段时长呈波动式增长。各阶段裂隙数目关系为第Ⅳ阶段最多,第Ⅲ阶段次之、第Ⅱ阶段最少。③随注液压力增量变大,次级裂缝数目由8条增至16条,裂缝增长速度在第Ⅲ阶段以前逐渐减慢,进入第Ⅳ阶段后不断增快。注液压力增量由0.03 MPa增大至0.70 MPa,裂缝最终长度增大1.79倍。④模型内部能量随注液压力增量的变大而增加,且能量输入速度逐渐变快。模型起裂后,高压水在裂缝尖端形成应力集中,促使裂缝继续扩展延伸。较高注液压力增量下,裂缝扩展速度变快,颗粒位移量由压裂孔至模型外侧逐渐减小。注液压力增量的变大会使次级裂缝形成位置向压裂孔靠近,对主裂缝的形成及扩展起抑制作用,而对次级裂缝的形成及扩展起促进作用,裂隙类型均为张拉裂隙。

基于液电效应的高压电脉冲岩体致裂特征及机理

基于液电效应的高压电脉冲致裂技术是一种新型的岩体致裂技术,具有安全高效、绿色环保、能量可控等特点,在煤矿井下围岩应力调控方面拥有广阔的应用前景。由于井下岩体往往处在较为复杂的应力环境,为深入研究该技术在井下不同围岩应力环境下对坚硬岩体的致裂效果,通过LS-DYNA软件对基于RHT损伤本构模型建立的岩石试样进行高压电脉冲岩体致裂数值模拟试验,对岩体内部的损伤和有效应力演化过程进行采集,分析岩体的致裂特征及其裂缝扩展机理,通过数值模拟弥补在室内试验中因放电过程快、电磁干扰大而导致的致裂过程中岩体内部难以有效监测的问题。利用自主研发的高压电脉冲岩体致裂试验平台,开展了不同围岩应力条件下的高压电脉冲岩体致裂试验,通过获得的岩体表面破裂特征验证数值模拟结果的可靠性。获得以下结论:①基于RHT本构模型建立了LS-DYNA高压电脉冲岩体致裂数值模型,根据炸药爆破与高压电脉冲的能量等效关系,构建了高压电脉冲数值模拟等效参数。通过实验室试验与数值模拟结果进行对比,验证了数值模型与等效参数的可靠性;②对试样上表面裂纹扩展情况进行分析,发现裂纹会向最大压初始应力方向偏转。在此过程中,裂纹总长度先是逐渐减小。当所有裂纹与最大初始压应力夹角均小于45°时,裂纹总长度开始逐渐增大;③通过数值模拟,发现在致裂初期,高压电脉冲放电产生的动态应力远大于围岩应力,对试样的破坏起主导作用。随着动态应力在传播过程中的快速衰减,初始围岩应力与动态应力的大小逐渐接近,并最终由初始围岩应力主导裂纹的萌生与扩展。研究结果表明,围岩应力是决定岩体裂缝发育和扩展特征的重要因素,特别是对裂缝的扩展方向有显著影响,在采用高压电脉冲致裂技术对深部岩体进行致裂时,应考虑岩体所处应力状态,科学制定致裂方案,以实现对岩体的高效致裂。

电脉冲循环冲击作用对花岗岩抗剪性能弱化研究

为探究坚硬岩体在高压电脉冲循环冲击作用下的致裂效果,开展花岗岩高压电脉冲循环冲击后的直剪试验,研究冲击次数对抗剪强度和裂纹扩展的影响规律。研究结果表明:花岗岩试样内部损伤程度随冲击次数增加而逐步累积,5 kV电压条件下,前3次冲击作用在试样内部几乎无新裂纹产生,冲击4次后试样内部开始萌生微小裂纹,并最终扩展形成贯穿裂缝;冲击4,5和6次后,试样内部损伤面积占比依次增加至6.65%,66.72%和70.80%;抗剪强度随冲击次数增加不断弱化,与未受冲击试样相比,冲击6次后试样抗剪强度弱化71.59%,剪切过程中声发射振铃计数降低58.41%,累积能量降低82.85%;声发射(AE)累积能量呈现出明显的“平静期—缓慢增加期—急速增加期”阶段变化特征;当冲击无明显裂纹产生时,试样剪切载荷加载过程中平静期延长,缓慢增加期缩短;当产生明显裂纹后,平静期缩短,缓慢增加期延长;冲击后,试样均在急速增加期呈现出更活跃的声发射信号,可以将声发射信号的突变作为试样剪切破坏的前兆,声发射事件点空间演化分布呈现出“抗剪破坏所需外部能量更低且声发射信号提前”的特征。

“智能教育+课程思政”融合发展在服装设计专业教学中的探析

随着我国高等教育的不断发展和改革,智能教育与课程思政已经成为我国高校改革的两大热点。在新时代的高校教学中,如何将二者完美融合成为广大教师的重要研究课题。文章分析了“智能教育+课程思政”在服装设计专业教学中融合发展的意义,立足服装设计专业培养目标,提出了“智能教育+课程思政”融合发展在教学中的育人模式构建路径,并分析了“智能教育+课程思政”融合教学模式的发展趋势,希望能够为同行提供一定参考价值。

特厚煤层综放工作面煤-架受力演化特征及其承载机理

为了研究特厚煤层综放工作面煤-架结构及其承载机理,以塔山矿8216工作面为背景,根据煤体与支架的位置关系将其分为架前顶煤、架上顶煤和承载煤体,采用FLAC3D数值模拟软件分析了煤-架结构应力演化特征及煤体失稳破坏规律。结果表明:工作面超前支承压力峰值位于煤壁斜上方的架前顶煤中,顶煤破坏深度与超前支承压力峰值的超前距离基本相当,向控顶区侧呈“弧形”破坏形态。确定了煤-架结构对顶板来压承载能力的排序依次为架前顶煤>承载煤体>液压支架>架上顶煤。承载煤体在围岩应力拱和顶煤的保护下破坏深度始终保持在近煤壁侧3 m内,已破坏煤体应力基本不受推进距离与支架工作阻力变化的影响。架上顶煤在顶煤冒放前后承载特性不同,进而引起整个煤-架结构承载特性的改变。放煤前后煤壁破坏深度分别为3 m和2 m,顶煤破坏深度分别为7 m和12 m。架前顶煤的失稳是发生端面冒顶的主要原因,煤壁侧承载煤体的破坏是煤壁片帮的直接原因。在围岩应力拱的作用下,顶板以架前顶煤为轴做回转运动并伴随着顶板、支架及超前煤体应力的动态变化,但煤-架结构的承载特性不会改变。研究结果可为特厚煤层综放工作面矿压灾害防控提供有益参考。

高静应力与低频扰动耦合作用下砂岩的力学响应特征

低频扰动荷载作用下高应力状态岩石的力学响应特性是残采区上行开采层间岩层稳定性的重要影响因素。基于自主研发的动静载耦合电液伺服试验机,开展动静载耦合作用下高应力状态砂岩巴西劈裂试验,分析低频扰动荷载幅值对高静应力砂岩力学响应特征的影响。结果表明:(1)高应力状态砂岩不会在小幅扰动荷载作用过程中破坏,但扰动损伤会降低岩样抗拉强度,基于层间岩层静态力学特性的上行开采稳定性分析中应纳入合适的折减系数;(2)高静应力砂岩破坏前的扰动荷载循环次数随幅值升高而降低,幅值为5.0、7.5、10 kN组岩样破坏前的扰动荷载循环次数均值分别为157、70、3;(3)引入描述流体状态的“紊流”形象化表达扰动荷载作用过程中附加能量的快速输入与输出,呈“紊流”状态的附加能量弱化了砂岩裂纹扩展的有序性,诱使砂岩破坏瞬间发生大规模裂纹扩展。该研究成果可为残采区上行开采稳定性分析提供一定参考。

西曲矿近距离开采工作面顶板注浆加固技术研究

针对西曲矿4#煤14307工作面受2#、3#近距离煤层开采的影响,围岩压力增大,顶板管理困难,且出现顶板离层等问题。采用钻探取芯、单轴抗压强度试验、巴西劈裂试验等方法,间接对顶板稳定性进行测试。测试结果表明,注浆加固后,岩样的抗压、抗拉强度显著提高,可有效减少顶板离层。14307工作面在注浆加固的基础上结合铁棚和锚索联合支护后,巷道无明显变形且无新的离层出现,有效控制了顶板离层,提高了围岩稳定性。

不同材料组合及配比下类岩石试件单轴压缩损伤破坏过程分析

井下大尺寸真实岩芯难以获取且数量有限,通常采用类比法在室内制作类岩石材料试件模拟实际煤岩,以此开展水压致裂试验。为精确研究类岩石材料试件的力学特性,以水泥、石英砂、石膏和煤粉为原材料浇筑不同组合及配比的类岩石材料试件,通过单轴压缩试验,探究水膏比、砂胶比以及煤粉对试件力学特性及破坏形态的影响。结果表明:水泥-石英砂-石膏试件的抗压强度随水膏比的增加而增大,随砂胶比的增加而减小;砂胶比对试件抗压强度的影响更为显著,砂胶比与水膏比分别为0.33,0.75,1和0.5,1,2时,试件抗压强度由23.19 MPa降至19.14MPa;同种类岩石材料试件随水膏比增加峰值破坏时间提前,试件内部损伤程度加剧,水膏比由0.5增大至2,声发射累计振铃计数增大约5.1倍,宏观上表现为裂缝增多;相对石英砂、石膏而言,煤粉会加剧试件裂隙发育程度进而弱化其力学性质,保证配比不变,用煤粉分别代替水泥-石英砂-石膏试件中的石英砂、石膏,试件在峰值破坏时的最大声发射振铃计数分别为替换前的1.5和2倍,表面由较规整的裂缝变为更加发育贯通的裂缝;试件破坏后裂缝在其表面两侧呈反拱形分布,为X状共轭斜面剪切破坏,最大主应变较大值位于试件裂缝处,试件表面产生裂缝情况与声发射监测数据描述现象基本吻合。

中低应变率扰动荷载作用下砂岩动态拉伸力学响应特征研究

中低应变率扰动荷载诱发的张拉破坏失稳是引起深部煤炭资源和遗留煤炭资源开采动力灾害事故发生的主要原因之一,分析动力扰动作用下煤岩的拉伸力学响应特征对灾害的预测与防治具有重要意义。对此,开展中低应变率扰动荷载作用下的砂岩巴西劈裂试验,分析不同预静载水平和扰动荷载幅值对砂岩动态拉伸力学响应特征的影响。结果表明:扰动荷载导致的损伤程度与预静载水平正相关,预静载由7 kN增大为20 kN,AE能量水平增大约11倍,宏观上表现为抗拉强度的降低,预静载为11和16 kN的扰动损伤砂岩的抗拉强度分别为12.4和11.5MPa,分别降低5.6%和12.7%;验证扰动荷载应力门槛值的存在,高应力状态砂岩在小幅动力扰动荷载作用过程中并不会发生破坏,拉应变呈对数型缓增;高应力状态砂岩在越过应力门槛值的扰动荷载作用过程中发生破坏,破坏前扰动荷载作用周期数随着扰动荷载幅值增加指数型递减;预静载和动载幅值的增加均促进岩样中心主张拉裂纹附近次级张拉裂纹扩展。岩样动态拉伸破坏前的应变突增前兆可以为动力灾害预警提供参考。