岩石灾变非连续结构与多物理场效应的透明解析与透明推演

煤炭对于我国经济发展与能源安全起到压舱石和兜底保障的作用,在“碳达峰、碳中和”国家重大战略决策背景下,研究如何充分发挥煤炭的保障能源与战略资源的作用、实现煤炭绿色智能低碳开发利用迫在眉睫。煤炭生产开发活动打破了地层初始应力平衡,引起围岩应力场重分布,诱发工程灾害。岩石是煤炭生产开发与工程建设的主要对象,研究和解决煤炭绿色智能安全开采问题的基础理论之一是岩石力学。然而,传统的岩石力学理论在定量分析和描述煤炭生产开发活动引发的岩石灾变行为及内禀机理时存在诸多困难,人们对岩石不连续结构演化引起的应力场、变形场和渗流场的变化认识不足,缺乏定量解析内部应力、变形与渗流等多物理场的方法、理论和模型,难以对不同开采模式可能引发的工程灾害进行超前研判、预警和科学防控。解决这些基础科学与技术难题,迫切需要建立和发展颠覆性理论与变革性技术,这已成为创新发展煤炭资源绿色智能安全开发理论与技术的基础性前沿课题。围绕岩石灾变的非连续结构与多物理场效应的透明解析与透明推演,概述了岩石的三维数字重构、3D打印模型材料、透明物理模型、尺度效应、应力场、变形场和渗流场演化以及灾变机理的透明定量解析等方面的最新成果,分析了未来发展目标与面临的挑战,以求为发展非连续岩石力学与灾变分析理论,实现煤炭绿色智能开采及灾害超前预警防控提供研究基础与参考。

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。