含水煤岩损伤破坏过程中声发射特征的研究

岩土工程在施工及运营期间,经常会遇到地下水和施工及运行载荷的共同作用,岩体在地下水和各载荷作用下的力学性能是影响岩土工程长期稳定性的重要因素之一。在收集国内外相关资料的基础上,对含水煤岩在单轴压缩、周期载荷作用、三轴压缩、剪切及拉伸等应力作用下的力学特性及声发射特征等方面进行了综述,对国内外的研究现状进行了回顾与分析,进而总结了含水煤岩力学特性及声发射特征的部分规律。指出随声发射技术在工程岩体稳定性监测领域的广泛应用及试验手段和试验方法的进一步发展,含水煤岩声发射有向真三轴、多场耦合方向发展的趋势,同时随着数值模拟软件及并行技术的快速发展,数值模拟试验将为含水煤岩声发射特征的研究开辟新的途径。     

基于SHPB动载过程的煤岩冲击破坏特征试验研究

为充分探讨冲击动载条件下的煤岩破坏特征,进一步明确煤岩系统破坏失稳机理,利用SHPB动载系统对煤岩试件进行不同速度的冲击破坏,并收集碎块进行了筛分试验。研究结果表明,冲击加载速度和介质物理性质共同决定了煤岩试件的碎块粒径分布。随着冲击加载速度的增加,煤岩破坏程度随之增大,破碎体数量显著增多,破碎体块度相应减小;在相近的冲击加载速度下,介质物理性质则成为决定顶、底板岩层碎块分布规律的主导因素。当超声波波速基本持平时,冲击速度决定了煤层试件碎块的集中分布区域。当冲击速度为6m/s以上时,煤层碎块主要集中在Ⅱ区域,累计质量百分比曲线上升幅度可达到52%;当冲击速度为6 m/s以下时,碎块主要集中在Ⅲ区域,曲线上升幅度达到61%。研究成果有助于揭示煤岩破坏机理,丰富煤岩动力灾害防治理论。     

煤岩损伤破坏ULF电磁感应实验研究

利用建立的煤岩声-电信号测试系统,对强度较低的煤岩试样进行了单轴压缩、剪切加载破坏实验,测试研究了ULF（1 kHz）、VLF（5 kHz）、LF（300 kHz）等频段电磁辐射及42.3 kHz声发射（AE）信号规律,并初步探讨了煤岩变形破坏ULF电磁信号的产生机理。结果表明：煤岩材料在单轴压缩和剪切变形破裂过程中能够产生ULF频段的电磁信号;与LF及VLF电磁信号相比,ULF信号与应力的相关性更好;同时,ULF信号与应力及AE相比存在一定程度的超前性,一般超前应力及AE信号5~10 s。实验室测得的煤岩变形破裂产生的ULF电磁信号,主要是由电荷运动产生的感应场变化引起的,煤岩材料中含有的少量金属矿物成分导致的压磁效应也是其来源之一。煤岩ULF电磁信号的研究不仅扩展了煤岩电磁辐射技术的研究范围,而且由于其在传播距离和抗干扰能力方面的优势,有望对远距离和较大尺度范围的煤岩动力灾害监测技术实现突破。     

煤岩破坏过程的细观力学损伤演化机制

为了有效监测煤岩巷道围岩的损伤稳定程度,以漳村矿煤岩为例开展了煤岩损伤破坏特性的研究,首先对该矿煤岩进行单轴压缩试验测得其力学参数,然后通过颗粒流软件获得其细观力学参数进行了不同围压下煤岩试验。分析了煤岩破坏过程的声发射和应变能变化规律,并从煤岩损伤萌生、成核、扩展和贯通的过程研究了损伤演化机制,获得以下结论:最大声发射强度与峰值应力并不同时出现,具有一定滞后性,低围压范围滞后效应随围压变化敏感,高围压范围围压对其影响减弱;随着围压增加在最大声发射前会出现明显的平静期,并指出平静期的出现是由煤岩内部严重损伤区的产生和损伤愈合吸收应变能所致;将煤岩损伤破坏过程分为微损伤弥散分布、损伤局部集中发展成核、裂纹稳步扩展形成局部裂隙、局部裂隙贯通煤岩失稳4个阶段,指出围压对各个阶段的影响异同。     

隙煤岩损伤破坏行为的数值模拟

利用ANSYS有限元软件,构建了孔隙煤岩细观单元的二维数值计算模型;提出了一种针对孔隙煤岩复杂几何模型的网格优化措施,实现了整体映射网格与局部自由网格相结合的划分方法,提高了生成单元的质量以及求解效率;借助单元生死技术模拟了孔隙煤岩的脆性损伤破坏过程,研究了孔隙率及孔隙形态对煤岩整体力学行为的影响。研究表明,孔隙煤岩的损伤破坏行为和孔隙率、孔隙位置、孔隙形态等几何参数有关。孔隙集中的区域会出现应力或应变集中的现象,随着孔隙率及孔隙长短轴比增大,煤岩细观单元损伤现象更加明显,弹性模量下降,煤岩强度急剧下降,且损伤阈值也有所下降。     

煤岩破坏流变模型的研究

根据煤岩流变力学以及前人研究成果建立了煤岩体广义流变模型，分析研究了煤岩流变过程各阶段变化规律。     

冲击破坏条件下煤的强度型统计损伤本构模型与分析

为研究冲击作用下煤体破坏特征,利用分离式霍普金森压杆(SHPB)试验系统对取自苇町矿的煤样进行了不同冲击载荷条件下的动态冲击试验,分析了煤在冲击载荷条件下的动态力学特性。试验结果表明煤是一种典型的率相关材料,弹性模量和抗压强度均随应变率的增大而增大。根据岩石力学的强度理论和统计损伤理论,建立了煤的强度型统计损伤本构模型,给出了模型参数的确定方法,验证了模型的正确性。对比分析了元件型统计损伤本构模型和强度型统计损伤本构模型的优劣,分析确定了强度型统计损伤本构模型的准确性与合理性。研究结果表明:强度型统计损伤本构模型结构简单,引入参数少,物理意义清晰,能够有效地描述煤体冲击破坏过程中的动态力学性质;相较于元件型统计损伤本构模型,利用强度型统计损伤本构模型拟合的相关性系数更高,与试验结果保持了很好的一致性,具有更好的普适性。     

组合煤岩试样的冲击破坏效应及其应用

煤矿冲击矿压的防治是国际岩石力学与工程界的一大世界难题,其主要原因在于缺乏有效的理论指导以及治理效果的综合检验技术。本文以不同类型的组合煤岩试样为研究对象,利用Disp-24声电测试系统测定组合煤岩试样变形破裂直至冲击破坏过程中的声发射、电磁辐射信号,揭示了组合煤岩试样冲击破坏过程中的声电效应。研究结果表明,组合煤岩试样中各组件的力学强度参数、冲击倾向性指数与声电信号的强度之间呈正相关关系,即弱化煤岩体中顶板的强度及其整体性厚度、煤体的强度就能够降低其冲击倾向性。以此,提出了冲击矿压强度的弱化控制机理以及治理效果的综合检验技术。并在徐州三河尖煤矿9202高冲击危险工作面进行了工程实践,取得了预期的效果。     

围压效应下煤岩强度及破坏特征的数值模拟

为了研究围压对煤岩强度和破坏特征的影响,对围压效应进行了理论分析,并利用FLAC2D模拟不同围压下煤岩的破坏情况。研究表明:煤岩极限破坏强度随围压的增大而增加,二者之间呈非线性关系;煤岩的轴向应力也随围压的增大而逐渐增大,应力区呈锥形和倒锥形分布,锥角大约为60°煤岩的切应力也随围压的增大而逐渐增大,剪切带也逐渐增大,从单重剪切发展到多重剪切;煤岩破坏的角度随围压的增大而逐渐增大;在没有围压时,煤岩外表面更容易达到塑性屈服状态;围压增大后,煤岩屈服后的塑性强化效果显著,符合幂次强化模型;煤岩的屈服极限也随围压的增大而逐渐增大。     

钻孔水射流冲击煤岩损伤特性模拟研究

钻孔水射流增透技术是当前解决煤层透气性的有效措施,然而目前关于煤层钻孔在水射流冲击作用下的损伤特性问题研究尚不明确;针对该问题,利用非线性显示动力学LS-DYNA软件对射流冲击煤层钻孔损伤破坏过程进行模拟,研究其在不同条件下的损伤特性。结果表明,水射流速度对煤岩钻孔冲击深度有显著影响,射流速度越大,冲击深度越深,在400 m/s水射流速度下,煤岩冲击坑深度超过200 m/s水速度冲击坑深度10倍;围压能够抑制煤岩钻孔冲击范围向深部扩展,随围压持续增加,抑制作用减弱,同时,在围压作用下,煤岩钻孔破坏的有效应力峰值相应增加;水射流直径是决定煤岩破坏范围重要因素,随水射流直径增加,冲击坑沿深部和两侧均有所扩展,同时随水射流直径持续增加受水垫效应影响随之变大,沿深部扩展趋势减缓;钻孔尺寸对煤岩的损伤破坏及裂纹扩展有显著影响,钻孔直径越小,煤岩破碎坑范围越大,同时裂纹扩展形式随钻孔尺寸增加开始由以两侧发展为主的环状裂纹转变为沿深部扩展的纵向裂纹。     

煤岩单轴加载统计损伤本构模型

为了研究煤岩单轴加载过程中的损伤演化规律,对煤岩进行了单轴加载实验,得到了煤岩的应力应变曲线、环向-轴向应变曲线。实验结果表明,煤岩加载过程中环向应变速率随着轴向应变的增加呈现出非线性增加的规律,并在煤岩加载进入软化阶段后达到最大值,它在宏观上反映了煤岩内部裂纹的产生与发展,并与煤岩的损伤演化规律相符。故定义损伤变量为裂纹体积的函数,并假设裂纹体积的增加符合威布尔统计规律,构建了煤岩统计损伤本构模型,通过与实验结果对比,验证了该模型的正确性。     

基于界面模型的煤岩体冲击破坏特性研究

煤岩两体结构是煤岩体发生冲击破坏时的基本结构,采用RFPA数值软件探讨煤岩体中界面倾角与深部开采条件下围压对煤岩体冲击失稳破坏的影响。模拟结果表明:煤岩体的声发射能量特性与抗压强度呈现相同的变化规律,倾角越大,冲击破坏的危险性越低,界面滑移破坏的危险性越高;煤岩体在高地应力大倾角下抗压强度大小主要由围压来决定。煤岩体的破坏模型以45°倾角为界限,分为压剪破坏和界面滑移破坏2种,当α<45°时,煤岩体呈现压剪破坏特征;当α≥45°时,破坏模式转变为以煤岩交界面的滑移破坏为主。     

煤岩体压裂损伤突变演化模型的研究

煤岩与其他普通岩石的力学性能明显不同。为了描述煤岩体压裂岩体突变形成裂缝以及裂缝的扩展问题,基于突变理论定义了损伤变量,并建立了岩体突变过程的能量释放计算模型。基于能量守恒原理,建立了突变后微裂缝扩展的能量方程。通过对黑龙江省鸡西煤矿张晨矿区西三采区煤样在不同压裂阶段缝内流体净压力和微裂缝扩展规律的观察分析,得到由于岩体物性参数不同微裂缝开始破裂的时间也不同,为后续裂缝演化内在混沌特征的研究提供了依据。     

岩石断裂破坏过程中微缺陷量化表达的研究

岩石在断裂破坏过程中微缺陷的定量描述始终是CT图像分析的关键。结合分形理论较为详细地描述了微缺陷量化表达的全过程,同时也探讨了岩石在断裂破碎过程中分形维数的变化规律,为真正掌握岩石破坏机理奠定了基础。     

煤岩损伤能量分析及松弛模型初探

为了研究煤岩动力灾害发生机理,分析了煤岩损伤过程中的能量关系、应力应变变化规律,推导出了损伤演化微分方程。针对应力松弛过程,建立了7参数煤岩松弛理论模型,并与前人实验数据进行拟合分析。结果表明,滑带土模型参数C=2,n=2.6,γ=0.6 MPa,E0=1.7MPa,k=3.6,l=7,j=1.1;粉砂岩的模型参数C=2,n=2,γ=0.41 MPa,E0=19 900 MPa,k=3,l=1.15,j=1.08,实验曲线与理论曲线拟合吻合程度比较高,验证了模型的正确性。     

三维煤岩力电耦合的损伤力学模型研究

在一维煤岩力电耦合的损伤力学模型基础上,建立了三维煤岩力电耦合模型。利用该模型分析了电磁辐射脉冲数、幅值与应力之间的关系,并对煤岩内部结构的围压条件对应力和电磁辐射的影响进行了模拟,最后分析了单轴压缩突然卸载的电磁辐射特征。研究成果应用表明,该模型分析煤岩损伤具有可靠性、先进性。     

岩石损伤统计本构模型及其参数确定的研究

利用连续损伤理论和统计强度理论,建立了完整模拟岩石破裂全过程的损伤统计本构模型。在所建立的损伤统计本构模型的基本方程中,引入岩石应力应变全过程曲线特征参量,并考虑岩石应力应变全过程曲线的几何条件,解决了传统方法求解本构方程中参数的难点,同时提高了精度。基于取自某边坡工程的砂岩所进行的三轴压缩试验实测结果,对所建立的岩石损伤统计本构模型进行了验证,验证了所建的模型是合理的。     

卸载过程中型煤损伤特性研究

基于固定轴向位移卸载围压的卸载力学路径,利用CT扫描试验对塑性较强的型煤进行了卸载过程损伤特性研究,得到了各扫描层CT值、CT损伤及CT图像.结果表明:由于煤样的非均质性及制样误差,同一应力状态下,不同扫描层及相同扫描层距离扫描层中心不同区域CT值存在一定的差异;卸载过程中CT值逐渐减小,随着损伤的逐渐累积,发展到一定阶段时,CT值出现大幅度减小,宏观裂纹出现;卸载初期的CT损伤变化不明显,出现宏观裂纹时,CT损伤大幅度增加;卸载过程中,型煤内部低密度端会出现环状松弛,高密度端出现普通裂纹,同时煤样宏观裂纹首先出现在低密度段且在轴向上呈倒锥形分布,进而向密度相对高的区域发育.试验结果对于理解型煤的渗透特性及工作面瓦斯涌出有很好的指导作用.     

含瓦斯煤体爆破损伤模型研究

含瓦斯煤体是一种复杂的力学介质,瓦斯气体的存在使煤体的物理力学性质发生改变,对煤体的爆破作用具有积极作用。爆破作用下煤体将发生变形并改变瓦斯气体的赋存状态,这都引起煤体的孔隙率发生相应的改变。在Taylor方法的基础上,利用孔隙率定义含瓦斯煤体爆破损伤变量并确定其损伤演化方程,利用有效应力原理建立了含瓦斯煤体动态本构方程和爆破损伤模型。     

霍洛湾煤矿顶板覆岩破坏规律研究

在详细分析霍洛湾煤矿水文地质条件的基础上,根据不同上覆岩层的岩石力学性质参数建立数值模型,运用岩石破裂全过程分析软件RFPA2D,对霍洛湾煤矿22101工作面回采过程中顶板覆岩的破坏过程进行数值模拟研究,得到了煤层顶板由变形到破坏的全过程及其破坏的规律。