水浸煤体周期应力承载特征研究

针对地下水库煤柱坝体长期在水浸-周期应力作用下渐进损伤问题，以陕西某矿地下水库工程为背景，通过现场调研、理论分析、实验室实验等方法分析了工作面末采阶段煤柱坝体所受应力环境，探究了周期应力以及水浸对煤体的破坏规律。结果表明：煤柱坝体形成前受采动影响存在诸多次生裂隙，形成以后受水浸以及相邻工作面的采动影响，应力呈多次循环加、卸载特征；煤体单轴压缩时抗压强度为18.40 MPa，破断载荷为36.11 kN，循环加卸载1、2、3次的破坏载荷分别为35.27、29.15、27.45 k N，表明周期应力有加剧煤体损伤的作用；随着水浸时间及加卸载循环次数的增加，煤体强度逐渐降低，无水浸加卸载1次条件下煤块强度为17.97 MPa，水浸21 d加卸载3次时强度为10.78 MPa。     

采动条件下煤体渗流特性试验及应用

为准确判断高瓦斯低透气性煤层瓦斯采动卸压抽采的有效区域,进一步提高瓦斯抽采效果,采用渗流试验和理论分析的方法,研究了煤层采动过程中煤体渗透率随应力的变化规律。结果表明:在受采动影响不同阶段,含瓦斯煤体渗透率随应力变化呈现明显的阶段差异性。在煤体弹性变形阶段,煤体渗透率随应力的增加逐步降低;在煤体达到屈服点至煤体破坏阶段,随着应力的升高,煤体发生塑性变形,煤体内产生采动裂隙,渗透率开始缓慢提升;在煤体破坏后,煤体处于卸压状态,煤体渗透率随着应力的降低大幅提升。最后,通过现场本煤层瓦斯抽采效果分析验证了采动煤体渗流特性试验结果的正确性。     

受载突出煤体的力学状态演变及破坏倾向性

受载突出煤体在内外应力作用下发生破坏从而诱发煤与瓦斯突出(简称“突出”),为进一步明确该过程中煤体破坏模式及力学作用机理,本研究基于大型突出物理模拟试验结果,分析了突出过程中的煤体力学状态、破坏模式及倾向性,研究结果表明：突出初期,高瓦斯压力梯度和应力共同作用下低强度煤体发生破坏,瓦斯压力和应力同时跌落;突出中期,煤体将再次表现出一定承载能力,应力和瓦斯压力将因此升高,而当其达到煤体的极限承载能力时,煤体会被再次破坏,应力和瓦斯压力将再次下降;突出后期,煤体的内外荷载无法达到其破坏强度,导致其所承受的应力荷载会产生大幅回升,瓦斯压力下降速率减缓。突出过程中瓦斯对煤体施加的作用力可等效为张拉作用,温度变化则可等效为对煤体的压缩作用。突出过程中有效应力集中区会反复地向煤体深部转移,并在突出终止时逐渐恢复至原始位置,有效应力值表现为间歇式的减小和增大过程。随着突出的持续发展,卸压区和集中区的突出煤体应力圆心位置将周期性的向剪应力-正应力图的原点处靠近,但每个周期移动的距离逐渐缩短。此外,卸压区煤体在突出过程中最大主应力方向发生改变,且突出后期主应力差基本表现为持续增大的过程,而集中区的主应力...     

循环加卸载下含瓦斯煤能耗与渗流特性研究

以马兰矿8#煤层煤样为研究对象,进行不同围压下的采动轴向循环加卸载实验,研究煤体渗流特性及能耗损伤特征。结果表明:随着轴向应力的循环加卸载,σ1-ε1曲线呈现螺旋式上升,卸载曲线与下一次的加载曲线之间形成明显的滞回环,加卸载渗透率-应变曲线逐渐变为细长的"条带状"曲线,并在较低围压下出现交叉;随着加卸载次数的增加,渗透率绝对恢复率减小,最大降低率达20%左右,围压越大渗透率恢复越困难。随着加卸载上限应力的增大,煤体在加卸载过程中吸收的总能量、弹性能和耗散能均随着循环次数的增加而增加,煤体的损伤变量也在增大,但增加速率较缓;在循环加卸载结束至煤体屈服点阶段,渗透率随损伤增加呈对数函数减小,直至达到渗透率最低点;在屈服点至煤体破坏阶段,煤体损伤变量增加速率变快,渗透率随损伤的增加呈指数函数增大,煤体开始加速破坏。     

分级循环加卸载煤体变形破坏特征试验研究

瓦斯抽采钻孔在采动影响下所处的应力状态比较复杂,随着工作面的推进,经历复杂的加载和卸载共同作用,易导致抽采钻孔失稳破坏。为深入研究采动影响下煤体钻孔的变形破坏特征,通过开展单调加载及分级循环加卸载试验,分析不同加载路径下试样的强度特征,并结合数字散斑技术(XTDIC)分析试样单轴压缩过程中裂纹扩展及孔周位移演化规律,通过布置"虚拟引伸计"分析试样局部化带位移演化特征。结果表明:与单调加载路径相比,分级循环加卸载路径下试样的抗压强度减小,减小幅度为4.59%;分级循环加卸载路径下,含钻孔试样的最终破坏是由远场裂纹与钻孔两侧的剪切裂纹贯通形成宏观破裂带导致的,不同加载路径下试样破坏模式均为拉剪复合破坏,破坏形态呈"X"状;试样加载顶点与卸载低点的张拉、错动位移随着循环次数增加逐渐增大,呈波动上升趋势,并且在时间上滞后于应力变化;孔周位移测点层位越高,试样加载至相同时刻的位移越大;分级循环加卸载路径下,试样卸载阶段的测点位移有轻微恢复现象,最大恢复量为0.149 mm,位移随时间增长表现为"台阶式"递增现象。     

含瓦斯煤渐进破坏极限失稳研究

为了研究含瓦斯煤渐进破坏极限失稳问题,基于含瓦斯煤强度折减法,并借助有限元数值模拟软件,对强度折减极限安全系数以及含瓦斯煤渐进破坏极限失稳过程进行分析。研究结果表明：含瓦斯煤强度折减参数修正可以表征瓦斯对于煤体的弱化作用,适用于数值模拟软件中分析煤体渐进破坏极限失稳过程;强度折减极限安全系数受围岩、瓦斯压力、外部载荷、煤泊松比等因素影响,极限安全系数值越小,代表煤体更容易达到失稳破坏状态;在强度折减过程中,含瓦斯煤状态演化分为初始损伤、渐进破坏、极限失稳3个阶段。     

多级加卸载下层理裂隙煤体瓦斯渗流轴向效应及应用

为了获取工作面采动影响下煤体平行层理及垂直层理裂隙方向的瓦斯渗流规律,采用真三轴瓦斯渗透实验装置对层理裂隙煤样进行多级加卸载路径下轴向瓦斯渗流实验。实验表明:煤样在多级加载过程中经历压实、弹性变形和塑性变形3个阶段,2个轴向的瓦斯渗透率均随应力的增加而降低;卸载过程中,2个轴向的瓦斯渗透率均有部分恢复;加卸载下平行层理x轴向的瓦斯渗透率始终大于垂直层理y轴向。实践中在回采工作面前方布置了垂直层理和平行层理方向的2种钻孔考察瓦斯抽采量。实践表明:加卸载条件下层理裂隙煤样2个轴向的瓦斯渗透特性能真实反映受采动影响的煤体内瓦斯渗透规律;但煤样的加卸载过程不完全等同于回采工作面煤层应力"三区"变化过程,回采工作面充分卸压后的煤体各向渗透率均有较大提高。     

采动影响下裂隙煤体压裂机理的分形研究

根据现场测试的采煤工作面支承压力变化规律，在三轴压力机上通过对大煤样的逐级加载至支承压力峰值，然后卸载至零，模拟采动过程中煤体在支承压力作用下的压裂、破坏全过程，同时连续测定超声波在煤样不同压裂阶段的传播速度，得到了大煤样的全程应力-应变曲线．证明了超声波速和最大主应力之间存在线性关系；运用分形几何理论、损伤力学对大煤样试件压裂过程中裂隙系统的整体性状作定量描述，探讨了裂隙煤体的压裂机理．实验表明，煤体强度与裂隙分维之间存在线性关系；在大煤样压裂试验的基础上，用有效应力建立了裂隙煤体压裂的本构方程．     

深部煤层底板岩体能量演化特征及卸荷劣化破坏机制研究

为研究深部煤炭回采过程中底板岩体能量变化特征及卸荷劣化机制,开展了不同围压卸载速率下岩石力学试验,综合理论分析和实验室试验分析了不同卸载阶段的岩石损伤断裂能量、弹性模量的变化特征。研究表明：卸围压过程中的岩石变形破坏可划分为围压卸载起始点至失稳破坏、失稳破坏到加速破坏、进入加速破坏3个阶段。在围压卸载起始点至失稳破坏阶段和失稳破坏到加速破坏阶段,相同轴压下,不同围压卸载速率对岩石弹性模量劣化程度产生的影响较小;在围压卸载起始点至失稳破坏阶段,损伤断裂能量消耗较少,但岩石弹性模量劣化程度较为明显;在失稳破坏到加速破坏阶段,弹性模量的劣化程度相比于围压卸载起始点至失稳破坏阶段趋缓,但损伤断裂能量消耗呈现增长变化趋势。在岩石进入加速破坏阶段,卸载速率越快,岩石卸围压过程中释放的损伤断裂能量越大,越易形成宏观贯穿式裂纹,煤层底板突水危险性随之增大。     

瓦斯压力对砂岩渐进破坏特征的影响研究

借助多场多相耦合下多孔介质压裂—渗流试验系统，基于不同瓦斯压力下的常规三轴加载试验，通过分析砂岩的力学特性和渐进破坏规律，研究砂岩在不同瓦斯压力下开采的渐进破坏演化过程。研究结果表明，随着瓦斯压力增加，砂岩的裂纹闭合应力会呈现增加趋势，而损伤应力以及峰值应力呈现减少趋势；瓦斯压力对砂岩的峰值强度起到了弱化作用，且随着瓦斯压力增加，弱化程度随之增加；不同瓦斯压力下的砂岩在受载破坏过程中都呈现相同的变化趋势，总体分为裂纹闭合阶段、弹性阶段、微小裂纹扩展阶段、宏观裂纹扩展阶段；随着瓦斯压力增加，砂岩的裂纹闭合阶段在峰前的占比呈现增加趋势，而弹性阶段和微小裂纹扩展阶段在峰前的占比呈现减少趋势。该研究对地下深部巷道的开挖和稳定性有重要指导意义。     

煤与瓦斯突出过程的力学作用机理

以“煤与瓦斯突出是一个力学破坏过程”的认识为前提,通过理论分析和数值模拟,对煤与瓦斯突出过程的力学作用机理进行了深入研究.对突出的准备、发动、发展和终止过程重新进行了划分,给出了各个过程详细的描述.在突出准备阶段,围岩发生应力集中和强度破坏,为后续的失稳创造了条件.突出的发动是围岩的突然失稳以及失稳煤岩的快速破坏和抛出.突出的发展是突出孔洞壁煤体由浅入深逐渐破坏并抛出的过程,主要受控于孔洞壁煤体的应力分布以及孔隙和裂隙中的瓦斯压力对煤的拉伸和剪切破坏,并可分为粉化和层裂2个阶段.突出孔壁受堆积煤岩的支撑或孔洞形状变化促使孔洞壁煤体受力状态的改变是突出终止的主因.     

加载与卸载过程瓦斯抽采钻孔变形特征

抽采钻孔的稳定性影响到抽采工程效果的好坏。工作面回采过程中,由于支承压力随工作面推进的移动,采动影响范围内的抽采钻孔受到加载、卸载应力的作用。为得到加卸载条件下抽采钻孔变形及破坏规律,采用数值模拟的方法对不同应力变化速率下钻孔的破坏进行了计算,共设计10种计算方案,得到了不同加卸载应力变化速率下的钻孔塑性区分布范围及孔壁位移曲线。同时依据数值计算得到的卸载应力变化速率与孔壁变形相互关系,建立了考虑卸载应力变化速率的钻孔周边切应力计算模型。研究结果表明:加载过程中,加载速率对钻孔周边的破坏范围及孔壁位移不产生影响;卸载过程中,钻孔周边破坏范围与初始卸载应力及卸载速率相关,在进行抽采钻孔布置时需综合考虑钻孔的受载力学特征。     

逆断层区域采动煤体渗透率模型构建及应用北大核心

逆断层区域构造应力与地应力叠加,挤压应力形成的力学特点导致瓦斯积聚,煤体渗透率发生改变,采掘期间容易引起瓦斯涌出异常,甚至发生煤与瓦斯突出事故。为了掌握逆断层区域采动煤体渗透率演化规律,首先开展了逆断层区域采动煤体渗透率测试试验,通过应力加卸载方式模拟逆断层影响下采动煤体应力变化,得出:在峰前阶段,煤体压缩、裂隙闭合,煤体渗透率降低;峰后阶段,煤体应力达到峰值,原有裂隙扩展连通,同时产生新裂隙并出现损伤,煤体渗透率增加并达到最大值;第1组加载方案模拟工作面前方煤体应力集中系数逐渐增大条件下,M1、M2和M3煤样的渗透率分别提高了22.1%、28.0%和36.7%,第2组加载方案模拟模拟工作面前方煤体应力集中系数先增大后减小条件下,M4、M5和M6煤样的渗透率分别提高了23.6%、37.2%和20.8%。然后结合煤体渗透率试验结果,建立了逆断层影响下采动煤体渗透率表征模型,推导出煤体峰前和峰后阶段渗透率计算表达式,用瓦斯吸附/解吸造成煤体体积应变的函数来表示吸附/解吸对煤体裂隙体积的影响,从而更加准确的表征逆断层影响下采动煤体渗透率。最后将渗透率模型导入COSMOL软件,结合新春煤矿1503工作面F4逆断层现场情况进行模拟计算,得出随着与逆断层距离减小,煤体应力集中系数增大的情况下,煤体瓦斯压力和渗透率峰值均逐渐增大,容易造成瓦斯涌出异常,需要加强瓦斯浓度监测。     

深部长壁工作面动态支承压力极值点的求解

采用力学方法研究了非充分采动阶段随工作面推进覆岩破坏过程与支承压力的动态关系，从理论上证明了在一般地层条件下，当长壁工作面的开采尺寸达到1．27倍受深时支承压力达到极大值的结论。这一结论验证了长期以来岩层移动观测的统计结果（开采尺寸达1．2－1．4倍受深时岩层进入充分采动阶段）。研究结果为区段煤柱设计、冲击地压和煤与瓦斯突出的预测等提供了更为准确的理论依据。     

采动力学特征下含瓦斯煤渗流实验研究

为研究采动应力对煤体渗透率的影响,采用渗流实验和理论分析的方法,对2个矿的2组煤样在2种采动应力下的渗流特性进行了研究,并揭示了渗透率变化规律。结果表明:2种采动应力下渗透率整体变化规律相似,但各阶段渗透特性不同;在准静水压力阶段,渗透率都随应力增加而下降,保护层采动应力下的渗透率总体大于放顶煤;在第二加卸载阶段,放顶煤采动应力下渗透率呈现缓慢上升,水平应力卸载对渗透性系数影响起主要作用,而保护层采动应力下是阶段末期才开始上升;2种采动应力下渗透率呈现低速增长、增长和高速增长阶段,特别在工作面应力峰值点后,进行抽采效果较理想。     

工作面打钻诱导突出机理分析及其预防措施

为分析煤矿井下工作面打抽放钻孔和防突钻孔过程产生的煤与瓦斯突出机理,分析了打钻时的突出过程,并从工作面煤岩体强度硬度、工作面三区分布规律、煤体的应力应变全过程、钻孔能释放地应力、钻孔周围煤岩塑性区半径、煤岩体流变机理等方面对该类突出进行了理论分析。研究结果和工程实践表明：工作面钻孔能有效排放工作面煤体中的瓦斯和降低瓦斯压力、增大工作面卸压区长度、增大工作面防突屏障厚度,起到防突效果;但在工作面打密集钻孔会破坏煤岩体原有结构、降低煤岩体原有的硬度和强度、降低工作面防突屏障的强度,同时在打钻孔过程会产生扰动,以致增大突出的危险性。所以工作面打钻孔具有防突和诱导突出双重作用。     

覆岩裂隙演化的RFPA数值模拟研究

煤体采动导致煤层原始平衡应力发生变化,引起工作面前方支撑压力发生变化,使其上覆岩层发生失稳变形,形成采动应力分布的不同影响区。通过RFPA数值模拟软件,对工作面推进过程中覆岩裂隙动态演化规律进行模拟,得出覆岩随工作面推进的垮落高度及来压步距,同时得到采动影响下煤层底板应力变化与横三区及支撑压力峰值的变化规律。     

两向加卸载含瓦斯煤变形破裂数值模拟研究

为了模拟煤矿工作面前方应力变化时含瓦斯煤体的力学特性,应用RFPA~(2D)-Flow软件模拟研究了轴向加载-横向卸载作用下含瓦斯煤的变形破裂规律,讨论了初始围压、轴压和卸载速率效应对试样变形破坏的影响。研究结果表明:在加载和卸载方向,轴向应力和横向应力初期都呈线性增加,当达到极限强度后煤体的变形破裂导致急剧的应力降,直至煤样失去承载能力时基本保持恒定。初始围压、轴压越大,卸载速率越小,煤体的极限抗压、拉强度及其对应的轴向、横向应变越大;峰值强度及应变与初始围压、轴压呈明显的线性相关性,而与卸载速率表现出阶梯状,随着卸载速率的增加极限强度及应变减小速率逐渐降低。     

综放采场支承压力对覆岩裂隙发育规律的影响机理研究

煤体采动后采场原有应力平衡被破坏,工作面前方支承压力动态变化,引起采场上覆岩体失稳变形直至破断,形成采动应力降低区以及采动裂隙场。通过RFPA有限元法再现了综放工作面开采过程中上覆岩层裂隙时空动态演化特点,并得出工作面前方支承压力及裂隙发育高度的量化数据。综合考虑相似模拟实验数据,以期为高位瓦斯抽放巷的合理布置提供参考依据。     

基于爆炸应力波和构造煤带孕育煤与瓦斯突出危险状态的模型

针对华南地区突出矿区分布广泛、煤与瓦斯突出事故严重的现状,结合该地区地质构造复杂构造煤广泛分布和大部分矿井采用炮采炮掘工艺的特点,提出一种基于爆炸应力波和构造煤带孕育煤与瓦斯突出危险状态的模型,并对该模型进行了理论分析。研究表明:爆炸应力波在传播过程中形成的稀疏波会引起该波经过的区域密度减小、体积增大,煤层瓦斯压力降低,进而破坏煤体瓦斯原有吸附平衡状态,大量吸附瓦斯解吸导致煤层瓦斯压力上升;当掘进工作面前方煤体一定深度存在构造煤带时,爆炸应力波从掘进工作面爆源传至未破坏煤体与构造煤带交界面,由于爆炸应力波的反射加强作用使构造煤迎波一侧未破坏煤体产生拉伸破坏,而掘进工作面前方存在的应力集中带不会引起爆炸应力波对煤体产生反射拉伸加强破坏作用;掘进工作面向构造煤带推进需要周期性的爆破作业,爆炸应力波的强度随着距爆源的距离增加而衰减,产生的爆炸应力波对煤体的瓦斯解吸作用和破坏作用不断增强,产生爆炸应力波的累加效应。