不同加载速率下煤岩采动力学响应及破坏机制

研究煤岩在不同加载模式与不同加载速率下采动力学响应及破坏机制对认清煤矿动力灾害本质具有指导意义。基于塔山煤样,先后设计与开展了单轴拉伸与压缩、常规三轴及采动力学试验。获得了不同加载模式下煤样的力学特征参量和变形破坏特性。进一步对比分析了常规三轴试验与采动力学试验煤样变形特征的差异。得到煤样破坏前吸收能量密度随着轴向加载速率的关系,揭示了应力偏量是造成试样破坏强度和吸收能量密度提高的原因,是破坏产生的本质原因,但其受控于围压的临界值,及煤样损伤发生具有的时间效应。建立了采动力学条件下考虑加卸载过程中材料损伤的煤岩黏弹性模型屈服准则,包含有效体积应力的影响、应力差的影响、轴向加载速率的影响及围压卸载速率的影响,新的黏弹性模型屈服准则可以很好地解释加卸载速率引起的材料屈服强度变化。     

热力耦合路径下花岗岩细观破裂特征及数值分析

岩体热力耦合下破坏机制及响应特征是防治与治理灾害发生的理论基础,也是高放射性核废料深地层处置关注的重要问题。细观尺度下,基于北山花岗岩单轴拉伸实验,考虑3种不同耦合路径,对比分析试样破坏区域SEM图像,揭示细观破坏特征。并利用数值仿真,建立细观模型,分析了热开裂特征及能量变化规律。进而指出裂纹拓展数量与角度关系,同时分析了微裂纹空隙率与应力、角度关系。主要结果表明:不同耦合路径下裂纹扩展细观特征迥异,演化顺序迥异,耦合路径与非均质性对裂纹细观特征变化均有影响。     

深部煤体注水过程中渗流通道演化特征

在煤炭开采中,煤层注水可有效防突降尘和防治冲击地压。为了研究深部煤样注水过程中孔隙结构和渗流通道的演化过程,以平煤十二矿己15-31030工作面的深部煤体为研究对象,通过低场核磁共振成像设备在线测试了3个原煤试样在不同注水压力下的T₂谱和含水量分布情况。通过对不同注水压力下的T₂谱进行分析,获得了煤样注水过程中的孔径分布和孔隙结构的演化过程。通过核磁共振成像技术,初步实现了煤样注水过程中孔隙结构和渗流通道演化的可视化,可更直观地观测煤样注水过程中的动态演化过程,更深入地理解不同煤样T₂谱演化过程异同的内在原因。进一步提出了一种根据T₂谱进行不同孔径的孔的渗透率贡献度计算方法,定量分析了煤样注水过程中不同孔径的孔对水渗过程的贡献度。并对T₂谱进行了孔裂隙的分形维数计算,定量分析煤样孔裂隙的渗流空间含量和异质性。研究发现:平煤十二矿深部煤样注水过程中T₂谱表现出三峰特点,中孔、大孔和微裂隙的含量与连通性都大于微孔和小孔,注水过程中渗流通道主要由连通性较好的中孔、大孔和微裂隙构建。煤样注水过程中大孔和微裂隙贡献了99%以上的渗透率;微孔、小孔和连通性较差的孔主要参与储水而不参与运水。注水过程中当煤样孔隙连通性较差,不存在明显的优势渗流通道时,提高注水压力可以使更多的孔隙参与到渗流的过程中;但当煤样中部分孔隙连通性较好形成优势渗流通道时,提高注水压力也很难使更多的孔隙参与到渗流的过程中。在设计煤层注水参数时应特别关注这一现象。     

多孔介质渗透迂曲度理论推导与实验验证

多孔介质孔隙连通的定量表征与拓扑连通重构是揭示流体渗透规律的几何方法,而理论工作的滞后严重制约了新的几何建模方法产生。迂曲度是连接渗透率与几何结构的关键载体之一,其理论模型一直没有突破。结合Hagen-Poiseuille与Darcy公式,推导了毛细管迂曲度的普适表达式及颗粒构成孔道的迂曲度公式。针对低渗介质,结合毛细管压力公式,获得了含饱和度的迂曲度公式。引入迂曲度分维,获得基于实验解析的分形影响系数表达式。对于分叉毛细管孔道,建立分叉模型,分析了迂曲度特征,得到了基于能量优化准则的母孔、子孔几何关系。以低渗盐岩渗透为例,验证了迂曲度理论公式的适用性与可靠性,研究结果为多孔介质求解迂曲度提供了一种新的思路。     

深部开采中的强扰动特性探讨

深部岩体具有高地应力、高地温、高渗压的独特赋存环境,其采动影响远较浅部复杂。通过将深部岩体的赋存环境和深部开采的扰动特征两方面相结合,系统分析了深部岩体开采中的强扰动特性。首先对扰动激励的动静组合特点进行了分析。根据深部开采中的应力变化路径,给出了不同深度类型下原岩应力状态以及扰动应力状态的分布区域,揭示了深部开采中应力变化更加复杂的必然性,并初步给出了考虑赋存深度、开采工艺、岩体重度、残余应力以及采动速度影响的岩体卸荷速率计算公式。根据深部开采中的动力扰动类型和波动传播规律,分析指出了深部岩体中的流体压力传播特征,揭示了深部动力扰动时间延长和扰动范围扩大的特点。然后基于扰动状态概念(DSC)对扰动影响水平进行了分析。通过对深部岩体能量蓄积、能量耗散以及释放规律的分析,定义了基于能量特征的扰动函数,可以籍此构建基于DSC的深部岩体统一本构模型,并定量描述深部岩体扰动的大小。最后定性描述了深部岩体开采中开挖扰动区的分布特点以及相应的应力应变状态,将其划分为原岩弹性区、开挖损伤区(EDZ)以及开挖破碎区,其中开挖损伤区又可分为峰前损伤区、塑性流变区、外部损伤区。并初步给出了开挖损伤区大小的计算公式,讨论了各项参数的意义及影响因素。研究表明,深部岩体的高应力状态以及复杂的多场多相耦合环境使其在更大范围内受到扰动的影响,EDZ的范围将显著增大,并表现出复杂的时空演化特征。利用扰动状态概念(DSC)建立的扰动函数,以及基于能量分析建立的开挖损伤区(EDZ)大小计算公式,可以定量刻画深部扰动的程度,分别反映了深部扰动激励增大和扰动影响增大的特点。     

不同开采条件下采动力学行为研究

通过分析3种典型开采条件下(放顶煤开采、无煤柱开采与保护层开采)工作面支承压力分布规律,揭示了采动影响下工作面前方煤体支承压力峰值大小及位置的采动力学特征,获得工作面前方煤体所承受的采动力学应力环境条件,据此进一步开展了不同开采条件下煤体采动力学行为的实验研究。通过升高轴向应力的同时降低围压的方式来模拟长壁工作面前方垂直应力和水平应力,获得了3种典型开采条件下煤体破坏全过程的采动力学行为和应力集中系数,以及不同开采条件下煤体破坏时的支承压力、水平应力、变形等的差异,同时揭示了工作面前方煤体的采动力学行为与开采条件的关系。     

长壁工作面覆岩采动裂隙网络演化特征

以淮南张集矿1122(1)工作面为原型,制作了相似材料模型。结合分形几何理论研究了覆岩采动裂隙的分布及发育特征,并分析了覆岩采动裂隙长度与数量的分维与工作面推进长度之间的关系。研究发现：采动裂隙总数随着工作面推进长度增大而增大,且在主关键层弯曲前,裂隙总数逐渐增多;主关键层弯曲后,导致采空区中部部分裂隙闭合,而新生裂隙则不断增加。     

我国煤与瓦斯共采:理论、技术与工程

针对我国煤层低渗透、强吸附的特点,系统分析总结了我国煤与瓦斯共采基础理论与关键技术的研究现状与最新进展。在基础理论研究方面,着重阐释了采动力学及瓦斯增透理论的定量评价理论体系;在关键技术研究方面,重点介绍了卸压开采抽采瓦斯技术体系、全方位立体式抽采瓦斯技术体系、深部薄厚煤层瓦斯抽采技术体系的技术组成与最新科研进展。进一步指出了建立煤与瓦斯共采理论体系所面临的难题与挑战,展望了煤与瓦斯共采未来的发展方向。     

浅埋深薄基岩煤层组开采采动裂隙演化及台阶式切落形成机制

探索浅埋深薄基岩煤层组开采采动裂隙演化对认识溃水溃砂通道形成机制具有指导意义。基于大柳塔矿地质条件,设计相似模拟试验,首采1-2上煤层,充分开采后再采1-2煤层。由此,揭示采动裂隙演化规律,指出上煤层采动碎胀作用明显,下煤层采动地表下沉线性增长明显。利用分形与逾渗理论定量评价了采动裂隙的演化特征。上煤层开采,根据周期来压特征,分维变化划分2个线性阶段。下煤层开采,非线性受控于上覆煤层引起的分维变化,分形维数将趋于一个稳定值。进一步揭示了采动裂隙逾渗概率随推进度的线性关系的,得到整个煤层组开采覆岩裂隙非线性演化的2个临界状态。研究了切落式破坏形成机制,提出了岩层板簧效应并分析了崩塌式切落特征,指出拉破坏是典型切落式台阶形成的主要原因。     

基于Steiner最小树相似模拟裂纹扩展与能量传播的机理

采矿工程中上覆岩层裂纹扩展及其分布规律一直是研究的难点,直接影响井下工作高效开展及安全,对于高瓦斯矿井还涉及到瓦斯抽采效率提高问题。基于Steiner最小树模型建立裂纹拓展与能量传播的关系,指出裂纹的贯通拓展是沿着耗能最小而最快释放能量的路径。并建立相似模型试验中的真实裂隙与数学裂隙模型,将问题定义为约束型的Steiner树问题。覆岩破坏形式遵循基于四点以离层裂隙为主导的模型。进一步开展室内三轴加载试验,表明理论和真实破裂角与赋存深度的关系并不明显。从力学机理上分析,局部岩石的破坏面可以由摩尔库仑准则解释,而从能量角度分析,众多不同岩性破裂面组合而成的路径也是最优路径。最后揭示了岩层移动角公式参数的内在涵义,指出修正公式是煤炭地下开采上覆不同部分岩层裂隙拓展的有机统一,是Steiner最小树原理的直接体现。