采动岩体裂隙分维演化规律分析

采用岩石破裂过程RFPA数值分析系统研究了具有初始裂隙的采动岩体裂隙演化过程和破坏模式,利用数值试验成果基于分形几何理论分析了采动岩体裂隙分形维数随开采宽度、初始损伤量的演化特征,揭示了采动岩体裂隙分维演化规律.分析证明,与采动岩体裂隙分布的分形维数存在明确对应关系的应为初始损伤量,而不是初始裂隙倾角,不同的初始损伤量对应不同的分形维数,在开采末期,采动岩体裂隙分维随初始损伤的增加而呈线性增加,回采结束时,初始损伤量越大,采动岩体裂隙分布的分形维数越大.研究结果为进一步探索裂隙随机分布时采动岩体分维演化规律提供参考依据.     

乌鲁木齐矿区砂岩单轴压缩的分形特征研究

基于分形理论,研究了单轴压缩条件下乌鲁木齐地区白土窑煤矿煤层顶板砂岩破裂的分形特征。研究结果表明:在单轴压缩条件下,随着轴向应力的不断增加,砂岩试件表面的裂隙数目、长度宽度均在逐渐增加;泥质砂岩和细粒砂岩在轴向应力增加时裂隙发育和扩展的特征存在一定的差异性;分形维数可用来定量地表征单轴压缩条件下砂岩变形破坏过程的演化规律,且建立了不同荷载与分形维数之间的映射关系模型。     

煤岩单体及原生组合体变形损伤特性对比试验研究

研究煤岩组合体在不同应力条件下的变形损伤规律,对揭示矿山动力灾害机制具有重要 意义。 在单轴加载条件下,分析原生煤岩组合体、人工煤岩组合体及煤岩单体应力-应变规律,通 过采集加载过程中试样声发射行为信息,初步探究原生煤岩组合体损伤破坏规律。 对比分析发 现:① 煤岩组合体界面的差异对煤岩组合体力学性质、声发射特征具有较大影响;② 单轴加载条 件下4种试样抗压强度依次为:岩样>人工煤岩组合体试样>原生煤岩组合体试样>煤样;③ 组 合体受载变形和峰值强度受介质间界面条件、弹性模量及尺寸效应等多重因素影响;④ 原生煤 岩组合体在加载屈服破坏阶段内部裂隙发育贯通现象相对活跃,且早期损伤主要发生在原生煤 岩组合体界面或附近煤岩体。     

采动应力监测传感装置及应用研究

为研究矿山采动空间围岩应力演化规律以及其导致煤岩失稳问题,基于静水压原理开发了采动应力监测传感装置,在实验室对装置进行了弹性及弹塑性介质条件下的加载试验,并利用该装置在神火集团梁北煤矿进行了现场采动应力实测。结果表明:开发的采动应力监测传感装置在完全弹性条件下,监测结果可真实反映煤岩体应力;随着煤岩破碎程度增大,塑性增强,监测结果仍旧能够准确反映采动应力变化趋势。现场实测表明:孤岛工作面走向上,风巷与机巷各测点的垂直应力随工作面的推进逐步升高到峰值后急剧降低,倾向10 m范围内垂直应力增长幅度随测点距巷帮距离的增加呈增大的趋势。     

孔周煤岩体渐进性破坏过程裂隙和应变能演化特征北大核心

为探究瓦斯抽采钻孔孔周煤岩体渐进性破坏过程中裂隙和应变能演化特征,设计了完整试样和含孔试样,开展渐进性破坏试验;通过VIC-3D观测系统,获取试样表面变形情况,计算并分析试样表面裂隙动态演化过程,裂隙分布情况及应变能演化特征。研究结果表明:含孔试样抗压强度较低,且钻孔孔周产生较多裂隙,孔上下两侧变形严重,表明在实际钻孔施工过程中,煤岩体抗压强度会大幅下降,钻孔周围产生较多裂隙,从而造成钻孔破坏,甚至塌孔;渐进性破坏过程中,孔周煤岩体表面裂隙发生动态演化,其动态演化过程与加载应力呈对应关系,同时通过对比裂隙张开量和错动量演化特征,判定试样破坏的主要裂隙类型为张开、错动混合型裂隙;在渐进性破坏过程中,孔周煤岩体表面裂隙演化过程与局部化区域变形能密度累积保持对应关系,不同局部化区域的应变能密度演化特征不同,体现出孔周煤岩体在渐进性破坏过程中存在内部能量调整。     

基于数字图像相关方法预钻孔煤样破裂特性研究

为研究预钻孔煤岩的破裂特性,采用非接触性全场应变测量系统,对水平预钻孔煤样进行了单轴压缩试验,分阶段分区域探究钻孔围岩破裂规律。研究结果表明:DIC能够对煤样变形破裂进行全程有效捕捉,散斑数的变化曲线与加载曲线具有相互对应的关系;煤岩体在破裂的过程中呈现倾斜劈裂和"X"状的破裂方式,初始破裂均为煤岩体内部的剪切滑移,由于内部构造不同,在压应力和拉应力的作用下,造成不同的破坏形式,并且煤岩体承载能力的降低主要是其内部材料的剪切滑移造成的。     

煤岩孔裂隙结构分形特征及渗透率模型研究

为探究煤岩孔裂隙结构与渗透特性的联动关系,采用扫描电镜、偏光和分形等手段分析煤岩孔裂隙结构分布特征,利用自主研发的出口端正压三轴渗流装置,开展恒定有效应力条件下孔隙压力升高的渗流试验。基于分形理论,考虑煤岩表面孔隙分布情况对煤岩渗透率的影响机理,建立考虑孔裂隙分形特征的煤岩渗透率模型,通过试验验证其合理性,对煤岩孔裂隙下分形维数和渗透率耦合进行定量分析。研究结果表明:①六盘水矿区煤岩表面含有一定数量的孔隙和裂隙,其中四角田7号煤层孔裂隙发育情况最好,具有2条清晰的宽度较大的裂隙,并伴有大量交叉微裂隙及孔隙发育,煤岩结构破坏严重;②通过盒维数法可得煤岩孔裂隙分布具有明显的分形特征,且煤岩孔隙率与分形维数呈正相关关系;③恒定有效应力条件下,煤岩渗透率随孔隙压力升高呈现先急剧降低后趋于平缓的趋势,受孔裂隙结构影响,在相同的孔隙压力下煤岩渗透率存在明显差异。煤岩表面孔裂隙结构越复杂其分形维数越大,有助于瓦斯运移,渗透率呈上升趋势;④考虑孔裂隙分形特征的煤岩渗透率模型计算值与实测值吻合度较高,与前人研究成果相比,无论理论机理的适用性还是对试验点的匹配方面都更加适用,且能较好地反映孔隙压力与渗透率的联动关系。     

采动裂隙网络实时演化及连通性特征

以平顶山煤业集团八矿己15-14120采煤工作面为试验基地,借助改进后的本质安全型钻孔裂隙窥视仪,实时采集采煤工作面前方煤岩体裂隙网络随工作面推进的演化过程。结合分形几何理论与裂隙岩体连通率投影算法,揭示了采动影响下,工作面前方裂隙网络演化分形特征及连通率变化规律。结果表明：采动对平煤八矿己15-14120采煤工作面上覆岩层裂隙网络沿开采方向的影响范围约为50 m;随着工作面不断接近试验测点,煤岩体采动裂隙网络分形维数总体呈上升趋势,并与矿压分布有较好的对应关系;同时,煤岩体连通率随采煤工作面推进上升趋势明显,可依次分为线性缓慢增长阶段、指数增长阶段及平稳阶段。     

不同开采方式下煤岩应力场-裂隙场-渗流场行为研究

煤岩的采动力学行为与常规的煤岩材料力学行为有本质不同,传统的岩石力学实验研究没能体现开采方式和工程扰动的真实影响。深部煤与瓦斯共采实践中,不同开采方式扰动下的煤岩应力场、裂隙场和渗流场行为有显著差异,但煤岩采动力学行为特征尚缺乏科学的、定量化的分析和表达。通过开展不同开采方式下煤岩采动力学实验,分析3种典型开采方式下煤岩采动力学行为、采动裂隙展布及增透率演化规律,探索不同开采方式下煤岩真实采动应力场、裂隙场和渗流场的特征差异。研究表明:不同开采方式产生不同的采动应力场,并导致不同的煤岩裂隙场和渗流场行为特征差异;不同开采方式条件下煤岩峰值应力、峰值应力对应轴向应变和环向应变按照无煤柱开采、放顶煤开采和保护层开采的顺序降低,而体积应变绝对值则依次升高;不同开采方式下煤岩采动裂隙尺度分维D及煤层增透率激增点与工作面之间的距离(L_(rise))均按照保护层开采、无煤柱开采、放顶煤开采的顺序依次下降,确定煤层L_(rise)范围和增透率空间分布可为煤瓦斯共采工程提供理论指导。     

超声波功率对煤体损伤特性及能量演化规律的试验研究

为研究超声波致裂对煤体力学损伤特性及能量演化规律的影响，利用电子万能压力试验机、声发射系统、对不同功率超声波致裂煤体进行单轴压缩试验，获得了不同功率超声波致裂煤体力学损伤参数，探究了声发射信号与不同功率致裂煤体损伤参量相互关系，采用盒子分形维数分析了煤体表面裂隙分形特征，阐明了超声波不同功率致裂煤体损伤劣化机制。试验结果表明，随着超声波致裂功率增大，煤体单轴抗压强度、弹性模量逐渐降低，煤体单轴抗压强度损伤参量、弹性模量损伤参量与致裂功率呈线性相关；单轴压缩过程中声发射振铃计数可分为平静期、上升期、波动期3个阶段，随着超声波功率增大，裂纹扩展孕育期时间越短，相对时长占比越小，裂纹扩展增长速率越大，对煤体强度的弱化效果逐渐增强，声发射信号突增现象明显，煤样终态破坏更加破碎，破坏特征随着致裂功率的增大煤体从弹脆性向延–塑性转化；煤体孔裂隙扩展贯通，煤体表面裂隙分形维数损伤参量与致裂功率呈线性正相关，分形维数损伤参量越大，表明煤体裂隙形态越复杂；基于声震参数分析了煤体损伤参量与声发射归一化参数的关系，具有较好拟合关系。以上结果表明，超声波致裂作用对煤体结构造成损伤，使煤层破坏变形，形成复杂的渗...     

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。     

冲击加载下煤岩破碎块度与能耗关系的试验研究

利用霍普金森压杆对煤岩进行不同冲击加载下的动态力学测试,研究煤岩破碎块度与破碎能耗之间的关系。利用筛分法确定煤岩破碎后的平均块度,借助分形理论,研究不同冲击加载下煤岩的破碎分形维数、破碎块度;借助不同冲击加载下煤岩的应力—应变曲线,依据应力波理论,分析煤岩的破碎能耗;并研究了煤岩的破碎块度与破碎能耗的关系。研究结果表明,在动态冲击试验下,煤岩冲击破碎后的块度具有较好的分形特性,分形维数能够反映煤岩的破碎和脆性程度。煤岩在不同冲击加载下,破碎平均块度在6~19mm之间。随着冲击加载速度的增大,煤岩越破碎,破碎块度越小,破碎能耗越大。     

采动裂隙场条件下损伤煤岩体本构方程初步研究

应用损伤力学、材料力学、采动岩体力学以及传质学原理等,推导了二维平面及三维空间采动裂隙场条件下损伤煤岩体的本构方程,揭示了各种应力及其变化与损伤煤岩体的关系,为研究煤岩瓦斯耦合提供参考。     

采动裂隙煤岩体应力与瓦斯流动的耦合机理

采用渗流力学理论分析方法,对煤层采动裂隙、采动应力与瓦斯流动的耦合作用进行了研究。对采动过程中煤层及其覆岩的裂隙,采动应力和瓦斯压力进行了现场实测,并对三者之间的相互影响作用进行对比分析。研究结果表明：采动影响下裂隙煤岩体的渗透率与裂隙宽度、裂隙贯通情况、裂隙不平整度、裂隙间距裂隙法向刚度和采动应力等有关,裂隙煤岩体瓦斯流动与其裂隙发育情况有着极其密切的关系,瓦斯渗透率与裂隙宽度呈正相关,与裂隙间距呈负相关。基于工作面煤层采动裂隙、采动应力与瓦斯流动耦合作用,依据裂隙煤岩体瓦斯渗流定律,构建了裂隙煤岩体采动应力-瓦斯渗透的力学模型,揭示了裂隙煤岩体的采动裂隙、采动应力与瓦斯流动的耦合机理。     

薄基岩煤层覆岩裂隙演化的分形特征研究

为研究特厚松散层薄基岩煤层上覆岩层在采动影响下裂隙的发育演化规律,结合赵固一矿11011工作面地质条件和开采技术条件,采用相似材料模拟试验模拟了覆岩裂隙演化的全过程,并利用分形几何理论研究了裂隙网络分形维数与工作面推进度、矿山压力、覆岩下沉、上三带之间的关系。研究结果表明:采动所形成的裂隙网络可以较好的表征岩体的结构特征;裂隙的形成、发育、扩展、分布具有较好的自相似性和分形特征,可以用分形维数描述裂隙网络的二维空间特征;裂隙网络分形维数随着开采宽度的增加而增加,但增加趋势逐渐减缓;分形维数与矿山压力、覆岩下沉之间呈非线性关系;分形维数可以较好的表征上三带裂隙发育特征.     

不同应力状态下岩石声发射波形分形研究

利用TAW-2000型岩石三轴伺服试验机分别对泥岩、细砂岩和粗砂岩3种不同岩性岩石进行单轴压缩试验和剪切试验,并用德国Vallen AMSY-6声发射信号采集系统对加载过程中产生的声发射信号进行采集。采用分形方法分析了2种加载方式以及加载过程中不同阶段的声发射波形差异性和演化规律。研究结果显示:单轴压缩试验过程中产生的声发射信号其分形盒维数普遍大于剪切试验,波形复杂程度更高;随着应力的逐渐增加,单轴压缩试验过程中产生声发射信号的分形盒维数有逐渐上升的趋势,而剪切试验信号的分形特性无此规律。     

颗粒煤岩破裂过程声发射与电荷感应试验

考虑颗粒间摩擦和黏结力作用,建立了基于颗粒物质力链失稳的煤岩体破裂判据。分析颗粒煤岩单轴压缩试验结果,得到了颗粒煤岩抗压强度、弹性模量随颗粒煤岩粒径增加而降低的变化规律,从细观尺度证明了煤岩单轴压缩张拉破坏的根源为剪切破坏。分级和循环2种加载试验研究结果表明：颗粒煤岩破裂过程中的声、电荷信号与力链中颗粒摩擦及粘结情况密切相关,声、电荷信号的产生机理存在本质上的差别。从破裂类型看,微裂隙的张拉破坏和颗粒摩擦错动均可导致声发射出现,而煤岩颗粒间的摩擦和微破裂面的相互错动是产生大量自由电荷、发生电荷感应现象的主要原因。可以利用声信号高-低-高的周期变化次数预测采动煤岩体经历的分级和循环加卸载次数;电荷信号首次突变-平稳-突变的出现时间是采动岩体应力阶段的划分标准。声、电荷信号幅值突变的剧烈程度是采动煤岩体失稳的重要前兆物理信息,可由此预测煤岩体稳定性,以便及时做出预警和相应的防护措施。     

机械振动作用下含瓦斯煤岩渗透率演化规律研究

为研究机械振动对含瓦斯煤岩渗透率演化规律的影响,从应力平衡角度出发,考虑煤岩体受机械振动应力衰减的特殊性,建立振动作用下含瓦斯煤岩渗透率变化方程,求出不同振动时间、孔隙压力和振动频率下含瓦斯煤岩的渗透率。试验发现:机械振动产生的应力波能够加快煤岩体内部裂隙的发育;煤岩渗透率随孔隙压力的变化规律符合Klinkenberg效应。应用渗透率变化方程计算得出的理论值能够较好地反映试验所获得的渗透率演化规律。     

基于分形理论的上覆煤岩裂隙发育规律研究

为研究近距离保护层开采上覆煤岩裂隙发育规律，以熊家湾煤矿C8和C9煤层为工程研究背景，基于分形理论和数值模拟技术分析近距离保护层开采上覆煤岩时裂隙发育和应力变化等特征。研究表明：C9保护层开采后，裂隙网络分形维数整体呈下降—上升—稳定趋势，表征上覆煤岩裂隙发育分为新生裂隙发育到顶板垮落压实、顶板垮落压实到压实裂隙发育和压实裂隙发育到整体稳定3个阶段；随着工作面推进，上覆煤岩的应力与裂隙网络分形维数变化整体相似，可用裂隙网络分形维数表征应力变化趋势；结合“三带”经验计算公式和数值模拟结果，得出裂隙发育高度为20 m左右，高于煤层间距，C8煤层裂隙发育。相关研究结果可为黔西地区相似地质条件上覆煤岩裂隙发育规律研究提供参考。     

采动裂隙煤岩破裂能量耗散特性及机理

乌鲁木齐矿区主采水平已进入深部开采,高应力强卸荷下动力破坏现象频发。为建立裂隙煤岩耗散能与声发射能量参数的定量关系,更好地了解煤岩体受载破裂特征,揭示高应力下裂隙煤岩破裂能量耗散及其灾变机制,本文采用实验手段分析单轴压缩荷载作用下裂隙煤岩体损伤直至破裂的阶段性特征及其能量释放规律,结果表明:裂隙煤岩物性特征一致性较好,其力学参数离散性大,裂隙煤岩的力学响应特征为非线性本构关系,峰后的应变值应只考虑屈服弱化区域的塑性应变;煤岩样破裂过程可划分为4个阶段:初始受载阶段、弹性阶段、微破裂阶段与峰后破裂阶段;给出了基于声发射能量参数的裂隙煤岩破裂耗散能的理论计算模型,确定了裂隙煤岩破裂应变能与弹性应变能及E_(AE-Ⅱ)/ΣE_(AE)间的关系,研究结果表明裂隙煤岩破裂所耗散的能量随着E_(AE-Ⅱ)/ΣE_(AE)的增加而减少。