综放开采顶煤冒放性的损伤力学分析

运用损伤力学的基本原理，阐述了综放开采顶煤在支承压力作用下损伤演化与冒放性之间的关系。利用细观统计损伤力学建立了损伤参量的计算模型，把顶煤损伤参量作为冒放性指标另以研究，并讨论了开采深度、煤层强度、原始裂缝和水平应力对顶煤冒放性的影响，其结论结果和现场实际相吻合。     

煤体压裂特性研究

通过对 30 0mm× 30 0mm× 30 0mm的大煤样压裂实验 ,系统研究了煤体压裂过程 ,并运用宏观损伤力学原理 ,建立了煤体压裂本构方程和破碎块度分布公式。研究结果表明 ,煤体压裂符合材料宏观损伤原理 ,煤体强度不同、宏观损伤积累过程不同、破碎结果也不同。     

综放采场支架-围岩稳定性及控制研究

运用现场实测、理论分析、数值模拟等方法,对综放采场支架-围岩系统的稳定性及控制问题进行了深入的研究,在此基础上建立了综放采场支架与围岩相互作用的力学模型,提出了不同顶煤条件下端面顶板稳定性的控制原则,给出了不同顶煤条件下支架合理工作阻力的确定方法。 (1)通过对不同顶煤条件下的支架工作阻力的统计分析、顶煤位移活动规律分析及直接顶和顶煤破断角的分析,建立起了综放采场支架与围岩相互作用的力学模型; (2)研究了支架架型对端面顶板稳定性的影响,指出支架前柱初撑力、支架前柱到煤壁距离对端面顶板稳定性有重要影响; (3)研究了不同顶煤条件下端面顶板的稳定性,并首次提出了控制原则及极限端面距的概念,认为软煤条件应重点控制端面距在极限端面距范围内,中硬煤在于端面距与支架工作阻力的合理匹配,硬煤应重点研究顶煤的冒放性; (4)首次给出了不同顶煤条件下支架合理工作阻力的确定方法,认为软及中硬煤条件下可通过支护阻力-端面顶板下沉量曲线即端面顶板允许下沉量来确定,而传统的确定支架工作阻力的方法适用于硬煤条件下; (5)在现场实践基础上,开发出综放支架-围岩监控系统,并得到成功应用,取得了较好的社会经济效益。     

硬煤裂隙能量补偿原理与应用

针对硬煤顶煤冒放性问题,从理论上系统分析了顶煤破坏裂缝发展、传播条件,阐明了为提高顶煤冒放性、采用预松动措施促进煤体裂隙扩展能量补偿的设计原理和参数,通过两种实例分析,说明了能量补偿的应用效果和前景。     

综放开采顶煤裂隙及其渗透性研究

在国家自然科学基金重点项目《厚煤层全高开采方法基础研究》资助下,通过对综放开采工作面前方顶煤裂隙的现场观测和实验室顶煤裂隙的细观研究,分析了顶煤裂隙分布的宏、细观特征;运用多重分形理论讨论了顶煤裂隙结构的不均匀性和各向异性;基于现场工作面前方顶煤节理裂隙分布,运用UDEC软件,对同一煤层地质条件下不同厚度的综放开采与分层开采采场进行数值计算;分析了应力变化对裂隙岩体渗流的影响,得出了裂隙岩体的渗透系数与应力的关系表达式,结合综放开采的实际,给出了综放开采工作面前方顶煤渗透系数的数学表达式。主要研究结论为: (1)煤层裂隙的形成不仅受地质因素的影响,而且受采掘等工程因素的影响,因此,在定量研究煤层裂隙渗透性时必须考虑工程因素对裂隙发育程度的影响。裂隙分布表明:顶煤裂隙的分布既有一定的随机性,又有一定的规律性。 (2)简单分形和多重分形研究顶煤裂隙,研究表明:当各方向的D_0值变化越大,则表明顶煤裂隙发育的各向异性就越明显,且某一方向多重分维值C_h越小,则该方向裂隙结构就越复杂,分布也越不均匀;相反,多重分维值C_h值越大,则该方向裂隙体结构就相对均匀。因此,用各向分维值D_0和裂隙不均匀系数C_h可以分别定量表示顶煤裂隙的各向异性和不均匀性。 (3)综放开采的卸压     

综放开采顶煤三维变形、破坏的数值分析

针对大同矿务局局忻州窑矿8911面综放开采煤岩变形破坏的全过程，利用岩石力学数值分析方法对放顶煤三维采场的顶煤、顶板活动进行了系统的研究，得到了三维模型的应力、变形及单元破坏数值分析结果。研究表明：大同矿务局煤层强度较高，在支承压力作用下难于破碎，需进行弱化处理后才能有效放出。综采放顶煤过程中，支承压力具有明显的分区特征，顶煤的始动点就是支承压力峰值位置，位于煤壁前方5－7m处，并得到现场实测结果的验证。     

扰动岩体裂隙网络分形性质分析

应用相似材料试验模型,研究扰动岩体裂隙网络的演化特征和规律,借助分形几何方法计算分析了扰动岩体裂隙网络的分形维数和分形演化特征,展望了研究覆岩力学性质与裂隙网络演化的依赖关系,对评价采动覆岩变形过程、力学行为和渗流性质具有重要意义.     

超长孤岛综放工作面支承压力分布规律研究

为对超长孤岛综放工作面围岩稳定性和顶煤冒放性进行控制,采用FLAC3D有限元软件对比分析了超长孤岛工作面的支承压力分布特征。研究老顶上覆岩层应力场的变化规律,分析初采期间和正常推进期间工作面超前支承压力分布规律。老顶岩层内工作面超前支承压力存在两个峰值区域,工作面后方支承压力沿面长方向的中间存在一个峰值区域,两者之间为低支承压力区域。顶煤层位支承压力峰值大于煤层的机采层位,但支承压力的影响范围小于机采层位,且顶煤的极限平衡区宽度较机采层大。工作面正常推进期间较初采期间的支承压力极限平衡区宽度增大,孤岛工作面加长后支承压力峰值系数在初采期间增加,而在正常推进期间降低。超长孤岛工作面减小孤岛工作面侧向支承压力的叠加影响。     

综放采场支承压力分布的损伤力学分析

针对综放开采煤壁前方支承压力的分布特征,应用统计损伤力学建立了一个简单的力学模型,在给定变形条件下研究支承压力的分布规律,避免了对支承压力的分区研究,理论结果和实验结果具有很好的一致性,最后对支承压力的影响因素,加以讨论。     

川东北碳酸盐岩酸化损伤及力学特性试验研究

通过岩芯静态酸蚀试验并结合矿物微观组构分析和岩石力学特性试验,从不同尺度和性质研究了酸液对碳酸盐岩储层岩石力学特性损伤问题及其规律,并通过压裂室内模拟试验研究了裂缝起裂和扩展演化规律以及酸液化学作用对体积缝的影响。该研究有助于指导现场储层酸压改造设计及优化技术参数,对于提高碳酸盐岩储层深度酸压增产改造技术具有重要的工程意义。试验结果表明:酸液对碳酸盐岩试样主要以表面溶蚀为主,微细观结构形成了溶蚀缝洞和微裂隙,矿物含量方解石由73.43%减至47.51%,方解石含量高且易酸化,属可压性较高储层;酸液对岩石物理力学特性劣化衰减具有明显的时间效应,酸岩反应后试样纵波波速迅速降低,岩石单轴抗压强度和弹性模量均随酸化时间增长而降低,破坏模式仍呈现拉伸劈裂破坏,但破坏方式有脆性向延性转化的趋势;碳酸盐岩水力压裂和酸化压裂的泵注压力随时间演化和声发射特征具有一定的相似性,但酸压裂缝更为复杂,裂缝表现出粗糙的溶蚀孔缝,且酸压起裂泵压明显小于水压起裂泵压。     

地下开挖影响下岩体分形性质演化问题探讨

提出了天然岩体的分形性质;研究并总结了地下开挖影响下岩体初始裂隙分布分维、裂纹扩展或断裂表面生成分维、采动岩体再生裂隙分维等一系列能用分形几何来描述的现象随时间的动态演化规律;揭示了岩体受力变形过程中的应力状态、力学性能、物理和化学性质的演化与其相关分维值的关系;展望了岩体分形性质及其受力演化规律的研究意义,为从更深层次认识岩体变形破坏的非线性、复杂性架起了桥梁,包括岩体动力学演化过程的混沌特征、岩体分形演化力学行为中的突变现象和岩体裂纹演化的协同效应;最后展望了岩体分形性质及其受力演化规律的应用领域及其发展前景。     

综放采场覆岩冒落与围岩支承压力动态分布规律的数值模拟

在岩层控制的关键层理论基础上，运用RFPA2000软件，模拟了综放采动覆岩的冒落过程，得到了采动覆岩的破断垮落规律和围岩支承压力的动态分布规律，进而得到了综放采空区的支承压力分布情况。采空区的破碎冒落覆岩可划分为3个区，即自然堆积区、结构支撑区和压实稳定区，这对老塘破碎岩体压实状态描述及渗流特性分析具有重要的参考价值。     

采场围岩宏观应力壳演化特征

 基于综放采场围岩宏观应力壳的发现及其力学特征的分析,采用现场实测、实验室相似材料模拟试验及计算机数值模拟(FLAC3D)综合方法开展留窄煤柱非对称综放开采采场围岩应力壳壳基、壳体应力演化特征、演化形态及演化参数间的关系分析。研究结果表明,应力壳演化是工作面推进过程中采动高应力在围岩空间的动态平衡过程,其演化形态随工作面推进根据采场结构发生变化,非对称开采条件应力壳演化分为旧壳扩展阶段、新壳形成–壳基上提阶段及新旧壳贯通趋于相对稳定3个阶段,应力壳在覆岩空间中的演化形态近似呈半空间椭球壳,揭示应力壳应力演化及其形态特征。研究为采场围岩控制、巷道布置及其围岩控制、瓦斯抽采、安全高效开采等提供理论依据。     

采动岩体分形裂隙网络研究

采动岩体裂隙网络发展规律和定量描述是当今矿山开采沉陷学科中基本的有其重要的难题之一。借助相似材料模型实验,模拟了采动岩体的裂隙分布状态,应用分形几何理论研究采动岩体裂隙分布的自相似规律,继而研究发形裂隙网络随着采宽增加的演化规律,研究结果表明：采动岩体裂隙分布具有分形特征,用分形维数可以综合描述采动岩体沦程度,随着采 增加,导致采动岩体分形裂隙网络出现升维现象。     

分形理论在岩石力学中的应用研究动态

分形几何用于定量描述复杂的自然现象和不规则事物已有许多成功范例,它较好地描述了岩石力学中的不规则性和不确定性,并在岩石力学中得到较好的应用。综述分形几何在岩石损伤、岩石微破裂过程、岩石断裂分布、岩体裂隙分布及岩石受力分析等多方面的最新研究成果。     

孔洞-多裂隙组合型缺陷岩体破裂及分形演化

为研究洞室裂隙围岩破坏机制,构建含孔洞-多裂隙组合型缺陷岩体模型,在单轴压缩试验的基础上,结合RFPA软件对岩体模型的裂纹扩展进行数值模拟;采用盒维数法计算裂纹扩展数字图像的分形维数,研究加载过程中岩体模型的分形演化特征。结果表明:组合型缺陷加重了岩体模型的应力集中现象,劣化了力学参数,表现为最大压应力和最大拉应力的增幅分别达到20.57% ~ 58.19%、14.29% ~ 136.19%;单轴抗压强度和弹性模量的降幅分别达到55.76% ~ 66.09%、42.57% ~ 59.29%。含孔洞-多裂隙组合型缺陷岩体物理模型和数值模型的裂纹扩展模式大致相同,可划分为弹性阶段(S-Ⅰ)、裂纹萌生、扩展阶段(S-Ⅱ)以及残余强度阶段(S-Ⅲ)3个阶段。分形维数的演化特征与裂纹扩展密切相关,并提出了基于分形维数的裂纹起裂以及整体失稳的判据。     

基于数字图像技术的深埋隧洞围岩 卸荷劣化破坏机制研究

 ：卸荷状态下围岩的破坏机制比较复杂,受到多种因素影响,与传统的加载模式有本质区别。以锦屏地区板岩为研究对象,进行岩石力学性质试验和细观结构试验,研究卸荷后板岩力学性质变化和微裂纹细观结构参数的统计规律。通过采用Monte Carlo模拟,形象地再现了卸荷后板岩微裂隙的空间分布,最后得到不同围压、不同阶段卸荷破坏的岩石细观损伤的分形维数。将卸荷岩体的力学性质参数和细观损伤分形维数联系起来,为从传统力学方法研究岩石的损伤和破坏过程提供依据。研究结果表明,随着围压增大,卸荷岩体分形维数增大,相同围压下的岩体,峰后卸围压的分形维数大于峰前卸围压的分形维数。     

采动应力效应下的煤层底板裂隙演化规律研究

煤层底板突水的实质是采动应力诱发煤层底板裂隙失稳、扩展和贯通,形成突水通道,进而引发突水灾害。根据回采工作面前后支承压力分布规律,笔者建立了煤层底板应力计算模型,分析了随着回采工作面的推进煤层底板中的垂直应力和水平应力分布规律以及煤层底板的破坏形式;对煤层底板岩体进行了破坏分区,根据断裂力学理论给出了不同区域内,裂纹不同破坏模式下的张开位移表达式;采用震波检层技术验证了煤层底板采动裂隙动态的演化规律,有利于煤矿底板突水预测和突水防治措施的制订。     

初始裂隙几何要素对岩石裂隙分维演化的影响

采用岩石破裂过程RFPA数值分析系统对特定应力条件下岩石裂隙演化过程进行数值模拟,根据获得的不同应力状态下裂隙扩展的图片研究初始裂隙长度、裂隙数量对岩石裂隙分形维数的影响,根据岩石裂隙分维-应力曲线将岩石裂隙扩展演化过程分为五个阶段,分析不同阶段裂隙分形维数随岩石内部应力的演化特征,揭示初始裂隙几何要素对岩石裂隙分形维数的影响规律。所获得的理论成果,对于研究裂隙岩体在外界荷载作用下的裂隙扩展演化规律具有一定的参考价值。