荷载作用下多裂隙煤体力学特性与起裂角研究

为研究静态加载条件下裂隙几何位置及相互作用机制对煤体力学行为的影响,采用数字图像相关方法作为全场观测手段,以原煤预制不同位置分布下的三裂隙试样为研究对象,利用MTS816岩石伺服试验机进行单轴压缩试验,并结合颗粒流程序研究了裂隙不同位置分布状态下多裂隙煤体的力学特性、裂纹演化规律及破坏特征。与此同时,基于断裂力学理论讨论了T应力对煤体多裂隙尖端的影响形式及适用性。研究结果表明:当裂隙由平行共线分布向平行重叠分布过度时,煤样的宏观强度具有逐渐增强的现象;裂隙的分布形式会影响煤体的承压状态,当裂隙间距离较远时,应力场中应力薄弱区会独立存在,并随着压力增加逐渐扩展融合;而当裂隙趋于重叠分布时,应力集中区和薄弱区都会各自形成统一的受力整体,相互影响。多裂隙共线或偏置分布时,裂隙面以剪应力为主,拉应力为辅的驱动方式导致煤样发生拉剪复合破坏,而当多裂隙趋于重叠分布时,裂隙面上的剪应力转化为岩桥区拉应力,从而形成以拉应力为主导的方式驱动试样发生拉伸破坏。考虑T应力影响时,包含3个T应力分量(Tx,Ty和Txy)的起裂角理论预测值更适用于压剪应力状态下有限板多裂隙尖端裂纹扩展角度方面研究。

含裂隙煤体能量耗散特征与冲击倾向性研究

冲击倾向性是煤岩体能否发生冲击地压的自然属性,裂隙的分布对其有重要影响。为研究煤体原始裂隙对能量耗散特征和冲击倾向性的影响机制,采用PFC2D数值模拟方法,对不同裂隙类型的煤体试件进行了单轴压缩测试。研究表明:①随着裂隙倾角的增大,宏观力学参数抗压强度和弹性模量均表现为先减小后增大的趋势;当裂隙倾角为30°时,两者都取得最小值。不同裂隙类型宏观力学参数大小关系为:非共面平行双裂隙试件<单裂隙试件<共面断续双裂隙试件。②弹性应变能和总应变能的变化规律与宏观力学参数相似。平行非共面的裂隙试件在裂隙之间形成了能量耗散结构,共面断续双裂隙试件裂隙之间形成了能量集中区,揭示了不同裂隙类型弹性能量大小关系的内在原因。③从煤岩体储存弹性能的能力和破坏后释放弹性能的能力2个角度对冲击倾向性进行分析,提出了弹性能储存率和弹性能释放率2个冲击倾向性指标。④随着裂隙倾角的增大,弹性能储存率和弹性能释放率均表现为先减小后增大的趋势;当裂隙倾角为30°时,两冲击倾向性指标都取得最小值。不同裂隙类型冲击倾向性大小关系为:非共面平行双裂隙试件<单裂隙试件<共面断续双裂隙试件。裂隙的分布形态对煤体的冲击倾向性具有显著影响,在煤岩体的冲击倾向性评价和冲击地压防治中应考虑裂隙这一因素。

裂隙煤体受载破坏红外辐射特征规律研究

为了研究裂隙煤体受载破坏红外辐射变化特征规律,进行了单轴压缩条件下预制裂隙煤样红外辐射实验,对比分析了预制裂隙煤样与完整煤样受载破坏过程红外辐射温度以及红外热像云图的变化特征。结果表明:相对于完整煤样,预制裂隙煤样受载破坏过程中最高红外辐射温度突增量相对较小,而平均红外辐射温度突增量相对较大,且在主破裂发生前,红外辐射温度曲线波动较小;红外热像云图的变化更加明显,主破裂发生前,白色和深蓝色低温区域逐渐缩小,可以作为预测煤体失稳破坏的前兆信息。

基于lattice Boltzmann方法对裂隙煤体中瓦斯运移规律的模拟研究

基于lattice Boltzmann方法建立一个新的模拟裂隙煤体内瓦斯渗流的动力学模型,并利用该模型模拟二维裂隙煤体内瓦斯流动。模拟结果表明,采动压力差对瓦斯流动速度、孔隙瓦斯压力及瓦斯压力梯度都有很大的影响。在采动压力条件下,瓦斯在裂隙煤体中的流动压力具有波动性,波动幅度的大小与流场两端的压力差有关。在瓦斯压力达到峰值前的瞬时,孔隙瓦斯压力梯度很大。随着采动压力差的增大,瓦斯流动由层流过渡到紊流,同时孔隙压力出现发散,压力变化出现明显的非线性特征。基于lattice Boltzmann方法的模拟结果与用其他方法得到的瓦斯渗流规律比较吻合,表明lattice Boltzmann方法可有效模拟瓦斯在裂隙煤体中的运移规律,这为进一步探讨煤与瓦斯两相耦合机制、煤与瓦斯突出机制及瓦斯抽放方案的设计提供新的思路。

含裂隙煤体瓦斯渗流规律的LBM数值模拟

通过模拟外力驱动渗流以及部分填充多孔介质的剪切渗流,验证了广义LBM模型可以对含有裂隙的煤体内瓦斯渗流规律进行模拟研究;裂隙内的流速明显高于在煤基质内的流速,定量研究了渗流速度和流量随着裂隙宽度增加的变化规律;而在裂隙宽度相等的条件下,煤体渗透率越低则流速和流量的提高越显著;与顺流向的裂隙相比,垂直流向裂隙的存在对提高渗流速度及流量的影响相对较为有限。模拟结果表明:裂隙的存在,尤其是在渗透性较差的煤层中,对提高瓦斯抽放的效果更为明显;而对于不同方向的裂隙,则应该重点关注与瓦斯流动方向相同或大体相同的裂隙分布。

应力加卸载下层理裂隙煤体瓦斯渗流试验研究

为探讨同一应力加卸载作用下不同层理方向裂隙煤体的瓦斯(甲烷)渗透规律,采用自行设计、改装的三轴应力瓦斯渗透模拟装置,在相同瓦斯压力条件下,对平行及垂直层理方向的2种原煤样试件进行试验研究。结果表明,加载过程中,2种试件的渗透率均随有效应力的增大而减小,应力加载至最大值时,渗透率分别下降了99.01%和80.49%;卸载过程中,渗透率随有效应力的减小而增大,卸载初期渗透率变化较小。有效应力从11.65 MPa卸载至8.98 MPa时,渗透率分别恢复到最大应力加载值的87.45%、68.8.5%。当卸载至4.98 MPa时,渗透率的增加幅度分别为736.78%和99.67%。相同的卸载条件下,平行层理裂隙试件的渗透率增幅比垂直层理裂隙试件大得多。

裂隙煤体压裂机理的分形研究

本文根据现场测试的采面支承压力变化规律,在三轴压力机上模拟采动过程中煤体在支承压力作用下的压裂、破坏全过程,得到了大煤样的全程应力应变曲线,运用分形几何理论、损伤力学对大煤样试件压裂过程中裂隙系统的整体性状做定量描述,探讨了裂隙煤体的压裂机理,实验表明煤体强度与裂隙分维之间存在线性关系;在大煤样压裂验的基础上,用有效应力建立了的裂隙煤体压裂的本构方程。

采动影响下裂隙煤体压裂机理的分形研究

根据现场测试的采煤工作面支承压力变化规律，在三轴压力机上通过对大煤样的逐级加载至支承压力峰值，然后卸载至零，模拟采动过程中煤体在支承压力作用下的压裂、破坏全过程，同时连续测定超声波在煤样不同压裂阶段的传播速度，得到了大煤样的全程应力-应变曲线．证明了超声波速和最大主应力之间存在线性关系；运用分形几何理论、损伤力学对大煤样试件压裂过程中裂隙系统的整体性状作定量描述，探讨了裂隙煤体的压裂机理．实验表明，煤体强度与裂隙分维之间存在线性关系；在大煤样压裂试验的基础上，用有效应力建立了裂隙煤体压裂的本构方程．

裂隙煤体注浆浆液扩散规律及变质量渗流模型研究

研究煤岩裂隙中浆液扩散过程及降渗规律对于强化瓦斯抽采钻孔封孔效果具有重要意义。首先通过对注浆裂隙煤体内部质量变化进行分析,推导浆液封堵裂隙质量守恒方程及浆液流动方程;根据浆液对煤体裂隙结构影响推导了裂隙和渗透率变化方程,构建了浆液对裂隙煤体的堵漏降渗的变质量渗流模型。其次,利用注浆实验系统对裂隙煤样开展注浆试验,对注浆前后煤样分别进行CT扫描观测以及渗透率实验测定;最后,在理论模型的基础上,根据实验条件确定数值模拟初始条件及边界条件,对裂隙煤体注浆浆液扩散和降渗规律开展了数值模拟研究,结果表明:建立的基于裂隙煤体注浆的变质量渗流模型较好地反映浆液颗粒沉积过程对煤体裂隙结构及渗透率的影响;模型计算的浆液扩散与渗透率变化规律与试验结果吻合较好,验证了模型的合理性;在浆液渗流扩散作用下,煤体裂隙内浆液颗粒逐渐扩散并沉积,裂隙不断被充填,导致裂隙煤体渗透率不断下降。研究成果为定量分析注浆浆液颗粒运移规律、强化抽采钻孔封孔效果提供了新的思路。

裂隙煤体渗流力学特性试验研究

煤体裂隙的存在会严重影响其渗流特性.基于裂隙中的水流运动规律,通过施加平行于裂隙面和垂直于裂隙面2种应力不同方向来研究不同荷载方向和大小对含裂隙煤体渗流特性的影响.试验结果表明:(1)当应力方向垂直于裂隙面即时,试样渗透系数会随着应力的增大而减少,且加载初期下降速率较快,之后下降速率逐渐减少,渗透系数与法向有效应力呈负指数关系.(2)当应力方向平行裂隙面时,由于试样的有效水力隙宽增大,阻碍流体流过的能力降低,因此渗透系数会相应的增大,且渗透系数与侧向有效应力呈指数关系.在试验的基础上利用专业绘图软件绘图并对2类数据拟合所建立的负指数和指数关系式能很好的反应渗透系数与有效应力的关系.

不同层理方向裂隙煤体承压过程瓦斯渗透规律实验研究

为获取应力加卸载过程中3种不同层理方向裂隙煤体的瓦斯渗透规律,采用应力瓦斯渗透模拟实验装置对加卸载过程平行、斜交及垂直层理方向的原煤试件进行了实验。研究结果表明:加载过程中,3个煤样试件的渗透率与所施加的有效应力成正比,当有效应力最大时平行层理裂隙煤样试件的渗透率的降幅最大,不同层理方向最大渗透率比值为7.2∶1;卸载过程中,渗透率与有效应力之间存在反比关系,在应力卸载初始阶段渗透率增幅不大,当有效应力卸荷到一定程度时,渗透率的增幅陡然增加,相同的卸载条件下,斜交层理试件的渗透率恢复比最大。研究结果可为煤体抽放钻孔布置提供一定参考,以使瓦斯抽采效果最大化。

含多裂隙煤体裂纹细观演化规律与相互作用机制

煤体中裂隙具有随机分布的特点,其位置分布及载荷作用下相互作用影响着煤体的稳定性.因此,为阐明煤体内多裂隙扩展演化规律及相互作用机制,文中开展了含随机三裂隙煤样的单轴压缩试验,借助数字图像相关法(Digital Image Correlation,DIC)监测试样变形过程,并采用数值模拟基于细观角度验证了裂纹的孕育、扩展及贯通的演化过程.另外,基于经典Kachanov法和应力场分析法推导并验证了单轴受压状态下有限板三裂隙尖端的应力强度因子表达式.研究结果表明:裂纹间相互作用对尖端应力强度因子影响可分划为增大、减小、无影响3种形式,根据推导所得有限板多裂隙尖端的应力强度因子表达式,可计算裂隙随机分布裂隙尖端应力水平,并且,可结合应变能密度因子准则准确预测裂隙尖端起裂位置;裂隙位置分布对初始应变场形成局部高应变区具有明显的导向作用,具体表现为:试样受载初期率先在各裂隙尖端产生损伤并逐步演化为局部高应变区,经扩展后形成高应变集中带,继而作为宏观裂纹相应的扩展路径;试样破坏形式为拉剪复合破坏,新生裂纹在加载初期以剪切形式出现,并在裂隙尖端形成翼型裂纹,随载荷继续施加,张拉裂纹数量快速增长,最终导致试样失稳.

单轴冲击荷载下煤体损伤及破坏特征分析

为探究单轴冲击荷载下煤体损伤破坏特性及演化规律,采用分离式霍普金森压杆(Split Hopkinson Pressure Bar)装置,通过调节储气室气压值,获得煤样在5 m/s冲击速度下的动力学响应结果,并以此为主要参考依据,确定模型细观物理力学参数;利用PFC3D软件,进行了在单轴冲击荷载作用下,含不同角度的闭合和非闭合直裂隙(0°、30°、60°、90°)的煤体在5 m/s冲击速度下,以及不含裂隙煤体在不同冲击速度下损伤破坏过程的数值模拟试验;探究了单轴冲击荷载下,冲击速度、裂隙分布角度等因素对煤体损伤破坏特征的影响。试验结果表明:冲击速度较低的时候,煤样主要遵循变形破坏准则,当冲击速度增长到一定程度时,则主要遵循强度破坏准则;裂隙通常由4个角和裂隙的尖端等介质突变处产生,呈现“V”形或“X”形扩展趋势,最终呈现出X形破坏带;煤样内外层呈现出不同的破坏形式,内层较于外层更接近三向应力状态,因此更容易发生剪切破坏,而外层就更容易发生拉伸破坏;总的来说,在单轴冲击荷载作用下,煤样主要破坏形式为拉伸破坏。

含裂隙煤体抗压性能的试验研究与模拟计算

煤体内部天然存在的裂隙是瓦斯流动的主要通道和影响煤矿安全的重要因素。为考察不同原生裂隙分布形态的煤体抗压缩强度与裂纹演化规律,对原煤试样进行初始裂隙的提取和室内三轴压缩试验,结合数值模拟方法进一步研究了含裂隙试样在围压分别为1,3,5,7,9 MPa和加载速率在0.01,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.7,0.9,1.0 m/s下的峰值应力及破坏形态。结果表明,煤样的峰值应力随围压增加呈指数形式增大。垂直方向延伸的原生裂隙对裂纹扩展带的影响较小,当原生裂隙的延伸角度倾向于对角线方向时,裂纹容易在裂隙端部萌生和扩展。试样2的"V"型裂纹带在低围压(1,3,5 MPa)时受原生裂隙影响较大,高围压(7和9 MPa)下的破坏特征与试样1相似。随着加载速率逐渐递增,试样的抗压强度变化经历先缓慢上升,后迅速增加,最终趋于平缓的过程。低加载速率下的裂纹多聚集在原生裂隙延伸方向上,较高的加载速率容易造成裂纹集中于试样的角部位置,裂纹数目也迅速增多。

基于CT技术的裂隙煤体细观数值重构方法

为研究采动过程中原生裂隙对矿山压力的响应规律,运用高精度工业CT扫描技术,对王家岭煤矿12309工作面煤体原生裂隙场进行扫描,获得了煤样原生裂隙场的细观分布情况。基于Matlab软件编程,利用Soble算子对扫描所得裂隙数据进行三维重构,将三维重构结果导入PFC^(3D)数值模拟软件,建立包含原生裂隙场的煤岩三维细观数值模型。结果表明:该方法在细观尺度方面有效、精确地重构了煤样原生裂隙场,建立了充分考虑细观裂隙的PFC^(3D)细观数值模型,为提高数值模拟的可靠性与准确度提供了更为有效的数值建模方法。

煤体采动裂隙现场实测及其应用研究

为获取高强度开采条件下煤体采动裂隙,以天地王坡矿3207工作面为背景,采用钻孔窥视法、测线法和测窗法等综合手段进行煤体采动裂隙现场实测研究。在此基础上,结合COMSOLMultiphysics软件研究煤体采动裂隙场对采动应力分布、煤层瓦斯压力的影响;探讨瓦斯压力与采动裂隙分布之间关系,并分析采动裂隙条件下抽放孔的合理布置方式。

振动频率对煤体裂隙发育影响的试验研究

通过对煤体进行变频激振试验,研究了振动频率的变化对煤体裂隙发育的影晌.根据煤体受振后煤体裂隙的分布和力学性能的比较,我出了受振煤体裂隙发育规律和媒体裂隙发育的频率特征.为用振动方法致生煤体裂隙防治冲击地压的理论提供了实验依据.

新景矿3号煤层不同煤体结构煤孔裂隙的扫描电镜研究

采用扫描电镜对新景矿3号煤层不同煤体结构煤的微孔裂隙进行了观测和分析。结果表明,不同煤体结构煤中微孔裂隙发育特征不同,随着煤体结构破坏程度加剧,煤由脆性变形转化为韧性变形,煤中裂隙性质亦由剪性裂隙向张性裂隙发育过渡,煤中孔隙类型由原生孔和变质孔向外生孔发育过渡;煤中孔裂隙常见粒状、片状碎屑物质附着于表面和充填于煤孔裂隙中,裂隙的渗透性和孔隙的连通性均较差。

煤与瓦斯突出过程中煤体层裂演化特征实验研究

为了探究煤与瓦斯突出过程中煤体层裂演化特征,利用自主研制的煤与瓦斯突出实验模拟系统,研究突出过程中煤体层裂结构特征、煤体裂隙厚度演化特征和煤体质点运动演化特征。研究结果表明:在轴向应力0.9 MPa、瓦斯压力0.4 MPa时,煤体层裂发展时间持续85 ms,煤体共计出现11处裂隙。层裂从煤体后方的弱构面出现并向前方发展,其位置大多集中于突出腔体中后部,煤体层裂形式均为纵向贯通,在第9处出现最大纵向断裂裂隙。煤体裂隙总厚度约为75.6 mm、单处裂隙平均厚度约为8.4 mm,二者均呈现随时间递增的趋势。层裂过程中煤体单处裂隙厚度并不都是沿程递增的,部分煤体中部裂隙厚度呈现先增大后减小的特征。煤体的运动表现为靠近突出口端的运动速度更快、运动距离也更长。研究结果可为揭示煤与瓦斯突出层裂机制提供参考。

基于PFC2D数值模拟的煤体裂隙演化规律研究

为了研究煤体裂隙演化规律,采用理论分析和数值模拟相结合的方法,理论分析了煤体延伸压力、裂隙延伸规律和裂隙延伸压力,得出研究工作面裂隙延伸和扩展以垂直方向位置为主,断层属于正断层类型,然后采用PFC 2D数值模拟,模拟分析了不同动压幅值下煤体裂隙演化规律和不同地应力下煤体裂隙演化规律。研究为煤层卸压增透提供了理论基础。