考虑地下水害防治的水力压裂缝形态分布特征研究

为深入探讨裂隙性储层水力压裂缝的穿隙特征及影响因素,基于RFPA2D有限元软件,根据焦作矿区煤岩测试结果,模拟岩石破裂过程,分析裂缝形成的主导因素;其次,运用ABAQUS中Cohesive单元,考虑裂缝尖端应力场和煤层内部原生裂隙系统的耦合作用,根据该矿区地质条件和二1煤层物理力学参数,建立有限元分析模型,并进行压裂缝延伸的数值模拟。结果表明:不同地质条件下压裂缝延伸路径分为3种基本模式,即定向直线延伸、转向折线延伸和二次转向折线延伸;裂缝尖端应力差、原生裂隙发育特征是影响水力压裂缝形态与分布的关键因素。在应力差较小时,原生裂隙的力学性能对压裂缝分布形态起主导作用,随着应力差增大,其主导作用逐渐减弱。应力差过小、原生裂隙强度过弱,均易在原生裂隙处发生交叉转向,从而容易触及含水层,诱发各种地下水害。

灰岩单轴压缩破坏声发射特征与数值模拟研究

随着煤层开采深度和强度的增加,煤层顶底板岩层及煤柱的受压变形和破坏特征是决定井下施工人员安全的重要影响因素。为了研究特定煤矿岩层受压破坏特征,以葛泉矿1195工作面顶板大青灰岩为研究对象,采用室内试验、数值模拟和声发射的综合研究手段,对大青灰岩的单轴压缩破坏过程及声发射特征进行研究。室内试验结果表明,岩石破裂过程主要分为弹性阶段、屈服阶段和峰后阶段,岩石残余强度为峰值强度的40%;数值模拟结果表明,模型呈现从顶部开始的倒“V”字型断裂,RFPA^(2D)软件计算结果基本符合试验结果;声发射特征结果表明,模型破坏时,声发射个数和能量剧增,且主要集中出现在破坏单元处,即声发射可有效地预测该岩石的破裂位置及破裂过程。

综放面覆岩破裂数值模拟及高位钻场参数优化

基于准确划分煤层上覆岩层"竖三带"的煤层法向分布范围,根据鹤壁九矿长壁综放工作面开采技术条件和岩石力学性能等参数,建立力学模型,运用岩石破裂过程分析软件RFPA2D,对上覆岩层随工作面推进时的变形、冒落情况进行了数值模拟,得到了顶板由变形到破坏的全过程及其破坏的规律。用经验公式对覆岩裂隙带高度进行了计算,综合判定了工作面上覆岩层的裂隙带高度为23.5～55m,高位钻场抽采参数优化后,其平均抽采量达到7.36m3/min,较好地解决了采空区瓦斯涌出问题。

不同埋深条件下直墙拱顶巷道破裂的数值试验

为研究不同埋深条件下直墙拱顶巷道围岩破裂形态,采用RFPA2D软件进行了数值模拟试验。通过数值试验发现:不同埋深条件下的巷道围岩均从巷道的拱脚和墙角处最先发生破坏,且沿拱脚斜向下和沿墙角斜向上扩展,最终导致巷道两帮围岩破裂失稳;同时由于深部巷道围岩的荷载较大,破坏裂缝也从巷道两帮扩展到拱顶和底板。通过分析巷道围岩应变数据,发现围岩体内径向拉应变是造成巷道围岩破坏的主要原因。该数值试验结果与有关物理试验结果具有一致性,能进一步丰富深部岩体破裂方面的研究成果,更好地指导深部地下空间的开发和应用工作。

卸载岩爆过程数值试验研究

为探讨岩石试样卸载岩爆的发生机制,采用岩石破裂过程分析软件(RFPA2D)再现岩石试件卸载发生失稳破坏的过程。根据花岗岩的基本力学参数,首先对方形岩石试样进行单轴加载破坏的二维数值试验,然后在双向载荷条件下进行了基于同等试样的围压卸载试验模拟。数值试验结果表明:(1)单轴加载试验与卸载失稳试验的岩石破坏机制和破坏模式存在很大差异。(2)单轴加载试验的破坏过程以渐进式的微破裂发展为主,且微破裂主要集中在局部破裂面上;在发生主破裂之前,有许多微破裂前兆声发射现象出现,是典型的渐进破裂诱发失稳的岩爆模式。(3)双轴加载时的围压卸载试验中岩样卸荷破坏时脆性特征更加明显,主要以突然、高密度的能量释放为主;同时表现出沿卸荷方向强烈扩容破坏特征,破坏模式则以大面积剪切破坏与局部拉裂破坏为特征的组合破坏模式;与单轴加载的情况相反,在主破裂发生前,几乎没有任何微破裂前兆,是典型的瞬时岩爆的破坏模式。