基于FLAC3D模拟的矿山巷道掘进煤岩变形破裂力电耦合规律的研究

首先通过FLAC3D软件对矿山巷道掘进过程中煤岩内部应力场分布规律进行了数值模拟,并提取了各个单元的应力值;然后根据数值模拟应力值和煤岩受压变形破裂过程中产生的电磁辐射(EME)强度与煤岩内部应力之间的力电耦合关系式研究了巷道掘进过程中产生的电磁辐射信号变化规律。研究结果表明:模拟应力值的变化规律与理论分析和现场实际围岩应力显现规律是一致的,从而说明该方法能正确模拟现场煤岩受采动影响时内部应力场的变化规律;将较大范围煤岩体单元当作电磁辐射源时的计算结果只比将应力集中区看作电磁辐射源的计算值大3%～8%,说明在现场监测到的EME强度反映的是应力集中区煤岩变形破裂的程度;EME强度在迎头沿着走向符合先逐渐增大达到峰值后再逐渐降低的规律,呈现出与煤岩内部应力变化相同的规律;随着迭代时间的增加,EME强度在同一监测点的变化关系先是逐渐增加,增加到一定程度后趋于平缓,反映了煤岩体内部应力的变化规律;巷道开挖后内部应力变化的快慢表现在EME强度的变化上。现场钻孔内不同深度EME强度测定结果基本上也呈现出与模拟结果相同的变化趋势,同时证明了力电耦合方法的合理性。     

煤岩巷道掘进过程电磁辐射的时空分布规律研究

 首先通过FLAC3D软件对矿山巷道掘进过程中煤岩内部应力场分布规律进行数值模拟;然后在煤岩变形破裂过程中产生的电磁辐射(EME)强度与煤岩内部应力之间的力电耦合方程的基础上,研究巷道掘进过程中产生的电磁辐射信号的时空分布规律。研究结果表明：模拟应力值的变化规律与理论分析和现场实际测定围岩应力的显现规律是一致的,从而说明该方法能正确模拟现场煤岩在开挖过程中受采动影响时内部应力场的变化规律;电磁辐射(EME)信号强度在巷道监测空间的变化规律是：沿巷道高度方向为顶底板处小于中部,在水平方向的分布则是左、右端均小于中间;EME信号的时变规律则是,随着时间的增加,EME信号在同一监测点的变化先是逐渐增加,增加到一定程度后趋于平缓,反映了煤岩体内部应力的变化规律。现场实际测定结果亦表明,钻孔内不同深度所测定电磁辐射强度的规律变化基本上与模拟结果相同,从而说明用力电耦合方法来研究煤岩变形破裂电磁辐射的时空分布规律是可行的,可以有效地指导实践。     

基于FLAC2D模拟的矿山巷道掘进煤岩变形破裂力电耦合规律研究

通过FLAC^2D模拟了矿山巷道掘进过程中煤岩内部应力场的分布规律；根据提取的模拟计算应力值和煤岩受压变形破裂过程中产生的电磁辐射强度与煤岩内部应力之间的力电耦合关系式，对巷道掘进过程中产生的电磁辐射信号变化规律进行了研究。研究结果表明：电磁辐射模拟计算值在巷道中间高度的电磁辐射信号是最强的；在不同的加载应力下，监测点接收的电磁辐射模拟计算值也有较大的差别，加载应力越大，产生的电磁辐射信号越强；监测点接收的电磁辐射模拟计算值随着频率的增加而呈幂率关系下降；将应力集中区域看作电磁辐射源区是可行的。研究成果为煤岩灾害动力现象电磁辐射监测技术的研究提供了一种新的研究思路和方法。     

煤岩动力灾害电磁辐射预测技术中力电耦合方法的研究及应用

对煤岩动力灾害电磁辐射预测技术的研究现状和发展趋势进行了论述与分析,基于煤岩变形破裂电磁辐射信号与受载时应力变化之间的关系,从FLAC应力场数值模拟与电磁辐射传播的角度对煤岩变形破裂电磁辐射力电耦合研究方法进行了研究。研究结果表明:基于FLAC模拟的力电耦合方法能合理地确定应力集中区域以及正确模拟电磁辐射在煤岩层内的分布规律,该方法为现场应用电磁辐射方法和技术准确预测预报煤岩灾害动力现象提供可靠的理论基础,对于完善煤岩变形破裂电磁辐射监测和检测理论以及促进相关学科的发展具有理论和现实意义。最后还对未来煤岩动力灾害电磁辐射预测技术研究的发展前景进行展望。     

基于力电耦合煤岩特性对煤岩破裂电磁辐射影响的研究

为了有效地预测预报和治理煤岩动力灾害现象 ,在利用实验研究、理论分析和数值模拟方法研究煤岩变形破裂电磁辐射和应力耦合规律的基础上 ,研究了煤岩特性对煤岩变形破裂电磁辐射的影响。研究结果表明 :巷道掘进过程周围煤岩特性如体积弹性模量、内聚力和内摩擦角等对煤岩内部应力分布有较大的影响 ,应力峰值距离煤壁距离随着加载应力和采深的增加是逐渐增大的 ,应力峰值距煤壁距离随着煤岩体积模量、内聚力和内摩擦角的增加是逐渐减小的 ;随巷道两帮煤岩体积模量、内聚力和内摩擦角的降低 ,在监测点电磁辐射信号是逐渐减弱的 ,说明一方面是由于煤岩内部变形破裂程度降低即应力集中程度降低 ,另一方面是应力集中区距离监测点越远所致 ,力电耦合计算结果表明 ,通过监测电磁辐射信号的变化规律一方面可以来评价煤岩内部应力集中程度 ,一方面可评价煤岩动力灾害的危险性     

组合煤岩冲击破坏电磁辐射规律研究

大量理论研究和物理试验已经证实煤岩变形破裂过程中会产生宽频带的电磁辐射信号,因此研究坚硬顶板–煤体–底板所构成的组合煤岩变形破裂电磁辐射规律对于预测预报煤岩动力灾害具有重要的意义。采用MTS815伺服加载以及Disp–24声电测试系统对组合煤岩变形破裂所产生的电磁辐射及声发射信号进行了测定,试验结果表明,试样在发生冲击破坏前,电磁辐射强度呈小幅度上升的波动趋势,且冲击破坏前兆会产生突变;而声发射信号计数率在试样冲击破坏时将急剧增加并达到最大值,随后产生突降。电磁辐射与声发射信号峰值位置出现的时间并不同步,电磁辐射信号的最大值出现在试样变形破坏的峰后阶段,而声发射信号的最大值位置则出现在试样的峰值强度处。电磁辐射信号出现峰值时声发射相对较弱,且声发射信号出现峰值时其电磁辐射强度也相对较弱。依此规律,可以对冲击矿压的危险性进行正确地评价和预测预报。     

单轴压缩条件下煤样电荷感应试验研究

 利用自主研制的电荷感应仪,建立单轴压缩条件下煤岩变形破裂过程电荷感应信号测试系统。通过室内试验,研究同一矿区煤在不同加载速率下的变形破裂过程的电荷感应规律。试验结果表明,煤在变形破裂过程中有电荷感应信号产生,电荷感应信号是瞬时脉冲信号;煤样在临近峰值应力时电荷感应信号最强,在煤样破坏时电荷感应信号也较强;煤样变形破裂过程中不同表面的电荷感应信号强度不同,且不完全同步,较大破裂面的电荷感应信号更强;加载速度越大,所产生的电荷感应信号越强、越丰富;煤样在突然加卸载时,有电荷感应信号产生。煤变形破裂过程产生电荷的主要原因是微破裂导致裂隙尖端电荷分离和摩擦作用。电荷感应信号与煤的破裂有一定关系,可以用电荷感应信号反映煤的变形破裂状态。因此,电荷感应方法可作为检测煤变形破坏过程的新手段,也为评定冲击地压等煤岩动力灾害提供一种新的方法和手段,值得深入研究。     

加载条件对不同尺寸岩石单轴压缩破裂过程的 影响研究

 针对岩石单轴压缩试验中存在的加载条件敏感性的问题,采用自行开发的二维弹塑性细胞自动机模拟系统EPCA2D,对不同尺寸的非均质岩石试样进行单轴压缩破裂过程模拟,研究不同的加载条件对岩石宏观变形行为和破裂模式的影响。结果表明,均质性相同的岩石试样在单轴压缩破裂过程中所表现的尺寸效应和形状效应现象与岩石本身的非均质性关系不大,加载垫板与试样之间力学性质的差异是造成岩样单轴压缩破裂过程尺寸效应和形状效应的根本原因,模拟结果再现了典型的试验现象。通过研究加载垫板与试样端部之间不同的摩擦情况,结果表明,即使试样端部存在较小的摩擦,仍然会造成岩样单轴强度和变形特性的离散性。因此,通过减小试样端部的摩擦来提高岩石单轴压缩试验质量是不可靠的。     

煤样变形破坏峰值前后电磁辐射特征研究

对不同矿区7种类型的硬煤、软煤、混凝土等进行实内试验研究。试验结果表明，电磁辐射水平与煤岩所受的应力水平关系密切，不同煤岩破坏峰前阶段的电磁辐射随应力的增加而起伏增强，峰前阶段的电磁辐射在应力水平为80％-95％时最强；峰后阶段的电磁辐射在峰值强度后随着应力的降低呈上升趋势，峰后阶段的应力水平为60％左右时，电磁辐射达到最大值，之后随着应力的下降，电磁辐射逐渐下降。冲击倾向的电磁辐射指数是指煤岩变形破坏峰后电磁辐射指标与峰前电磁辐射指标的比值，可分为冲击倾向的电磁能量指数和电磁脉冲指数。电磁能量指数和电磁脉冲指数与现有的冲击倾向指标有很好的线性关系，即电磁辐射能量指数和脉冲指数越大，煤岩的冲击倾向就越强。冲击倾向的电磁辐射指数可用来评价煤岩的冲击倾向，并以此确定冲击倾向的电磁能量指数和电磁脉冲指数判断煤岩冲击倾向性的分级指标值。因此，冲击倾向的电磁辐射指数是电磁辐射预测煤岩冲击倾向性及冲击危险程度的重要指标。     

基于Micro-CT的受载煤岩裂隙孔隙时空演化规律

煤岩裂隙孔隙作为流体渗流的主要通道,其在采动应力作用下的扩展、连通演化规律,对煤岩的渗透性能具有重要影响。为深入揭示煤岩细观裂隙孔隙结构特征随轴向应力加载的演化规律,利用NanoVoxel–3502EX射线三维扫描成像系统与Deben加载试验装置进行煤岩单轴压缩Micro-CT原位扫描试验,获取不同应变条件下的实时CT数据,提取煤样的孔隙裂隙分布特征,定义空隙率并依据空隙率曲线的阶段性将煤样均匀分为3个部分(区域1,2和3),分析煤样细观结构随轴向应力的演化规律。研究表明：煤岩单轴压缩过程中呈现阶段性破裂,且裂隙、孔隙分布特征与内部应力传播有密切关联。单轴压缩下轴向应力的传递对冲使区域2首先出现裂隙、孔隙发育,而后靠近轴向应力加载压头的区域1裂隙、孔隙发育并连通,并在峰值(1 100 N)和破坏后(492 N)的孔裂隙体积表面积的最大值和体空隙率最大,而靠近轴向固定压头的区域3区段裂隙孔隙发育相对缓慢,其孔裂隙体积表面积的最大值和体空隙率最小。煤岩基质(骨架)在轴向力的作用下产生局部变形与破坏,形成孤立孔隙与微小裂隙,而裂隙、孔隙的空间展布加剧了煤岩内部应力分布的不均匀性,进而对煤岩破...     

受载岩石电磁辐射特性及其应用研究

对砂岩、泥岩和混凝土在压、拉状态下的电磁辐射特性，规律进行了实验研究和分析。研究结果表明，砂岩、泥岩和混凝土在压、拉状态下能够产生电磁辐射；电磁辐射与载荷呈现正相关性，岩石电磁辐射具有记忆效应，在受载过程中最大电磁辐射强度与岩石强度间呈现正相关性，电磁辐射在测定原岩应力，测定围岩相对应力分布、评定煤岩体应力状态及其稳定性方面具有非常广泛的应用前景。     

低孔低渗砂岩加载条件下的声波传播特性 实验研究

 以低孔低渗砂岩在不同围压条件下的岩石力学测试实验及力学实验过程中岩石纵、横波时差和波形等的采集实验为基础,研究低孔低渗砂岩在三轴和单轴加载过程中声波波速、幅度、频谱特性的变化特征。研究发现：(1) 低孔低渗砂岩的声波纵、横波速及频谱特性随岩石变形和破坏的阶段变化而变化。在岩石中裂隙、孔洞压密阶段,纵、横波波速都快速上升;纵、横波速达到峰值时的轴向应力与岩石抗压强度的比值随孔隙度与渗透率乘积的增大而减小。(2) 声波纵、横波波形的变化与岩石的变形紧密相关。随着轴向载荷增大,岩石内部裂纹的产生和扩展,当岩石轴向应力为极限强度的60%左右时,横波波形末端出现明显的散射波信号。(3) 随着轴向载荷增大,岩石被压实,频谱曲线上的振幅呈增大趋势;随着岩石轴向载荷进一步增加,裂纹产生,频谱曲线上低频端较高频端活跃。(4) 岩石达到峰值强度前阶段,纵波首波振幅和频谱主振幅都表现出上升趋势,且弹性压缩阶段,首波振幅和频谱主振幅上升速率较快,裂纹不稳定扩展阶段,主振幅表现出比首波振幅低的上升趋势。低孔低渗砂岩加载过程中表现出来的声波传播特性的变化特征,对其内部裂缝动态变化的预测和稳定性评价都具有重要的指导意义。     

冲击地压预测的电荷感应技术及其应用

利用建立的煤岩电荷感应试验系统,研究煤岩变形破裂过程的电荷感应规律;利用研制的电荷感应仪对矿井进行现场测试。试验研究表明,煤岩在变形破裂过程中有电荷感应信号产生,煤岩体中应力越高,变形破裂过程越强烈,产生的电荷感应信号越强;在临近峰值应力前电荷感应信号最强,在煤岩体破坏后也有较强的电荷感应信号产生;抗压强度越高的煤样,电荷感应信号也越强,信号越丰富,持续时间越长。煤岩体变形破裂过程中产生电荷的主要原因是微破裂导致裂隙尖端电荷分离和摩擦作用。现场实践表明,测得的电荷感应值与煤体所处的应力水平是有一定关系的。在工作面平稳时期,测得的电荷感应幅值较小,而在发生冲击现象时测得的电荷感应幅值较大。利用电荷感应方法能够预测冲击危险的发生,但尚处于试验阶段,电荷感应预测技术还需要在现场不断验证和完善,以期最终为矿井冲击地压等煤岩动力灾害的非接触预测预报提供可靠的技术支持。     

煤岩体拉伸失稳破坏电荷感应规律研究

 为研究不同类型煤岩试样拉伸破坏过程自由电荷运移规律,以巴西圆盘劈裂试验为基础建立煤岩拉伸失稳破坏全程电荷监测系统。试验中分别对砂岩、泥岩及煤体拉伸失稳动态破坏过程进行实时电荷监测,得到煤岩体拉伸破坏过程中的力学特征和自由电荷运移规律。研究结果表明：煤岩体拉伸过程中有自由电荷产生,电荷信号异常区域对应于煤岩劈裂试验中应力突变阶段,煤体拉伸破坏所产生的自由电荷相对于砂岩、泥岩更为丰富,煤体断裂后的残余强度依旧使得电荷信号有较大波动,而砂岩、泥岩试样断裂后的残余强度却使得电荷信号波动较小。煤岩体拉伸与压缩破坏电荷感应规律不同,拉伸失稳破坏过程中拉应力造成裂纹扩展进而导致损伤局部化是电荷信号异常的重要原因之一。     

不等侧压下煤岩力学变形特性及声发射时空特征

通过煤岩的无侧限压缩试验测得其力学参数后,采用颗粒流软件和编制的Fish程序获得煤岩细观力学参数,而后进行双向不等侧压煤岩试验,分析研究煤岩变形、声发射和损伤特征,获得以下结论:随着侧压比增加,煤岩刚度角略增大,脆度角增大,强化角保持一定值,软化角先增大后减小;侧压比对煤岩的线性体缩阶段没有影响,对线性扩容阶段影响明显,对非线性扩容阶段影响显著。在非线性扩容阶段,低侧压比仍保持线性扩容,而高侧压比煤岩则急剧扩容失稳破坏;声发射最大强度与峰值应力并不对应,具有一定的滞后性,侧压比对声发射的滞后效应基本没有影响,声发射最大强度对应应力与峰值应力之比值大致在0.92左右;侧压比小时煤岩沿着单一剪切面发生剪切破坏,侧压比大时煤岩呈现X型共轭剪切破坏,且随着侧压比的增加,煤岩破坏的主控破裂面宽度加大,并逐渐形成破碎带,破碎带内煤岩呈粉碎性破坏状态。     

剪切过程中岩石裂隙的渗流与 应力–应变耦合分析

 首先，考虑不同法向应力，建立岩石裂隙剪切应力和剪切变形的关系，其中对裂隙的弹性矩阵进行修正，并用三段函数关系分别描述岩石裂隙剪应力与剪切变形的3个阶段：剪缩阶段，剪胀至峰值阶段以及残余抗剪强度阶段。然后，结合三阶段裂隙剪切变形与其开度的关系，应用复合单元法，建立剪切过程中岩石裂隙渗流与应力–应变的耦合机制，研究裂隙的剪切变形、开度、导水系数、渗流场和应力场的变化与相互关系。算例分析表明：当裂隙中“充填介质”的力学参数保持不变时，通过裂隙的流速也基本保持不变，不随剪切变形以及法向应力的变化而改变，但由于裂隙开度的变化，故通过裂隙的单宽流量也随之改变；法向应力越小，裂隙的剪胀效应越大，且岩石裂隙的剪切变形对通过裂隙的单宽流量的影响也越大。