不同动载对煤岩块的破坏作用数值模拟

以HJC本构模型进行数值模拟,分析动载作用下煤岩块的应力场、应变场及能量场动态变化过程。结果表明:载荷变化率的改变对煤岩块的破坏形态影响最大,其次是载荷的最大压力值,最后是作用时间;5种载荷压力形式下,煤岩块的动能、内能和总能量3种能量随时间变化趋势一致;煤岩块未破坏时,3种能量随时间增加;煤岩块发生破坏时,动能最终降为0,内能有所降低;煤岩块破坏越严重,3种能量降低的程度越大。煤岩块达到临界应力时只是发生轻微破坏,随后达到最大总能量时才发生严重破坏。压力和作用时间达到一定值时煤岩块才发生破坏,载荷变化率方向的改变增大了煤岩块的破坏能力。     

含水煤样动态拉伸能量演化与破坏特征试验研究

为研究不同含水煤样动态拉伸变形破坏过程的能量耗散规律,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,对不同含水煤样进行冲击加载下的动态劈裂试验,并结合超高速数字图像相关(DIC)试验系统对煤样动态拉伸破坏过程进行观测。基于试验结果分析,获得了煤样破坏过程能量耗散特性随含水率的变化规律,分析了含水率对破碎煤样分形维数的影响。研究结果表明,冲击载荷下应力波是煤样内部大量微损伤结构及原生孔隙、空隙损伤演化的主控因素,煤岩体破碎是一个能量吸收与耗散的过程,随着冲击载荷的增加煤样耗散能密度呈线性增大,但当入射能较小时煤样耗散能密度值相差不大;试样分形维数随加载气压的增加而增加,且增加速率有减小趋势,同种加载气压下,饱和煤样的分形维数最大,干燥煤样的最小;煤样破坏主要以拉伸劈裂为主,破坏裂纹沿加载方向发育,率先在圆盘中部起裂,随后萌生多条次生裂纹,次生裂纹随加载气压的增大而增多,低加载气压下,劈裂裂纹在煤样中的扩展时间较长,扩展速度较慢;基于数字图像技术发现冲击载荷下饱和煤样中部出现多个主应变集中域,且范围逐渐扩大最终沿径向发育贯通。     

含瓦斯煤岩体采动致裂特性及其对卸压变形的影响

为了研究瓦斯压力对采动煤岩体卸压变形的影响,在FLAC平台上采用应变软化本构关系和“先加载后卸压”的方式,研究了不同瓦斯压力及围压条件下采动煤岩体的卸压致裂特性及其对卸压变形的影响。模拟结果表明：煤岩损伤破坏应力的峰值及所对应的轴向应变、应力峰后下降幅度随瓦斯压力的增加而减小,其力学特征由脆性逐渐向塑性过渡;瓦斯压力的增加使煤岩承载能力下降,并由于在有效应力空间中应力水平的提高而使拉伸破坏提前发生;随着瓦斯压力的升高,上覆煤岩采动煤岩卸压变形量、致裂破坏区不断增大,致裂特征更加明显,采动卸压范围、应力集中峰值及其距煤柱边界的距离也增大。因此,当煤层瓦斯压力较高时,瓦斯压力对采动煤岩体卸压变形的影响不能忽略。     

纵波模式下的煤岩体动态响应特性与损伤机理

以圆柱煤岩体为研究对象,基于纵波的传播特征与波动控制方程,得出了纵波传播的频率方程,建立了纵波模式下位移、应变、应力、振速与能量动态力学计算模型。仿真计算结果表明:低阶纵波模式下,圆柱煤岩体中应力波的振动较为平缓,可近似认为是准静力载荷作用,煤岩体以剪切破坏为主,而且初始破坏位置主要分布在圆柱煤岩体底面(作用面)且临近表面的区域。高阶纵波模式下,沿圆柱煤岩体径向方向,位移、应变、应力、振速及能量的振动幅值均随着半径无量纲的增大呈现出衰减趋势,大致符合幂函数关系;剪切应力、应变振幅的极值最大,能量衰减速度最快;而且值得注意的是径向、轴向应力/应变振动幅值随着半径无量纲增大逐渐趋于一致,而且方向趋于相反。由此分析可知:圆柱煤岩体在无围压条件下易发生脆性劈裂破坏,主要由拉应力导致;在有围压条件下易发生近似圆锥形破坏,主要属于拉剪破坏;圆柱煤岩体底面(作用面)圆心处的位移、应变、应力、振速及能量动态变化幅值均最大,因此煤岩体损伤破坏的初始位置应为此圆心处。     

瓦斯渗流过程孔隙流体压力变化规律数值模拟研究

孔隙流体对煤岩体的变形与破坏有着不可忽视的影响,为研究瓦斯渗流过程孔隙流体压力变化规律,对国内某地煤层气开采工程进行流固耦合数值模拟分析,通过应力场和渗流场耦合比较计算分析,结果表明:考虑渗流过程孔隙压力随瓦斯排放时间增加而逐渐减小,孔隙压力随离井的距离增加逐渐增大。     

卸荷煤岩体冲击破坏特性数值模拟研究

为了探讨卸荷煤岩体在不同类型载荷作用下的围岩稳定性规律,对卸荷煤岩体在静载、动载和动静载下的冲击特性进行了数值模拟分析。研究结果表明:冲击动载对卸荷煤岩体冲击破坏的影响主要在于冲击波的循环扰动作用,冲击波的循环扰动作用不仅使巷帮煤层发生层裂破坏,而且造成顶部大范围的劈裂破坏;载荷作用的速率对卸荷煤岩体的冲击特性影响作用明显,主要体现在卸荷煤岩体的破坏载荷峰值、破坏区域和破坏类型等方面的显著不同;动静载耦合作用对卸荷煤岩体冲击特性的影响远高于单一的静载或动载。     

基于FLAC3D模拟的深部岩体爆破损伤规律研究

在高应力和爆炸载荷共同作用下,深部岩体的损伤和破坏将是一个复杂的动态演化过程。为了对深部岩体爆破损伤破坏的机理及影响因素进行深入细致的研究,利用FLAC3D非线性动力分析手段对不同爆炸峰值应力、不同加载速率及不同静应力对岩体爆破损伤量的影响进行研究,同时探讨了爆破损伤破坏区域随动态加载时间的扩展规律,以定性和定量的方式对爆炸后损伤区进行分析和评估。研究表明：不同峰值应力主要影响应力波上升阶段岩体损伤区域和损伤量的大小,不同的加载速率主要影响损伤区的发展速度,而不同的静应力主要影响拉伸破坏区域的最终形态及拉伸破坏量。研究为深部岩体爆破开挖设计提供一定参考。     

煤岩体变形失稳破坏条件的研究

煤岩体在外载荷作用下发生失稳破坏时的一个重要性质就是其变形具有应变软化的特征。鉴于此，文中分别以粘弹性本构模型和微元统计损伤本构模型对煤岩体变形失稳破坏的条件进行了研究，并给出了其中控制变形发生分叉的两个形变参数之间的关系式。     

深部裂隙煤岩体变形破坏机理及高压注浆改性强化试验研究

为了对深部高应力裂隙煤岩体变形破坏特征及改性强化机理进行研究,首先采用小孔径水压致裂法对埋深500 m左右和1000 m左右的地应力分布特征进行现场实测研究,以此为基础对比分析了不同埋深条件下地应力分布特征、煤岩体破裂强度及典型裂隙分布发育特征,拟合得到了不同埋深条件下裂隙煤岩体摩尔强度包络线公式。采用数值模拟方法对比研究了不同埋深不同应力水平条件下煤岩体不同角度裂隙变形破坏特征。根据裂隙扩展应变能释放率与能量吸收率间的关系,探讨了影响深部裂隙煤岩体改性强化的主要影响因素。通过建立裂隙悬臂梁力学模型,采用格里菲斯裂纹扩展破坏准则分析了裂隙扩展临界载荷和裂隙不同角度间的关系。基于现场实测及数值模拟研究结果,通过对不同埋深煤岩体破裂强度的统计分析,结合煤岩体改性强化的工艺及装备要求,提出了深部裂隙煤岩体改性强化的基本原则及临界值范围。基于上述研究成果,在千米深井工作面巷道进行了现场试验,得到了裂隙煤岩体改性强化高压注浆全过程改性压力曲线。通过对裂隙煤岩体不同改性强化阶段浆液扩散特征的分析,最大注浆改性强化压力为30 MPa,一般为15~20 MPa,与提出的改性原则相符。通过现场取样表征分析、实验室扫描电镜对尺度2~20μm浆液固结体特征进行对比分析,采用纳米压痕试验对浆液固结体和煤岩体的界面弹性模量效应进行了分析,从宏观到微观验证了裂隙煤岩体改性强化效果良好。     

爆破应力波在构造带煤岩的传播规律及破坏特征

针对煤矿井下爆破作业扰动到构造带煤岩体容易诱发煤与瓦斯突出事故的现实背景,根据爆破应力波在构造带煤岩的传播规律结合相似模拟实验和数值分析,研究应力波对构造带煤岩的损伤破坏特征及其对煤与瓦斯突出的影响作用机理。研究发现,爆破应力波从岩体传播到构造松软煤层时,在煤岩交界面发生了波的透射和反射;透射的压缩应力波作用于煤体,使煤层裂隙增加;反射的拉伸应力波反作用于岩体,使位于岩体内相应测点的应力值增大约1.1倍,在靠近松软煤体一侧的岩体内形成交叉网状裂纹,加大了岩体的破坏程度和破坏范围。构造松软煤体加强爆破应力波的反射拉伸和爆破振动的累积效应导致构造带煤岩交界面的煤岩体损伤严重,当煤岩体的强度不能抵抗瓦斯内能和煤岩体的弹性潜能时将会发生煤与瓦斯突出。     

组合方式对煤岩组合体力学特性和破坏特征影响的试验研究

为探讨组合方式对煤岩组合体力学特性和破坏特征的影响,利用MTS815岩石力学试验系统,分别对岩-煤-岩(YMY)、岩-煤(YM)及煤-岩(MY)3种组合方式试件进行了单轴压缩和三轴压缩试验研究。试验结果表明,组合体试件破坏主要集中在其煤体部分,而与组合和加载接触方式无关;煤体部分损伤发展和破坏程度的加剧,在一定程度上会诱导岩体出现损伤和发生破坏。单轴加载条件下,3种组合方式均表现为以煤体部分拉张破坏为主的破坏特征,YMY组合的平均抗压强度为40.03 MPa,分别是YM和MY组合方式对应平均值的1.80和1.53倍;三轴加载条件下,均表现为以煤体部分剪切破坏为主的破坏特征;随围压压力增加,各组合方式三轴抗压强度平均值逐渐趋近。     

深部矿井冲击地压、瓦斯突出复合灾害发生机理

为了探索深部矿井冲击地压、瓦斯突出复合灾害机理,为复合灾害的有效监测与防治提供理论基础,通过试验研究和理论研究相结合的研究方法,研究了瓦斯对煤岩体力学性质和冲击倾向性的影响,建立了圆形巷道冲击地压、瓦斯突出复合灾害模型并进行了解析分析,探讨了冲击地压和煤与瓦斯突出的诱导转化机理。结果表明:随着瓦斯压力的增大,煤岩体强度降低,弹性模量减小,峰值应变减小,冲击倾向性降低;煤岩体应力存在一个临界值,当煤岩体应力超过临界煤岩体应力时,系统失稳发生冲击地压、瓦斯突出复合灾害;冲击地压、瓦斯突出复合灾害的临界煤岩体应力随瓦斯压力的增加而减小,随煤岩体强度的增大而增大,随冲击倾向性的增大呈现先减小后增大的趋势;冲击地压诱导瓦斯突出多发生在煤岩体中存在含气封闭断层等储气构造或煤层底板含有高弹性模量岩层(夹层)等情况,瓦斯突出诱导冲击地压多发生在软硬煤相间、相互包裹的煤层或突出过程中破碎煤岩体的抛出形成较大的空顶面积等情况。     

基于界面模型的煤岩体冲击破坏特性研究

煤岩两体结构是煤岩体发生冲击破坏时的基本结构,采用RFPA数值软件探讨煤岩体中界面倾角与深部开采条件下围压对煤岩体冲击失稳破坏的影响。模拟结果表明:煤岩体的声发射能量特性与抗压强度呈现相同的变化规律,倾角越大,冲击破坏的危险性越低,界面滑移破坏的危险性越高;煤岩体在高地应力大倾角下抗压强度大小主要由围压来决定。煤岩体的破坏模型以45°倾角为界限,分为压剪破坏和界面滑移破坏2种,当α<45°时,煤岩体呈现压剪破坏特征;当α≥45°时,破坏模式转变为以煤岩交界面的滑移破坏为主。     

基于层叠模型组合煤岩体动态力学本构模型

为研究冲击载荷下组合煤岩的动态力学特征,利用75 mm的分离式霍普金森压杆(SHPB)实验系统,对不同组合比煤岩样(砂岩∶煤∶砂岩分别显1∶1∶1,2∶1∶1,1∶1∶2,1∶2∶2)进行不同速率(4.590～8.791 m/s)的冲击加载实验,获得了组合煤岩的动态应力-应变曲线,结合煤、岩本构的研究成果和层叠模型原理,并充分考虑了组合煤岩体在动态破坏过程中的应变率相关性和损伤特性,构建了7参数组合煤岩层叠本构模型。研究结果表明∶① 不同组合比煤岩的弹性阶段和塑性阶段持续时间不同,不同组合比煤岩的应力应变曲线前期均呈现出明显的非线性;② 组合煤岩动态冲击屈服强度随应变率的增大而增大,随煤的占比增大而减小;③ 构建的7参数组合煤岩层叠本构模型数值拟合曲线与实测动态本构曲线具有较好的一致性,拟合参数分析发现在中应变率(110.41～195.49 s-1 )冲击载荷作用下,组合煤岩体损伤软化效应超过应变率强化效应成为主导因素;④ 拟合参数范围和试样冲击破坏特征均表明,组合体试件主要破坏部位以煤体破坏为主,不受组合方式的影响。研究成果为进一步深入认识冲击地压等煤岩动力灾害发生机理和预测预防措施提供参考借鉴。由于组合煤岩冲击破坏SHPB实验条件有限,并未考虑围岩影响,围压下的组合煤岩动态破坏特性有待利用实验和数值模拟手段进一步研究。     

高承压水体上开采煤层底板潜在突水区动态演化数值模拟

以底板受石炭系太原组灰岩高承压含水层威胁的淮北芦岭煤矿10煤为研究示范,利用有限元软件Plaxis 8.2建立能模拟承压水压力的10煤动态开采的数值模型,并考虑冒落矸石密度、变形参数与强度参数随时间的变化,分析底板采动破坏带与潜在突水区域的时空分布及其影响因素.研究结果表明:正常开采条件下,底板破坏深度随工作面推进距离的加大而增加,推进到一定距离后将达到极大值;随着煤层倾角的增大,由于冒落岩体的充填效应,开采冒落区导水裂隙提前闭合,潜在突水区域变小,并逐步集中于新近采空区;承压水压力越大,底板裂隙扩展并最终相互沟通的可能性越大,当承压水压力处于高值时,突水随时可能发生.     

煤岩组合体界面效应与渐进失稳特征试验

煤岩体组合特征决定着煤和岩石组合形成整体结构的变形失稳,为分析煤岩高比对煤岩组合体受载时力学特性、能量转化规律与失稳破坏特征的影响,制作了3种高比的"岩-煤-岩"(RCR)组合试件,开展了煤岩组合试件的单轴压缩试验和PFC~(2D)数值模拟试验,并基于RCR组合体声发射信号和宏观破坏特征分析,获得了组合体界面效应影响下的渐近失稳特征和声发射能量演化规律。研究结果表明:煤岩组合体的损伤破坏表现出渐近非连续特征,损伤破坏首先在煤岩组合体的煤体中发生、发展,煤体裂纹发育至煤岩交界面时被阻隔,受煤岩组合体界面效应的影响和裂纹尖端强应力链的持续集聚,裂纹最终从煤体扩展至岩石中煤岩组合体发生整体性瞬时破坏;随煤岩高比增大,组合体单轴抗压强度、弹性模量、宏观起裂破坏时间和瞬时失稳破坏时间均呈降低趋势且瞬时破坏时动力显现也逐渐被弱化。由于RCR组合体结构和弹性储能的差异性,导致裂纹在煤岩组合体中的扩展能力、速度和角度不同,进而组合体呈现出不同的破坏形态,但组合体破坏形式具有相似性,其中煤体以剪切破坏为主,顶底板砂岩以劈裂破坏为主。在煤岩组合体渐进破坏过程中煤体的破坏诱导了顶底板砂岩的破坏,而砂岩的破坏加剧了煤体的损伤破坏程度和瞬时破坏时动力显现强度,形成了煤体砂岩破坏互馈机制。RCR组合体受载时声发射信号有明显的时段性特征,当RCR组合体发生整体失稳时,声发射信号频率较低,声发射能量值达到历史最大,根据煤岩组合体声发射前兆信息的时频、时空规律性特征可对煤岩动力灾害孕育与发生进行实时监测,实现煤岩动力灾害的精准感知与超前预警。     

基于EDEM仿真的煤岩截割产尘规律研究

为了分析煤岩掘进机截割产尘规律，基于EDEM仿真法构建掘进工作面煤岩体三轴受力模型，分析不同截割条件下煤岩截割产尘规律。结果表明：颗粒间黏结键数量随截割头运转时间呈周期性递减趋势，其周期长度范围为0.2～0.7 s，颗粒间破坏键数量随截割时间大致呈线性递增趋势；截割过程中岩体和煤体的颗粒平均抛掷速度随截割深度增加均呈周期性波动分布，且岩体截割过程的颗粒平均抛掷速度值明显较大；截割深度随着截割头运转时间的增加逐渐增加，颗粒抛掷平均速度自1.0 s左右呈波动性增加趋势；不同顶板压力条件下，随着截割深度的增加，颗粒平均速度均呈周期性增加趋势，而截煤岩高度对截割产尘过程的影响较小。     

瓦斯对煤冲击倾向性影响的试验研究

为研究瓦斯对煤冲击倾向性的影响,在不同瓦斯压力下测定了煤的冲击倾向性指标,分析了含瓦斯煤样在多级循环加载和单轴应变加载时能量积聚与耗散情况。研究结果表明:在孔隙瓦斯压力和吸附瓦斯共同作用下,煤样冲击倾向性指标由强向弱或由弱向无转变;瓦斯降低了煤样的强度,在多级循环过程中由损伤和塑性变形引起的耗散能增加,煤样储存弹性应变能的能力下降,完全破坏时煤样盈余能量减少,瓦斯弱化了煤的冲击特性;伴随瓦斯压力的增加,能量跌落系数逐渐变大,表明瓦斯致使煤样的破坏形式由脆性向脆塑性转变;基于瓦斯对煤的冲击倾向性和破坏形式的影响,在含瓦斯煤层冲击倾向性测定和冲击危险性评价过程中,应充分考虑瓦斯对煤层冲击特性的影响。     

冲击矿压的产生机理与岩石巷道卸压爆破影响参数

冲击地压是聚集在矿井巷道和采场周围煤岩体中的能量突然释放,并在井巷发生爆炸性事故,产生的动力将煤岩抛向巷道,造成煤岩体震动和煤岩体破坏,支架和设备损坏,人员伤亡,部分巷道跨落破坏等。该文主要阐述了冲击地压的产生机理和岩石巷道卸压爆破影响参数等问题。     

不同瓦斯压力下煤岩力学性质及声发射特性研究

为研究煤岩瓦斯复合动力灾害发生的机理,从细观角度对三交河煤矿、屯留煤矿、平煤十矿煤样原生孔隙和裂隙等参量进行分析,选取平煤十矿煤样作为力学试验研究对象,采用自主研发的含瓦斯煤岩受载变形破坏试验装置,利用DS-5型全信息声发射信号分析仪,分析其在不同瓦斯压力条件下力学性质和声发射特征,并对声发射的计数、累计计数、能量、累计能量等在不同瓦斯压力下的演化规律进行了对比分析。结果表明:随着瓦斯压力的增大(0~2 MPa),煤样的峰值强度和弹性模量呈降低趋势,泊松比呈升高趋势,其抗压强度下降22.61%,弹性模量下降23.97%,泊松比增加33.67%;不同瓦斯压力下煤样受载破坏过程中的声发射都经历了平静期、活跃期、提速运动期、残余运动期4个阶段,且煤样的声发射累计计数和累计能量随着瓦斯压力的增加而降低,其声发射累计计数减小了32%,累计能量降低了25.32%。研究成果有利于发现煤岩体破坏的细观机理,为找到煤岩体破坏失稳预测预报方法和指标提供了依据。