煤岩层状边坡蠕变破裂数值模拟

煤岩层状边坡在外力及内部结构共同作用下易造成大规模滑坡。应用最大拉应力理论，建立煤岩蠕变破裂判断准则；并对蠕变裂纹的萌生、扩展和汇聚进行有限元描述。基于FEPG软件编制离层蠕变破裂程序模块，在第一主应力矢量方向的垂直方向上生成裂纹，接下来的裂纹扩展再继续寻找第一主应力的最大值，达到抗拉强度后蠕变开裂，不断循环。以海州露天矿国家矿山公园边坡为研究对象，模拟煤岩离层蠕变破裂；结合现场设立的监测点，实测和模拟结果进行对比相吻合，为煤岩层状边坡支护和防治灾害发生提供了依据。     

红砂岩剪切蠕变特性试验研究与边坡失稳机理分析

以标准红砂岩试样为研究对象,运用自行研制开发的软弱煤岩材料剪切蠕变实验装置结合自行开发的煤岩细观力学特性测控软件,对处于不同载荷水平作用下的红砂岩试样剪切蠕变力学特性进行了系统的研究,并基于试验结果尝试解释了一些边坡失稳发生时的现象。结果表明:载荷大小对红砂岩剪切蠕变力学特性具有明显的影响,直接决定着加速剪切蠕变阶段的有无、试样的破坏与否和试验时间对其剪切蠕变力学特性的影响程度;存在2个特殊的临界剪切蠕变载荷值τ1、τ2,它们将红砂岩剪切蠕变类型分为3种,即肯定不破坏、不一定破坏和肯定破坏;红砂岩试样破裂带的形成过程表现为渐进式,破坏过程表现为渐进式与突发式结合,破裂面附近区域为裂纹结构丰富区且该面为非平直剪切面;不同载荷水平作用下岩石剪切蠕变力学特性可以用来解释边坡失稳发育过程中的现象,认为边坡内潜在滑移带内岩石发生的剪切蠕变破坏是边坡发生失稳的力学机理。     

开挖对岩质边坡稳定性影响的数值模拟

以西部某露天矿开挖形成的岩质边坡为工程背景,运用数值模拟软件FLAC3D对开挖过程中岩质边坡体开挖方向上的应力演化和变形规律进行了数值模拟研究。研究结果表明：由于露天开挖形成的岩质边坡工程体在开挖过程中其内的压应力将发生明显的减小,自上而下呈“W”型分布,且在边坡体的中部将形成明显的拉应力区,这将是岩质边坡体发生失稳的原因之一;开挖过程也将导致岩质边坡内各岩层产生明显的膨胀变形,且埋深越大时产生的膨胀变形越大;由于复杂应力演化条件作用,岩质边坡坡脚处产生的沿开挖方向的变形最大。     

含瓦斯煤岩蠕变渗流耦合试验研究

应用自行设计的CSCG-160型重力液压恒载蠕变渗流试验系统,进行了煤样蠕变渗流特性试验,研究煤体蠕变过程中变形和渗流特性,并将试验结果与数值模拟结果进行了对比分析。研究结果表明:煤岩蠕变特性明显,蠕变载荷较小时,煤岩呈现衰减蠕变,较高的蠕变载荷水平下煤岩具有典型的蠕变3阶段;煤岩试样的环向应变随轴向应变的增大而增大,体积应变随轴向应变的增加呈现先增大后减小的趋势;煤岩渗透率随时间变化的曲线与煤岩蠕变试验曲线的变化趋势一致,煤岩的渗透率随蠕变载荷水平的增加而增大;煤岩蠕变过程的渗透率随轴向应变的增大而增大,渗透率增加的速率也随着轴向应变的增大而增大。     

露天矿软岩复合边坡变形机理分析

为研究露天矿软岩复合边坡的变形机理,以新疆某露天矿设有排土场的东帮复合边坡为研究对象,根据排弃高度、端帮与排土场距离两因素制定4种模拟方案,采用FLAC3D进行数值模拟,通过对4种方案的水平位移及监测点位移随时步变化的模拟结果进行分析,得出随着排土场排弃越高,排土场距东帮距离越远,边坡最大水平位移位置向边坡内侧移动;监测点位移随时间起初小幅波动,中期下降较快,后期平稳的变化趋势;变形过程中由于下部岩体对上部排土场的约束作用减小和排土场对下部岩体的挤压作用产生边坡变形连锁效应,加快边坡变形。对边坡变形机理从复合、软岩、开挖3个方面进行详细的分析,得出不同工况下边坡潜在滑移模式:拉裂-蠕滑、拉裂-切层-蠕滑、拉裂-切层-蠕滑-剪出。在失稳型边坡蠕滑机理基础上提出稳定型边坡蠕滑机理,主要包括初始变形阶段、减速蠕变阶段、等速蠕变阶段、减速蠕变阶段Ⅰ、减速蠕变阶段Ⅱ等5个阶段,并通过数值模拟对该机理进行了验证,稳定型边坡蠕滑机理对边坡滑移的预防具有一定指导意义。     

含卸压孔煤岩蠕变特性研究

为了研究含卸压孔煤岩蠕变特性，开展了单轴压缩条件下完整煤岩与含卸压孔煤岩在不同应力水平条件下的蠕变试验。试验结果表明：同级应力水平下，煤岩蠕变经历了瞬时弹性变形、减速蠕变、等速蠕变和加速蠕变的演化阶段；含卸压孔煤岩的瞬时应变和蠕变量比完整试样更大；且基于FLAC3D的数值模拟结果与实际试验结果十分相似，说明所采用的Burgers模型能够较好地反映煤岩蠕变物理力学性能。研究结果对含卸压孔煤岩体长期强度分析及冲击地压解危具有较好的理论指导意义。     

义马煤业北露天矿弱层流变强度特征

弱层的流变强度是边坡稳定性研究工作的重要指标之一,通过试验得出不同应力作用下岩体软弱夹层随时间的变形特性,了解软弱夹层蠕变阶段发展的特点,求取软弱夹层的长期强度指标以及流动特性指标等,通过相应的物理、力学性质等试验结果的对比,弱层的流变强度低于快剪强度。在以弱层为主要不稳定因素的边坡中,进行边坡稳定分析和施工方案时采用流变强度具有重要意义。     

煤岩的改进广义弹粘塑性模型分析

根据煤岩加速蠕变阶段的力学特性，用非线性牛顿体代替线性牛顿体，对煤岩的广义弹粘塑性模型进行改进，并导出改进模型的本构方程和简单应力状态下的蠕变方程。利用蠕变方程对试验结果进行曲线拟合计算，获取相应的煤岩流变力学参数。将理论分析与试验结果对比，从而验证了该模型的优越性。     

岩石试件非线性黏弹塑性蠕变模型分析

建立了非线性黏弹塑性蠕变模型,并建立了模型的本构方程。通过引入岩石的流变指数建立的非线性黏弹塑性蠕变模型,较好地反映了岩石试件的3阶段蠕变过程,充分描述岩石加速蠕变特性;同时,得出岩石试件在恒应力状态下的蠕变变形、蠕变速率和蠕变加速度的解析表达式。通过分析得到:岩石试件在恒应力下,岩石试件在经过一定时间后进入加速蠕变阶段,这一时间的长短与岩石试件的力学性质有关,特别与岩石的流变指数有很大的关系;岩石的流变指数是岩石的一个重要指标,它对岩石蠕变增长快慢程度有着重要的影响,岩石的流变指数越大,岩石越容易进入流变加速阶段,越容易失稳。     

基于有限元软件的煤层气水平井井壁稳定数值模拟

以山西宁武盆地的石炭系上统太原组9~#煤层为地质背景,该煤层煤岩力学性质为依托,运用COMSOL Multiphysics软件模拟分析了在欠平衡钻井中3种钻井液液柱压力下井周围岩的应力和变形情况。研究发现:研究区块水平井在垂向应力方向井周围岩所承受的应力最大,变形最为严重;井周围岩处存在应力突变点,该点处容易产生拉剪裂纹,导致井周围岩破裂或失稳;井周围岩应力分布及变形情况与钻井液液柱压力有关,液柱压力与储层压力差值越小,井周相对越稳定。     

基于应力监测系统的工作面终采线确定方法研究

为了确保矿山下山巷道的安全，防治下山诱发巷道蠕变型冲击地压，在坚持资源节约有效利用的原则下，研究了蠕变型巷道冲击的机理，探索了应力在线系统分析超前支承压力影响范围并结合微地震监测岩层破裂范围确定合理终采线的方法。采用该方法并结合山东滕东煤矿3下109工作面的应力监测数据及微地震监测数据，确定了3下109工作面合理的终采线位置。     

基于塑性应变梯度理论的材料失稳型冲击地压触发判据

为研究材料失稳型冲击地压失稳的发生判据，开展了摄像实时观测情况下，煤体受端部位移约束的冲击倾向性煤体压缩破坏实验。首先，探索了实验室尺度下冲击煤体的破裂特征，然后采用有限元数值分析的方法对比分析了工程尺度下煤体发生冲击地压前的破裂趋势。最终基于实验和数值分析结果，建立了塑性应变梯度理论下的材料失稳型冲击地压的触发判据。冲击煤体压缩破坏实验结果表明:端部约束煤体发生破坏时，煤体呈现冲击破坏的特点，并分阶段发展，每个阶段都伴随着不同程度的声音信号与相关的特征信息。当应力达到强度的60%时，有少量煤体喷射;达到78%以上时，较多的煤体发生冲击，具有明显的喷射特点;接近峰值强度时，有大量煤体臌出，但无喷射特点。煤体破裂形式整体上表现为拉剪混合破裂，形成的破裂面呈内凹三角形状，与冲击地压现场煤体破裂面类似，表明实验结果具有一定的参考意义。不同高径比的煤体破坏的峰值强度略有不同，小高径比煤样的抗压强度稍大、破裂面内凹深度减小。采用有限元数值分析方法显示，巷道侧壁围岩容易在巷道变形过程中形成内凹三角形状的塑性变形集中带，从而在冲击地压发生中形成三角状的破裂面。基于内凹破裂面形态和塑性应变梯度理论，采用应变软化本构，从静力平衡和能量平衡角度，建立了煤体发生破坏前材料冲击失稳的判定准则。     

深部煤体非线性蠕变本构模型及实验研究

深部煤体蠕变规律研究对控制巷道围岩变形,预防煤与瓦斯突出及改善瓦斯抽采效果具有重要意义。基于分数阶导数流变模型,推导出煤体三维应力条件下非线性蠕变本构方程。考虑深部煤体赋存的高应力环境及应力变化路径,进行了三向应力状态下轴压恒定、分级卸围压的煤体蠕变实验。实验结果表明:在三向高应力状态下,试件的轴向和环向应变表现为初始蠕变和稳态蠕变,最终出现加速蠕变阶段;在相同差应力条件下,煤体蠕变变形随围压增大而减小。利用煤体卸围压蠕变实验数据对文中蠕变本构方程的参数进行拟合,结果表明:该蠕变本构方程能很好地描述煤体蠕变三阶段,特别是加速阶段。在蠕变本构方程参数确定的前提下,分析了应力水平、分数阶导数阶数及黏性系数对煤体蠕变特性的影响规律。     

深部条带煤柱蠕变支撑效应研究

为研究深部条带煤柱蠕变支撑效应,对岱庄煤矿3上煤进行了蠕变试验.以试验结果为基础,采用LS-DYNA数值方法分析了深部煤柱的蠕变支撑效应.结果表明,该煤岩环向起始蠕变应力3.061 MPa,远远低于轴向起始蠕变应力7.020 MPa;蠕变强度为9.327 MPa,蠕变系数为0.647;结合蠕变试验结果,采用LS-DYNA可以较好的模拟深部条带煤柱的蠕变支撑效应；模拟的条带煤柱呈现出明显的流变性,在工作面开采后煤柱状态仍然会发生较大变化；在上覆岩层的作用下,该煤柱变形在15～16个月后不再变化,煤柱能够保持长期稳定状态.     

考虑岩土蠕变特性的边坡长期稳定性研究

基于FLAC3D的Cvisc模型,采用考虑岩土蠕变特性的强度折减法对十堰某建筑场地边坡进行稳定性计算,得到了监测点在不同折减系数下的蠕变曲线。对蠕变曲线的位移变化规律进行分析,确定了边坡工程的长期稳定性系数。与传统强度折减法进行比较,结果表明：考虑岩土体蠕变特性时的边坡稳定性系数为1.18,不考虑岩土体蠕变特性的边坡稳定性系数为1.30,说明岩土体蠕变特性不利于边坡的长期稳定,建议采用稳定性系数1.18作为边坡支护的设计参数。     

基于扰动因子的软岩扰动蠕变本构模型

动力扰动下处于极限强度的深井软岩巷道围岩具有流变变形量大,变形速率快的变形特征,致使软岩巷道支护困难和灾害频发。为了研究软岩在动力扰动下蠕变破坏特征及本构模型,通过自主研制的岩石扰动蠕变实验系统对泥页岩进行了分级加载流变实验,试验结果表明:非稳定蠕变曲线在扰动前后流变变形明显不同,当施加应力水平较小时(处于第Ⅰ,Ⅱ蠕变阶段),每次扰动的瞬间会使岩石应变突变,但突变值随后逐渐回弹,最终岩石变形速率趋于一个稳定值;当应力水平较大时(处于第Ⅰ,Ⅱ蠕变阶段),岩石经过多次扰动后,当积累能量达到岩石破坏能量时,诱使岩石发生加速流变,而原处于蠕变第Ⅲ阶段的岩石的蠕变速率加快,缩短了岩石破坏的时间。基于岩石扰动状态理论,提出一个以扰动能量和扰动次数为自变量的扰动因子函数,以它为权重函数与NRC模型有机结合,建立了软岩流变扰动效应的本构模型并对模型参数进行识别,结果表明理论曲线与实验曲线吻合较好,验证了该模型能够正确性地描述动力扰动下软岩蠕变特征,该成果对于深部地下工程的稳定性研究具有参考价值。     

受载煤岩体电磁辐射动态多重分形特征

采用多重分形理论、物理试验相结合的方法研究了试件单轴压缩破坏过程中电磁辐射信号的多重分形谱宽度ΔDq的变化规律。研究结果表明：试件单轴压缩破坏过程中产生的电磁辐射信号具有多重分形特征;多重分形谱宽度ΔDq与试件所受的应力水平有密切关系。加载初期,分形谱宽度ΔDq随着应力的增加而起伏增强;临近主破裂时,多重分形谱宽度ΔDq达到最大值0.27,进入残余变形阶段后,ΔDq下降至0.20~0.22。因此多重分形谱宽度ΔDq的动态变化与试件受载变形破裂过程具有良好的对应关系,临近主破裂时ΔDq急剧增大且达到最大临界值可以作为试件冲击破坏的判定依据,对试件冲击破坏进行提前预警。     

砂岩蠕变过程中的渗流特性试验研究

岩体是由岩块,结构面和结构面内充填物构成的结构体,在岩体结构的控制下,岩体的变形破坏是复杂的。通过采用RLW-2000型微机控制煤岩三轴流变试验机对水压-应力耦合作用下的脆性砂岩试件蠕变特性研究,认为在实际渗流岩体中,岩体渗透系数与岩体周围应力状态关系密切相关,渗透系数伴随围压增加呈现减小趋势,孔隙水压的上升,在一定范围内使得渗透系数发生变化。且最终孔隙水存在的力学以及侵蚀作用,在试件蠕变变形的过程中加快了试件的破坏速度。