不同水损伤程度下泥岩断裂力学特性试验研究

为研究不同程度水损伤作用对泥岩断裂力学特性的影响,对水中浸泡不同时间条件下的泥岩半圆盘试件进行三点弯曲试验,同时利用PCI–2型声发射系统对泥岩试件的断裂全过程进行实时监测。结果表明:天然泥岩的断裂力学行为受水–岩作用影响显著,随着浸泡时间的增加,其峰值载荷不断下降,浸泡200 min后,该泥岩纯I型至纯II型断裂韧度分别降低至未损伤条件下的53%,56.5%,61%,64%,64.7%和67.6%,且泥岩的断裂破坏形式由脆性逐渐转变为延性。通过声发射定位确定了不同损伤程度下泥岩半圆盘试件中断裂过程区长度,随着损伤程度加深,断裂过程区长度逐渐减小,声发射事件累计总数不断增加;同时,将试验得到的等效断裂韧度与纯I型断裂韧度的比值与引入T应力后改进的最大周向应力理论比值进行比较,表明在未浸泡及短时间浸泡条件下试验结果符合该理论结果;但随着损伤程度的加深该试验结果拟合曲线逐渐偏离理论曲线,浸泡时间达到200 min时,该偏离情况较为明显。     

基于黏聚型裂纹本构关系的煤岩水力压裂韧性破坏模型

线弹性断裂力学作为一种十分成功的断裂理论框架,已被广泛地应用于表征固体材料中裂纹扩展行为。对于线弹性岩石断裂力学来说,岩石一般被简化为脆性材料,相对于裂纹尺寸及试件尺寸,其裂纹尖端前断裂过程区(Fracture process zone,FPZ)范围很小可以被忽略。而另一方面,煤的破坏形式通常表现为韧性破坏,即其应力峰值后存在明显的应变软化区。对于这种韧性材料,其断裂过程区尺寸范围相对较大且会对材料的断裂行为产生很大的影响,因此线弹性断裂理论不再适用于描述煤体中裂纹扩展。而黏聚型模型(Cohesive zone model,CZM)被证明是一种有效的理论工具,能够描述韧性材料断裂过程区中的断裂行为。在该黏聚型本构模型理论中,裂纹尖端前的断裂过程区被简化为一条闭合的裂纹或闭合的裂纹面(分别对应二维及三维情况),其中断裂过程区内非线性断裂行为通过黏聚力与相对位移之间的本构关系进行表征。通过对煤进行圆盘形紧凑拉伸试验建立了不同煤阶煤(其中包括弱黏煤、气煤、肥煤、贫瘦煤及无烟煤)的黏聚型裂纹本构关系,试验结果表明,随着煤试件煤阶的升高,其初始刚度及峰值载荷逐渐升高,最大张开位移逐渐降低,试验峰后软化阶段载荷-CTOD曲线趋于线性变化且破坏形式逐渐趋于脆性破坏。采用Karihaloo多项式黏聚型本构方程对5种煤阶煤软化曲线进行拟合,得到煤体中黏聚型裂纹模型本构关系的一般形式。针对煤层松软的力学特性和韧性破坏特征,建立了基于黏聚型裂纹本构关系的煤岩水力压裂多场耦合方程组,包括多孔介质变形方程、孔隙渗流方程、裂隙渗流方程及Karihaloo多项式本构关系方程。并采用包含裂隙流水压自由度的黏聚型界面单元法进行数值模拟。结合大型真三轴水力压裂实验,验证所得煤岩水力压裂模型的正确性;根据数值模拟和物理实验结果,讨论了煤岩松软的力学特性及其裂纹尖端过程区对水力压裂的影响。     

分层开采采空区下大跨度开切眼顶煤稳定性研究

为解决厚煤层分层开采采空区下大跨度开切眼顶煤支护难题,通过理论分析、数值模拟和现场监测的方法,分析大跨度顶煤承载变形破坏特征,推导失稳极值条件.提出采取以棚子支护为基础、"短密集锚索加固+锚杆悬吊"为主的锚护方式以提高顶煤自身承载能力的支护方法,并在现场进行监测.监测结果表明:在此支护条件下开切眼顶煤最大下沉值为12 ...     

区段煤柱变形光纤光栅监测应用研究

针对近距离煤层下伏工作面过上覆遗留煤柱时,发生动静载叠加诱发强矿压显现,导致区段煤柱发生变形失稳造成人员伤亡和设备破坏。为探索基于光纤光栅实时监测区段煤柱变形发育特征,分析进、出遗留煤柱阶段矿压显现机理,将FBG、光栅应力计的光测方法相结合,结合现场实测的区段煤柱变形应力应变水平参量变化规律,研究煤柱应变空间分布规律及回采过程中工作面前方煤柱内部应变时域响应特征,验证光测方法在煤体应变水平观测的可行性。结果表明：工作面回采经过上覆遗留煤柱期间,区段煤柱顶板受集中应力影响,上部岩层块体破断并发生回转导致煤柱载荷增加,随着工作面推进覆岩断裂进一步向上传递,关键层断裂回转发生导致工作面来压,最终导致区段煤柱变形失稳。根据现场光栅应变增量幅度判断煤柱内局部变形的剧烈程度,在集中应力作用下,区段煤柱变形时发生最大应变为650×10-6,上覆岩层集中应力造成煤柱应变水平峰值位置为煤柱宽度11.5 m,沿煤柱宽度方向应变表现出先增加后减小然后趋于稳定的趋势,内部应变随采动过程中影响范围在5 m左右。综合研究工作面回采经过上覆遗留煤柱时应变对区段煤柱发生变形失稳的特点和规律,以及应变水平变化和煤柱物理...