动载应变率对煤岩体损伤的模拟研究

基于HJC本构模型对煤岩体试样进行LS-DYNA有限元数值模拟,分析动载载荷变化率对煤岩体损伤的影响规律。结果表明:相同最大载荷压力下载荷作用时间比载荷变化率更能影响煤岩体的损伤。煤岩体发生破坏的最大能量随载荷变化率的增加而降低,发生破坏的时间随载荷变化率的增加而减少,吸收的能量越大破坏越严重;煤岩体发生破坏时的压力随载荷变化率增加而增大,应变与煤岩体的破坏程度一致。     

深部煤岩超低摩擦效应能量特征试验研究

高地应力和开采强扰动作用下,采场周围的岩体不断发生震动、变形和破坏,形成块系岩体。当深部煤岩积聚能量达到失稳临界值,块系岩体很容易在周围荷载作用下因动力扰动而能量突然释放,发生层间滑动,导致块系岩体发生超低摩擦滑动失稳,从而最终诱发新的冲击地压类型,即超低摩擦型冲击地压灾害,其本质是能量积聚和失稳释放过程。为揭示深部煤岩超低摩擦效应能量特征,以花岗岩和煤两种岩性的块系岩体为研究对象,采用试验研究方法,自主研发了超低摩擦效应试验装置,以轴压和围压模拟高地应力作用,以垂直振动和水平冲击模拟开采强扰动,进行了工作块体分别为完整岩块、破碎岩块和煤块的超低摩擦效应模拟试验。试验结果与已有研究结论进行对比,验证了试验方案的合理性和可行性。以工作块体水平位移的单位质量动能总量作为超低摩擦效应能量变化的特征参数,分析轴压、工作块体数量和岩性对工作块体水平位移单位质量动能时域和频域曲线影响,得到了开采深度、块体破碎程度和岩性与块体动能间关系规律。结果表明:发生超低摩擦效应时,工作块体动能具有集聚效应、短时峰值特性和间歇性。破碎程度和岩性是影响超低摩擦型冲击地压动能总量变化重要因素。试验再现了冲击地压由前...     

矿震动载对围岩的冲击破坏效应

分析了矿震激发震动波能量的传播模式、衰减特征及动态应力降大小,并基于能量和刚度理论,分析了动静载组合作用下巷道煤体的冲击破坏机理。研究表明,矿震震动能量的传播衰减特征主要依赖于能量几何扩散、传播岩体介质的阻尼衰减,以及矿震震源的震动位移场和能量辐射特征的综合影响。矿震动载传播至采场或巷道围岩时,分别与煤岩系统的静态应力（能量）场进行能量标量和应力矢量叠加。矿震动载的能量叠加可使煤岩系统聚集的能量增加,而应力叠加使系统内煤体变形破坏做功所消耗的能量减小,从而使系统聚集和消耗的“差能”增加。系统可释放的“差能”越多,煤体失稳的可能性越大,当动静载组合作用下煤岩系统同时满足冲击矿压发生的能量和刚度条件时,煤层发生动态冲击破坏。     

割理对煤岩加载过程能量演化特征影响数值模拟

能量是导致岩样破坏的本质因素,割理发育是煤岩的显著特征,为分析割理对煤岩加载过程能量演化特征的影响,使用RFPA软件对不同割理数量、不同割理密度及不同割理角度3类二维数值模型开展单轴压缩数值模拟试验,使用MATLAB软件计算了数值模型的分形维数用以表征割理结构复杂性,分析了割理数量、割理密度及割理角度对能量应变曲线及破坏点能量的影响,探讨了割理结构复杂性对煤岩能量演化特征的影响。研究表明:以弹性能曲线从"下凹"变为"上凸"的"拐点"为1个分界点,以应力曲线及弹性能曲线的最高点(即试样破坏位置)为另外1个分界点,可将整个加载过程可分为能量聚集、能量耗散与能量释放3个阶段;无论割理在煤岩内部的分布均匀与否,随着试样内部割理总量增多,总能量曲线及弹性能曲线随着加载过程进行而上升的速度越慢,耗散能随轴向应变增大而增大的速度相近,外力只需对试样做功较少即可使得试样破坏,岩石弹性变形所具有势能降低,但用于破坏试样内部结构、产热以及岩石发生运动所消耗的能量基本保持不变;割理角度为0°和90°两种情况下总能量和弹性能随着轴向应变增大而增大的速度最快,60°时总能量和弹性能增大速度最慢,不同割理角度情况下耗散能增大速率无显著规律;随着割理角度逐渐增大,样品总能量及弹性能均先降低后升高,呈现为近似的"U"字型,耗散能先基本保持不变,而后出现小幅增大;总能量及弹性能随着割理结构复杂性增强而减小,耗散能随割理结构复杂性的变化无显著变化;煤岩内割理角度的对其压缩过程能量存储影响最大,割理集中分布对压缩过程能量存储的影响较割理均匀分布显著。     

含瓦斯煤岩流变特性的数值模拟试验初探

利用东北大学岩石破裂与失稳中心研制开发的“RFPA2D-Flow)固气耦合系统模拟含瓦斯煤岩在不同的恒定载荷、瓦斯压力作用下变形随时间发展并最终达到损伤、破坏这一流变过程,用数值模拟方法研究瓦斯渗流下的煤岩流变特性。     

不同加载路径煤岩破裂过程声-电荷复合信号特性

通过开展不同加载路径下煤岩力学行为及其变形破裂过程声发射和电荷信号特性试验研究,从能量角度分析了加载路径影响的煤岩力学行为和承载能力的变化规律。对极化引起的煤岩表面微电势的产生和衰减进行了理论推演,理论分析结果对煤岩变形破坏过程中声发射与电荷信号产生和变化特征进行了较好的解释。试验结果表明:煤岩变形破坏过程声-电荷信号增减与承载结构破坏所致应力突降呈现出较好的一致性。受载初期两种信号幅值较低且为离散型,随载荷增加,信号幅值、密集程度显著提高且向连续型过渡,峰值前后声-电高值信号连续出现。煤岩受载变化次数越多,强度、峰前应变能越高,振铃计数变化率和能量变化率越高,电荷量变化率越大。由此提出了基于声-电荷复合信号幅值和信号变化率的煤体破坏和失稳灾变预测方法。     

钻井液滤失对煤岩井壁稳定性的影响

煤岩具有割理、孔隙等多孔特性,钻井液易侵入,导致井壁围岩失稳。考虑钻井液滤失对煤岩的物理作用,以Mohr-Coulomb塑性模型为煤岩破坏准则,建立了煤岩井壁稳定评价的流固耦合模型,通过数值模拟,对比分析了钻井液滤失对煤岩应力场和渗流场的影响。结果表明:不均匀地应力的挤压作用使钻井液容易沿着最大水平地应力方向滤失;而钻井液滤失会导致孔隙压力增大,继而使井壁煤岩的应力发生改变,应力场最大值由最大水平地应力方向转移到了最小水平地应力方向,且应力极值由15 MPa增至17 MPa,不利于煤岩稳定;在正向压差条件下,钻井液会侵入煤岩孔隙,使孔隙压力增大,导致煤岩应力增大,引起煤岩失稳;因此,钻井液密度设计时应综合考虑井筒液柱支撑井壁和孔隙增压破坏井壁的影响。     

锚杆钻车驾驶室落物冲击仿真分析

针对锚杆钻车驾驶室在井下作业过程中存在的潜在安全性问题，对钻车驾驶室顶棚冒顶工况进行了落物冲击仿真分析。首先对驾驶室整体模型进行三维建模及结构简化，参照工程机械行业标准选定落物冲击参数，对落锤冲击下驾驶室响应进行显式动力学仿真分析。分析结果显示：落锤冲击顶棚时应力幅值迅速超过材料屈服强度，使顶棚发生塑性变形，吸收了部分冲击能量；落锤动能减小时顶棚内能增加；当顶棚产生最大变形时应变能达到最大；随着落锤反弹，动能增加，内能降低，随顶棚变形恢复应变能减小。     

用剩余能量释放速度判定煤岩冲击倾向性

在实验测试的基础上,对现行冲击倾向性指标的特点及不足进行了分析,指出煤岩冲击倾向性是一个关于能量与时间的函数,提出了新的剩余能量释放速度指数,其物理意义是指煤岩破坏过程中单位时间内释放的剩余能量,从能量与时间的角度揭示了冲击倾向性,并给出计算公式.进而指出通过改变弹性能量指数测试时的加载方式为载荷控制,同时提高煤岩破坏时AB段的采样频率即可以得到计算剩余能量释放速度指数所需要的全部参数的测试方法,并针对冲击地压矿井进行了实验研究,初步归纳出了相应的判别指标.     

静动组合三轴加载煤岩强度劣化试验研究

基于煤岩力学伺服三轴压缩试验系统,辅以声发射检测,对彬长矿区某矿煤岩进行高应力下不同频率动载试验,研究煤岩动载诱发后破坏机理与强度劣化规律。结果表明:煤岩动载扰动后强度劣化明显,峰值强度、应变与动载频率呈负相关;动载扰动后煤岩内部裂隙进一步发育,提前进入屈服变形;煤岩破坏首先从内部开始,逐渐延伸至表面,破坏形式由剪切破坏变为横向拉伸破坏。声发射定位点由中心向外部扩展,大量分布在煤岩表面,与煤岩裂隙发育区域及主要破坏方向基本保持一致;声发射能量事件主要发生在动载加载初期阶段及峰值阶段且峰值阶段达到最大,能量与煤岩应力水平呈正相关,破坏后能量迅速回落。煤岩动载结束后继续静载加载到其动载最大应力阶段前无声发射能量事件产生,发生明显凯泽现象;临近峰值破坏阶段声发射能量迅速回落,此特性可作为预测煤岩破坏的前兆。     

煤矿冲击矿压动静载叠加诱发原理及其防治

煤矿冲击矿压动力灾害日趋严重,且浅部也出现了该现象。理论研究了动载与静载叠加诱发冲击矿压的能量和应力条件,系统地提出了动静载叠加诱发冲击矿压的原理,并分析了煤矿动静载特征,根据应变率对煤矿载荷状态进行了界定,试验研究了煤岩力学特性与应变率的关系以及动静叠加作用下煤的破坏形态。结果表明：随着应变率增大,煤岩强度、弹性模量呈指数关系增大,当静载占比较大时,煤岩呈剪切破坏;当动载占比较大时,煤岩呈现劈裂甚至爆裂破坏。当动静叠加接近煤岩强度时,单轮或多轮动载作用可诱发煤岩冲击破坏;当动静叠加远小于煤岩强度时,多轮动载虽然能使煤岩产生损伤但难以诱发冲击破坏。动静叠加诱发冲击矿压表现为2种类型：① 高静载型,深部开采时,围岩静载较高,矿震产生的微小动载增量可使叠加载荷超过煤岩冲击破坏临界而诱发煤岩冲击破坏;② 强动载型,浅部开采时,围岩静载较小,强矿震的冲击动载较大,叠加载荷超过煤岩冲击破坏临界导致煤岩冲击破坏。基于冲击矿压的动静载叠加诱发原理,讨论了冲击矿压监测及防治思路和方法。     

薄煤层动静组合诱发冲击地压的机制

理论分析了动静组合诱发冲击地压的应力条件和能量转化过程,揭示了动静组合诱发冲击地压机制,数值计算分析了工作面应力分布特征与煤厚之间的关系,采用微震监测数据分析了卸压爆破产生的应力波传播规律,并分析研究了薄煤层动静载特征及诱发冲击地压过程。结果表明:薄煤层工作面应力集中程度较厚煤层高,峰值应力区距离煤壁较近,应力梯度较大;采动动载直接与高应力叠加,且开采导致的应力降以及单位体积煤体释放的弹性变形能远高于厚煤层,在动静组合作用下,薄煤层工作面易于达到动静组合诱发冲击地压的应力和能量条件,显著符合动静组合诱冲机制。最后基于动静载组合诱发薄煤层冲击地压的机制,探讨了薄煤层冲击地压防治原则和技术方法。     

上覆遗留煤柱作用下冲击矿压预测预警案例研究

以三河尖煤矿92201工作面运输巷在上覆7煤上山保护煤柱下掘进诱发的冲击矿压为例,采用震动波CT技术对待掘区域应力场进行反演,预测冲击危险区域,并在掘进过程中实时监测分析矿震动载特征,对冲击危险进行预警。研究表明:震动波CT技术可有效反应煤岩体内未知因素对应力分布的影响,实现大范围应力探测,较常规解析和数值等分析方法更为有效,利用该技术可提前和分时段预测冲击危险区域分布;结合掘进过程中的矿震时空演化规律分析,可对冲击危险区域进行有效确认和实时预警,实现了动载与静载结合对冲击危险进行提前预测与实时监测预警。利用该套技术方法分析表明,上覆遗留煤柱长时间受矿压作用,其集中应力分布明显向煤柱煤壁深处转移,导致区域应力分布异常,冲击矿压防治难度加大。92201巷道冲击矿压显现证实了以上结论和该套技术方法的有效性。     

冲击荷载作用下的煤岩动力学特性及本构模型

为了研究煤岩的动态破坏特征和动力学损伤特性,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)和应力加载系统,对煤岩试样进行了冲击试验和单轴压缩试验;根据应力-应变试验曲线的特征,在过应力模型上,应用连续损伤理论与统计强度理论,建立了适合煤岩动力学特性的过应力损伤模型。结果表明:动载作用下,当应变率较小时,煤岩破碎方式与静载作用时间具一定的相似性;随着应变率的增大,动载破坏强度显著增大,动态模量先增大后保持不变,塑性变形先增大后减小,应力-应变曲线具有明显的塑性流动特性。采用建立的煤岩过应力损伤模型本构方程对试验曲线进行拟合,通过两者的对比,验证了模型的正确性。     

基于层叠模型组合煤岩体动态力学本构模型

为研究冲击载荷下组合煤岩的动态力学特征,利用75 mm的分离式霍普金森压杆(SHPB)实验系统,对不同组合比煤岩样(砂岩∶煤∶砂岩分别显1∶1∶1,2∶1∶1,1∶1∶2,1∶2∶2)进行不同速率(4.590～8.791 m/s)的冲击加载实验,获得了组合煤岩的动态应力-应变曲线,结合煤、岩本构的研究成果和层叠模型原理,并充分考虑了组合煤岩体在动态破坏过程中的应变率相关性和损伤特性,构建了7参数组合煤岩层叠本构模型。研究结果表明∶① 不同组合比煤岩的弹性阶段和塑性阶段持续时间不同,不同组合比煤岩的应力应变曲线前期均呈现出明显的非线性;② 组合煤岩动态冲击屈服强度随应变率的增大而增大,随煤的占比增大而减小;③ 构建的7参数组合煤岩层叠本构模型数值拟合曲线与实测动态本构曲线具有较好的一致性,拟合参数分析发现在中应变率(110.41～195.49 s-1 )冲击载荷作用下,组合煤岩体损伤软化效应超过应变率强化效应成为主导因素;④ 拟合参数范围和试样冲击破坏特征均表明,组合体试件主要破坏部位以煤体破坏为主,不受组合方式的影响。研究成果为进一步深入认识冲击地压等煤岩动力灾害发生机理和预测预防措施提供参考借鉴。由于组合煤岩冲击破坏SHPB实验条件有限,并未考虑围岩影响,围压下的组合煤岩动态破坏特性有待利用实验和数值模拟手段进一步研究。     

纵波模式下的煤岩体动态响应特性与损伤机理

以圆柱煤岩体为研究对象,基于纵波的传播特征与波动控制方程,得出了纵波传播的频率方程,建立了纵波模式下位移、应变、应力、振速与能量动态力学计算模型。仿真计算结果表明:低阶纵波模式下,圆柱煤岩体中应力波的振动较为平缓,可近似认为是准静力载荷作用,煤岩体以剪切破坏为主,而且初始破坏位置主要分布在圆柱煤岩体底面(作用面)且临近表面的区域。高阶纵波模式下,沿圆柱煤岩体径向方向,位移、应变、应力、振速及能量的振动幅值均随着半径无量纲的增大呈现出衰减趋势,大致符合幂函数关系;剪切应力、应变振幅的极值最大,能量衰减速度最快;而且值得注意的是径向、轴向应力/应变振动幅值随着半径无量纲增大逐渐趋于一致,而且方向趋于相反。由此分析可知:圆柱煤岩体在无围压条件下易发生脆性劈裂破坏,主要由拉应力导致;在有围压条件下易发生近似圆锥形破坏,主要属于拉剪破坏;圆柱煤岩体底面(作用面)圆心处的位移、应变、应力、振速及能量动态变化幅值均最大,因此煤岩体损伤破坏的初始位置应为此圆心处。     

冲击载荷下三轴煤体动力学分析及损伤本构方程

为研究冲击载荷下三轴煤体的动力学特征,建立了三轴分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统,开展了轴向静载、围压和冲击载荷随机组合的动态冲击试验,研究了三轴煤体在冲击载荷下的动力学特性。实验结果表明:冲击载荷下三轴煤体动态应力应变曲线无压密阶段,轴向预静载有助于使煤体原生裂隙闭合,初始加载就表现出完整弹性体的特征;当应力达到峰值强度的60%～85%阶段时,应力应变曲线呈现"跃进"现象,可能与碳在晶体微破裂中的作用有关;当应力超过煤体动态强度,试样破坏,应力降低。冲击载荷下三轴煤体动态强度和破坏应变与平均应变率高度线性相关,应变率效应明显,应变率效应使得不同轴向静载、围压和冲击载荷因素对煤体动态强度和破坏应变的影响具有可比性。基于岩石力学强度理论和统计损伤理论,建立了冲击载荷下三轴煤体动态损伤本构模型,该模型综合考虑了轴向静载、围压和冲击载荷等因素,明确地反映了3种因素对煤体动力学特征的影响,轴向静载会劣化煤体,造成动态强度降低,围压和冲击载荷有助于提高煤体的动态强度,理论模型反映的特征与试验结果相吻合,并通过建立的本构模型和试验应力应变数据拟合了理论应力应变曲线,其与试验应力应变曲线基本重合,且应变率越高,一致性越好。     

深部开采动静载荷作用下复合动力灾害致灾机理研究

为研究深部开采动静载荷条件下冲击地压、突出两种灾害相互作用形成的复合动力灾害的发生条件与显现特征,利用重庆大学自主研发的"多功能真三轴流固耦合试验系统",以层状复合煤岩体为研究对象,进行了改变静应力组合、交变载荷频率和幅值、应变率及气体压力等试验条件的系列真三轴试验。试验结果表明:中间主应力、气体压力、交变频率和幅值、应变率等对复合动力灾害的显现特征均有较大的影响;真三轴试验条件下,层状复合煤岩体在临空面一侧多以劈裂成板、板曲折断的层裂形式破坏;基于荷载类型,可将复合动力灾害分为高静载型、扰动型、冲击型复合动力灾害3种类型,且在各类复合型动力灾害中,高压气体对复合动力灾害的孕育和发生具有积极的作用。     

基于逾渗机理的含瓦斯煤体变形破坏机制及试验研究

针对含瓦斯煤岩在高应力环境下易发生松散破坏的问题,考虑煤体的多孔介质特征,研究了含瓦斯煤岩受应力扰动影响下的变形破坏规律。首先,基于逾渗理论提出了含瓦斯煤体的逾渗破坏概念,它的实质是含瓦斯煤岩发生逾渗行为后导致瓦斯突出使煤体失稳破坏过程中发生的一种动力破坏现象。然后通过理论分析了逾渗破坏分布区域并给出了逾渗破坏概率P_∞的计算公式,推导出了含瓦斯煤体的Biot型本构方程,表明含瓦斯煤体孔隙率与渗透系数和有效应力密切相关。结合含瓦斯煤体本构方程并在逾渗破坏区进行了应用,得到了逾渗破坏区半径R_p的计算公式。最后,对拟制备的含气类岩石试件进行了三轴压缩试验,试验结果表明:随着试件孔隙、裂隙增多,弹性模量和脆-延性破坏临界拐点应力值随之减小;同时,黏聚力和内摩擦角值随试件内部气体孔隙增加均不同程度的降低,导致逾渗破坏区半径增大,并且其影响程度会随内摩擦角和黏聚力的减小而增强。随着应力增加,试件内部孔隙、裂隙逐渐贯通,最终呈松散破坏即逾渗破坏。