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。...     

大红山铁矿深井大规模开采岩爆综合评价

大红山铁矿是特大型深埋矿床,在深井开采时遇到的一个技术难题就是岩爆。为评价岩爆倾向性烈度,对该矿深部5种岩样进行室内岩爆倾向性试验,并采用声发射方法确定岩石接近峰值强度时的卸载点;通过地应力现场实测和三维有限元数值模拟,获得深部最大主应力和巷道开挖后最大切向应力;采用最大主应力判别法、切向应力准则、强度脆性系数法、变形脆性系数法、弹性应变能储存指数法这5种评价方法,对岩样的岩爆倾向性进行单项指标评价,分别得到各矿岩岩爆倾向性烈度。然后采用模糊数学法,对各单项指标评价结果进行综合评价。结果表明:深部主要矿岩体总体上具有发生中等岩爆和强烈岩爆的倾向性。最后,通过评价结果,在岩层图上绘制典型水平岩爆倾向性分布区域,可为深部开采和岩爆防治提供参考依据。     

裂隙网络几何参数对岩体抗压强度影响及破坏模式研究

当前矿山巷道局部垮塌现象严重,其诱因多为岩体内部裂隙发育扩展,进一步导致岩体丧失自稳平衡能力而破坏。为探究裂隙几何参数对岩体强度性能的影响及其破坏模式,将离散元软件(PFC)与裂隙网络相结合,进行了岩体单轴抗压模拟。结果表明:岩体抗压强度随裂隙岩体中裂隙密度、倾角不断增大,分别呈负相关及“U”形分布趋势,裂隙倾角为45°时岩体强度最低;岩体破坏模式受裂隙形式影响,平行裂隙对岩体的影响程度较大。研究成果在一定程度上揭示了裂隙在岩体中的发育规律,也是影响岩体强度的关键因素,对探究工程中裂隙岩体稳定性及破坏过程有一定的参考意义。     

花脑特矿区基于变异系数-突变级数法的岩爆倾向性综合预测

为了准确预测花脑特矿区深部中段岩爆倾向性,选取岩石单轴抗压强度、冲击能量指数、弹性应变能指数、地应力指数和RQD值等五个指标,通过地应力测量、室内岩石力学试验、Sirovision岩体节理裂隙调查,获得岩爆倾向性单指标评价结果,同时引入变异系数-突变级数法建立岩爆多指标评价体系,利用岩爆倾向性单指标评价结果计算突变级数值,并与岩石实际岩爆等级进行比较分析。分析结果表明,样本突变级数值与实际岩爆等级存在正相关关系,可以进行岩爆倾向性预测。研究结果表明：变异系数-印第安人茅舍突变级数值法在白音呼布花脑特矿区具有较好的适用性,可作为矿山后续工程中岩爆倾向性预测依据。     

马路坪矿深部开采岩爆倾向性评价与防治对策

贵州开磷集团马路坪矿进入深部开采后,岩爆是其面临的一个突出的问题。根据现场工程地质调查和实验室岩石力学性能测试,在考虑岩爆发生机制的基础上,选用弹性应变能指数、线弹性能准则、能量储耗指数以及岩体完整性系数4个指标对马路坪矿深部岩体的岩爆倾向性进行模糊综合评价,获得该矿4种典型岩样的岩爆倾向性,并据此提出了该矿深部开采岩爆防治的建议措施。     

三山岛金矿深部开采采场能量释放规律研究

深部开采过程中"三高一扰动"对采矿工程造成很大的影响,不仅回采的安全性难以保证,也极大地限制了矿石的回采率,充填法因能很好地控制地压而被认为是深部开采可选的采矿方法。以三山岛金矿为例,结合地应力测量结果,对深部开采过程中岩体开挖过程的能量释放规律进行研究和分析。结果表明,随着开采深度的不断增大,岩体释放的能量随之增大;岩体的弹性模量越大,弹性应变能密度则越小;深部采场充填能明显降低岩体的弹性应变能密度以降低岩体释放的能量,显著降低发生岩爆的可能,从而保证回采的安全。     

双轴加载条件下裂隙岩体相似模型力学特性试验研究

煤矿深部地层主要受构造应力场影响,以水平应力为主且具有明显的方向性,而煤系地层节理、裂隙发育。为探究煤矿深部地层裂隙岩体断裂特征和力学特性,研制了裂隙岩体试验平台,制备了不同倾角的裂隙岩体相似模型,开展双轴加载试验;基于试验结果和数字图像相关技术（DIC）分析研究了节理倾角对裂隙岩体强度和断裂特征的影响规律。研究结果表明：裂隙与主应力方向的夹角对试件峰值强度影响较大,夹角为30°时,试件峰值强度最低,90°时最高;试件受载后产生的次生裂纹共有7种类型,随着预制裂隙倾角的增大,试件破坏模式经历了压剪破坏、拉-剪复合破坏、压剪破坏的变化;次生裂纹扩展经历了与预制裂隙共面、与预制裂隙异面、与预制裂隙共面的变化。     

深部巷道裂隙围岩危险体判定及应力监测预警

工程岩体是由节理、裂隙等结构组成的不连续介质体,深部巷道处于高地压、强扰动的复杂工程环境中,裂隙岩体的稳定性是深部工程安全稳定性研究的重要课题。本文以矿井深部巷道为研究对象,构建离散裂隙网络模型,获得等效岩体参数,并以此建立裂隙岩体工程模型;分析工程巷道裂隙围岩的应力、变形和破坏特征。模拟试验结果表明:斜联巷、釆联巷、水仓与主运输巷交叉等位置是应力集中区,易产生张拉、剪切破坏;根据数值模拟获得的应力集中危险区域分布特点,布设围岩应力监测网络,成功预警位于斜联巷和水仓连接巷的顶板塌落事故,为矿山设备、人员安全提供了可靠的保障。     

离散裂隙网络的几何参数对裂隙岩体力学参数的影响研究

构建不同结构特征的离散裂隙网络,然后建立相应的等效岩体模型,通过单轴压缩数值试验得到等效岩体模型的力学参数,分析离散裂隙网络的几何参数对裂隙岩体力学参数的影响。结果表明：随着裂隙密度P₃₂的增加,单轴抗压强度、弹性模量及峰值应变近似线性递减,泊松比近似线性递增；随着裂隙倾角均值的增加,单轴抗压强度、弹性模量及峰值应变先减小后增大,泊松比先增大后减小,在60°时达到极值；对于裂隙倾角的分布特征,当裂隙倾角均值为60°时,单轴抗压强度、弹性模量及峰值应变随Fisher分布常数的增加而减小,泊松比随Fisher分布常数的增加而增加,而对于其它裂隙倾角均值的情况,Fisher分布常数对裂隙岩体力学参数的影响较小；对于裂隙直径的分布特征,幂律分布指数对裂隙岩体力学参数的影响较小；敏感性分析结果表明,单轴抗压强度对于离散裂隙网络几何参数的敏感性最大,弹性模量的敏感性最小。     

基于应力及能量条件的岩爆发生机理研究

为了研究深井硬岩巷道岩爆发生的机理,结合大台井玄武岩区岩爆工程实践,分析了区域构造应力场特征,研究了区域内煤岩体的弹性潜能分布特征.从构造应力和能量的角度出发,分析了具有岩爆倾向性的巷道围岩产生岩爆时应具备的应力条件和能量条件.研究结果表明,在具有岩爆倾向性的岩体中掘进巷道,岩爆的产生应同时具备所需的应力条件和能量条件,岩爆的位置和剧烈程度与最大主应力方向有关.研究成果将对大台井岩爆防治,深部开采的水平大巷布置和巷道支护等提供理论依据.     

基于深地复杂应力条件下混凝土冲击倾向性试验

针对深地复杂应力条件下,混凝土发生了类似岩爆的瞬时破坏现象。对不同强度等级的混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度、动态破坏时间、弹性能量指数、冲击能量指数和声发射参数进行试验研究,提出以脆性系数、 动态破坏时间、冲击能量指数作为评价混凝土冲击倾向性指标。结果表明:脆性系数小于20、动态破坏时间大于500 ms、冲击能量指数小于1.5的混凝土无冲击倾向性,C50强度等级以下的混凝土无冲击倾向性,强度越高冲击倾向性越强;对高强混凝土进行声发射监测,声发射能量随混凝土强度增加而增大,临近峰值应力时,声发射参数会剧增,可据此监测高强混凝土的冲击破坏;活性粉末混凝土显著提高了动态破坏时间,降低了脆性系数和冲击能量指数,是一种无冲击倾向性的材料,对深地复杂应力条件下混凝土的冲击破坏有明显改善。     

基于损伤统计本构模型的煤层冲击倾向性研究

针对目前国内煤层冲击倾向性指标存在的问题,基于煤岩应变强度理论、煤岩微元强度服从Weibull随机统计分布的假设和连续介质损伤力学理论,采用单轴压缩下煤岩损伤统计本构模型,用最优化方法确定该模型的关键参数,同时分析了各参数的物理意义,进而给出了冲击能指数和弹性能指数的理论计算方法,并提出了最大损伤速率和反应动态破坏时间的动态损伤应变新指标。数值试验和现场试验结果表明：采用最优化方法确定该模型参数能更好地拟合煤岩应力-应变全过程曲线;修正后与新提出的冲击倾向性指标理论计算方法合理可行,物理意义明确,能很好地反映煤层的冲击倾向性,为深入研究煤层冲击倾向性的本质提供了一种新的思路。     

预制钻孔煤样冲击倾向性及能量耗散规律

基于煤的冲击倾向性测定方法进行预制钻孔煤样单轴加载试验,研究钻孔煤样的冲击倾向性变化规律,引入破碎颗粒分形维数与新增表面积,分析钻孔煤样破碎过程中的能量耗散规律。结果表明:(1)钻孔使试样以剪切劈裂破坏形式转变为在孔洞两侧孕育、融合裂隙并在岩桥之间产生贯穿裂纹的破坏形式,同时伴随塌孔现象。随钻孔排数增多,钻孔试样呈现出应力峰前塑性损伤逐渐增大,峰值强度降低、积聚弹性能减少,峰后破坏耗时延长、耗能提升的趋势,且单轴抗压强度、冲击能量指数、弹性能量指数均逐渐降低,动态破坏时间显著升高,冲击倾向性逐渐减弱。(2)试样破碎颗粒分形维数与新增表面积具有良好的负相关性:试样破碎程度越低,分形维数越高,新增表面积越小。(3)试样应力峰前能量的输入、耗散与新增表面积无明显关系。峰后能量释放及耗散规律与破碎颗粒新增表面积变化规律一致,新增表面积越大则峰后耗能越多。受加载速率及钻孔布置影响峰后能量差值与新增表面积变化呈"U"形变化趋势。钻孔减缓了试样峰后能量释放与能量耗散速率,且二者降低幅值较为相近,单孔试样降低约17.0%,双孔试样降低约68.3%,三孔试样降低约70.8%。钻孔卸压可以降低峰前积聚的应变能,降低峰后单位时间内释放的能量,使得不易发生动力破坏。     

饱水冻结裂隙砂岩力学特性试验研究

为探究寒区裂隙岩体的力学特性及破坏机理,对不同裂隙倾角的饱水砂岩开展-10℃冻结环境下的常规三轴压缩试验.结果表明:裂隙几何特征对加载过程中砂岩应力应变曲线发展有较大影响.应力应变曲线初始段呈"上凸型"特征,这是由于该阶段主要由岩体孔隙和裂隙内冰体承担荷载.砂岩峰值强度、 弹性模量、 抗剪强度参数与裂隙倾角呈线性正相关...     

深部开采沿空巷道冲击危险性的工程判据研究

为研究深部开采沿空巷道冲击地压的发生条件,以沿空巷道应力场分布为切入点,建立了相应的工程力学模型,分析得到沿空巷道围岩高应力区附近的高应力差区是发生冲击地压的主要区域。以高应力差区的煤体为研究对象,分析得到了沿空巷道冲击地压发生的应力条件、应力梯度条件及煤体的冲击倾向性条件,并推导了冲击危险性的工程判据。结果表明：决定冲击地压危险性的关键因素是高应力差区域的应力峰值、应力差值、应力梯度和煤岩体强度以及冲击倾向性;通过调整沿空巷道实体煤巷帮与高应力峰值位置的间距,合理布置沿空巷道位置,可以有效控制沿空巷道的冲击地压灾害。     

初始裂隙倾角对岩石破坏模式及峰值强度的影响

初始裂隙倾角是影响裂隙岩体再生裂隙扩展方向和损伤断裂模式的重要因素之一,采用岩石破裂过程RFPA数值分析系统对不同倾角的单裂隙岩石在单轴压缩条件下破坏过程进行数值模拟。结果表明:当裂隙倾角不大于45°时,试件呈现出拉伸和剪切的混合破坏;裂隙倾角为60°时试件以拉伸破坏为主;裂隙倾角为75°时试件以剪切破坏为主。受岩石强度、内摩擦角和压拉比的影响,初始裂隙倾角对单裂隙岩石峰值强度的影响趋势具有多变性,其影响趋势可分为三类,一是随着裂隙倾角的增加岩石峰值强度增加;二是随着裂隙倾角的增加岩石峰值强度先降低再增加;三是随着裂隙倾角的增加岩石峰值强度先增加后降低再增加。     

煤矿深部开采冲击地压监测解危关键技术研究

针对煤矿深部开采冲击地压监测防治难题,采用理论分析、数值模拟、室内试验和现场监测相结合的综合研究方法,研究了深部应变型、断层滑移型和坚硬顶板型三类冲击地压的致灾机理,提出了煤岩组合冲击能速度指数和卸围压冲击能速度指数两个新指标,建立了与冲击地压类型相适应的煤岩冲击倾向性评价体系,获得了深部开采三类冲击地压的前兆信息特征,给出了以深部开采冲击地压类型为导向的监测预警及组合式卸压解危方法,研发了钻孔施工与预警同步一体化技术。结果表明:① 深部应变型冲击地压是围岩系统能量积聚大于能量释放与耗散之和的结果;与浅部开采相比,深部坚硬顶板破断释放的变形能明显增大,以及深部断层更易发生错动滑移;② 深部应变型和深部坚硬顶板型冲击地压的冲击倾向性评价需在国家标准基础上分别增加卸围压冲击能速度指数、煤岩组合冲击能速度指数,而对于深部断层滑移型冲击地压,这两个指标均需增加;③ 深部应变型和深部坚硬顶板型冲击地压监测预警应以能量和应力判据为主,但深部断层滑移型冲击地压应以能量判据为主;④ 深部应变型冲击地压解危方法优先顺序为开采保护层、大直径钻孔、断底和煤层注水;深部坚硬顶板型冲击地压解危方法优先顺序为开采保护层、深孔断顶爆破、大直径钻孔、断底和煤层注水;深部断层型冲击地压解危方法优先顺序为开采保护层、大直径钻孔和煤层注水;⑤ 采用钻孔施工与预警同步一体化技术,可在钻孔施工过程中通过监测煤粉量和应力变化信息,对施工过程中可能发生的冲击危险进行同步预警。煤矿深部开采冲击地压防治作为一个复杂的系统工程,以科学分类为基础的系统防治技术体系仍是深部开采冲击地压需要重点攻关的研究方向。     

预制非贯通单组裂隙岩石模型力学参数的实验研究

开展裂隙岩体破坏的力学特性的研究始终是岩体力学研究领域的重要课题,预制裂隙岩石模型是了解和掌握岩石破坏机理的一条重要途径,本文预置裂隙的水泥砂浆试块模拟节理发育的裂隙岩石,通过单轴压缩试验与剪切试验研究节理影响下的岩石力学参数的变化,并演示了裂隙的扩展贯通过程。研究表明：(1)岩体内部节理面的张开扩展延伸直至贯通从而引起非贯通节理岩体的破坏。(2)岩石模型的单轴抗压强度随着节理角度的增加逐渐下落,在节理角度达到45°时,试块的单轴抗压强度出现最小值,随后开始反向增大。(3)岩石模型单轴抗压强度与节理贯通率的关系满足一定的关系式,单轴抗压强度随着节理贯通率的增大而不断降低。(4)随着法向应力的增加,裂隙岩石模型的峰值剪应力也相应线性增大,当节理面存在充填物时会一定程度上会提高裂隙岩石的强度。这为裂隙岩石的破坏机理提供了重要的参考依据。     

基于Smooth-Joint模型的层状页岩力学特性研究

普光气田陆相页岩气资源潜力巨大,侏罗系千佛崖组一段页岩气大面积分布,埋深适中,页岩气资源量为4 239.5亿m³。为实现页岩气的高效开发,在室内页岩单轴压缩力学试验的基础上,利用颗粒离散元法建立页岩的单轴压缩模型和Smooth-Joint节理模型,探讨宏观各向同性页岩单轴压缩破坏、变形及强度特征,以及不同Smooth-Joint节理倾角对岩石力学特性的影响。数值试验与室内试验分析结果表明,节理面的存在降低了岩石的抗压强度;岩体的抗压强度随着节理倾角的改变而改变,随着节理倾角的增大,岩体的强度先降低随后增大;当节理面与潜在破坏面的方向相近时,即节理面倾角θ=45°+φ_s/2时,岩体受压破坏沿节理面发生,岩体强度下降得最多;层状页岩单轴压缩全应力—应变曲线可以分为5个阶段,阶段Ⅰ岩样内部裂纹闭合体积减小、阶段Ⅱ弹性变形过程(总体积应变增量等于弹性体积应变增量)、阶段Ⅲ裂纹稳定扩展(弹性变形)、阶段Ⅳ裂缝非稳定扩展(塑性变形阶段)、阶段Ⅴ试件裂缝继续扩展延伸直至达到峰后强度σ_p停止。该研究结果为普光陆相千佛崖组页岩气的开发提供...