煤层钻孔损伤区半径理论研究

煤层瓦斯抽采钻孔塌孔问题严重制约瓦斯抽采效率,进而影响煤矿安全生产。文章基于弹塑性理论,建立了煤体钻孔力学模型,推导了煤体钻孔损伤区半径的解析解,根据5种不同普氏系数煤样的力学测试参数,计算并分析了普氏系数、地应力和侧压系数对钻孔损伤区半径的影响规律,结果表明:钻孔损伤区半径随着煤体普氏系数增大呈负指数减小,随着地应力增大线性增大;侧压系数小于1.0时,水平方向的损伤区半径大于垂直方向损伤区半径,而侧压系数大于1.0时,水平方向的损伤区半径小于垂直方向损伤区半径。此研究将为煤体钻孔损伤区半径的理论预测及防治塌孔而采取必要措施提供理论依据。     

考虑非线性脆性损伤和中间主应力影响的圆形巷道围岩分析

针对岩石的脆性破坏特征及峰后力学性能的劣化损伤,引入非线性脆性损伤本构模型,得到三维连续损伤演化方程。将圆形巷道围岩划分为松动破裂区、脆性损伤区、弹性区,考虑中间主应力的作用,采用统一强度准则和连续损伤力学方法,对巷道围岩力学状态进行极限平衡分析,推导出围岩损伤破裂半径及应力场分布的解析表达式。通过算例,分析了中间主应力、围岩脆性特征和损伤程度对理论解的影响。分析表明:中间主应力作用越大,围岩的损伤破裂半径越小,切向应力峰值距离巷道越近;脆性强弱对围岩应力分布的影响只局限在脆性损伤区内,围岩的脆性越强,损伤破裂半径越大,脆性损伤区内的切向应力随深度的增大而增大;围岩的残余强度越小,松动破裂程度越大,损伤破裂半径越大,切向应力峰值向围岩深部转移。     

非均匀应力场下巷道围岩弹塑性分析

根据岩石材料的变形特性,引入了在实际工程中对巷道围岩具有一定影响的参数,采用岩石应力-应变三线段力学模型,分析了非均匀应力场下圆形巷道围岩弹性区、塑性软化区、塑性残余区的力学形态,推导出了非均匀应力场下圆形巷道弹塑性的理论解。在此基础上给出具体算例,分析了不同的影响因素对巷道围岩的影响。通过实例表明：岩石的侧压系数、应变软化、支护压力对围岩的力学形态、塑性区大小都有很大的影响;随着侧压系数的增加,巷道两帮处的塑性区范围在减小;软化模量的降低可以减小塑性区的半径;支护压力增加也可以减小塑性区半径。了解岩石的侧压系数,控制岩体的软化模量,适时加大支护压力均能有效地控制巷道围岩的稳定性。     

考虑流变特性的两向不等压巷道围岩塑性区近似解

针对巷道围岩受两向不等压地应力作用下的平面应变问题,分析围岩流变特性对其塑性区的影响。深埋巷道围岩因流变的发展而持续变形,其达到稳定后的峰值应力为一定围压下的长期强度。基于此,以皖北恒源煤矿-950 m进风井井底车场巷道为例,通过三轴压缩与蠕变试验测定了巷道岩石的抗压峰值强度、长期强度和残余强度。然后,考虑岩体峰后脆性软化特性将巷道围岩分为弹、塑性区,并从既有文献轴对称应力场塑性区公式出发,结合围岩总荷载不变的规律推导了两向不等压巷道围岩水平(及竖向)轴上的塑性区半径,再结合既有文献求解的塑性区形状,相对准确地给出了两向不等压巷道围岩塑性区边界的近似解。该近似解在不考虑岩体峰后脆性软化时的结果与既有文献给出的相应解析结果完全吻合;并且轴对称应力场圆巷围岩塑性区半径的解析解是该近似解在侧压系数为1时的特例。最后,结合试验数据,就考虑岩体流变特性与否的两种情况进行了对比。结果表明:考虑流变,视岩石长期强度为围岩峰值应力,得到的塑性区范围与工程实际基本吻合;否则围岩仅产生弹性变形,与实际偏差较大。可见,岩体流变特性对围岩塑性区分布具有重要的影响,理论研究及工程实际中,忽视岩体流变特性实则无形中高估了围岩岩性,不利于巷道围岩长期稳定性与安全性的评估。     

煤层钻孔损伤区半径的影响研究

煤层钻孔塌孔等问题制约了瓦斯抽采效率,严重影响着煤矿的安全生产,研究煤体钻孔损伤区半径问题,为解决煤层钻孔抽采的塌孔问题具有重要意义。选取了4种不同硬度的煤样,分别进行单轴压缩、巴西劈裂和坚固性系数测定试验,得到各煤样的基本力学参数。基于此,建立了煤层钻孔力学模型,数值分析了地应力、侧压系数和坚固性系数对煤层钻孔损伤区半径的影响。研究结果表明:随着地应力增大,煤体钻孔损伤区半径竖直方向逐渐减小、水平方向逐渐增大;随着侧压系数增大,竖直方向损伤半径逐渐增大,水平方向逐渐减小;随着煤体坚固性系数增大,钻孔损伤区半径逐渐减小。     

水环境和非均匀地压联合作用下弱胶结软岩巷道围岩稳定性解析

针对高湿环境下弱胶结软岩巷道围岩稳定性问题,建立水环境-非均匀地压联合作用下弱胶结围岩系统力学模型,基于弹性位移势理论和叠加原理,推演水环境和非均匀应力场共同作用下围岩弹性应力公式,然后基于极限平衡法获得塑性区边界的隐函数计算方法,最后详细分析湿度场、侧压系数对围岩主偏应力和塑性区范围的影响.结果 表明:高湿环境下,硐...     

深部围岩遇弱结构瓦斯抽采钻孔失稳分析与成孔方法

针对煤岩长钻孔过泥岩、构造带和软煤层成孔难的实际问题,根据现场实测煤岩力学参数,采用大变形FLAC3D软件对丁集煤矿-910 m水平11-2回风平巷抽采钻孔进行计算机数值模拟,解算出钻孔的应力场、位移场和塑性破坏区变化规律,得到的钻孔围岩二次应力弹、塑性分布特征与理论计算结果完全一致。当侧压系数不等于1时瓦斯钻孔二次应力分布、塑性区、钻孔径向位移不再呈圆环状分布,钻孔顶、底部孔壁位移量约为两侧孔壁位移量的2倍,随着岩体侧压系数的升高,钻孔围岩应力集中程度升高,钻孔径向位移增大,围岩塑性区半径增大,钻孔稳定性降低。随钻孔围岩强度强化区范围的增加,钻孔二次应力影响范围减小,塑性区半径减小,孔壁径向位移减小,钻孔更容易达到稳定平衡状态。基于注浆固化成孔新理论,对丁集煤矿1412（1）工作面巷道抽采钻孔围岩弱结构破坏失稳进行了有效控制,并用工程实例进行了验证。     

基于统一强度理论的非均匀应力场圆形巷道围岩塑性区分析

基于统一强度理论，推导出非均匀应力场的巷道围岩塑性区边界线方程式，可用于预测不同侧压系数时地下深埋隧洞的塑性区大小及形状.当不同程度地考虑中间主应力的影响时，围岩塑性区形状和大小有较大不同，且随水平应力与垂直应力差异性的增大，这种影响趋于明显.     

基于统一强度理论的破裂围岩劣化弹塑性分析

基于深部岩体良好的塑性变形能力和高地应力下瞬时破坏特性,建立了适用深部岩体力学行为的弹塑脆性模型。针对长的圆形巷道,将巷道围岩分成破裂区、理想塑性区和弹性区,同时考虑中间主应力和破裂区围岩弹性模量劣化的影响,采用统一强度理论进行非关联弹塑性分析,获得了围岩应力场和变形场的解析解。并通过补充围岩破坏条件获得了确定围岩破裂半径和塑性半径的解析式。最后结合算例,分析了中间主应力、破裂区围岩弹性模量劣化程度对破裂区范围和围岩变形的影响。     

巷道围岩破碎区分布特征及其影响因素的数值模拟

基于圆形巷道经典松动圈解析解进一步推导了破碎区范围的分布特征,分析了围岩破碎区与巷道断面、侧压系数、埋深等因素的关系,评价了围岩稳定性。研究结果表明:巷道断面形态对围岩破碎区范围的影响较小;侧压系数<1.0时,巷道的两侧易发生失稳破坏;在侧压系数等于1.0时,巷道围岩破碎区分布最为均匀,巷道处于相对稳定的状态;侧压系数>1.0时,巷道顶底板处则较巷道两侧易发生失稳破坏;围岩破碎区范围随着埋深的增加而增大,在埋深为1 500 m时,巷道围岩达到了极限强度,从而认为巷道开挖存在一个极限埋深。     

基于D-P准则巷道围岩力学响应特征分析

基于D-P准则对巷道围岩力学特征进行了不同侧压系数的弹塑性分析,与基于Mobr-Coulomb准则的计算结果进行了对比分析,并对不同侧压系数下巷道围岩开挖后的应力场、位移场、塑性变形区进行了数值模拟研究。结果表明:巷道围岩应力场、位移场、塑性变形区均呈对称性分布;侧压系数λ1时,随着λ的增大,应力峰值、应力集中程度、垂直位移量及垂直位移场的范围逐渐减小,巷道围岩塑性变形区亦逐渐减小。当0.1λ0.5时,巷道围岩应力和位移减小幅度较大,应力和位移对侧压系数的敏感性较大,当0.5λ1时,巷道围岩应力和位移减小幅度较小,应力和位移对侧压系数的敏感性较小。     

基于偏应力场的巷道围岩破坏特征及工程稳定性控制

针对巷道围岩破坏机理及稳定性控制问题,采用岩石力学等相关理论推导了巷道围岩偏应力场的解析解,分析了圆形巷道围岩在不同情况下的分布情况,建立了偏应力场与塑性区分布的本构方程,表明塑性区半径与极坐标的角度和偏应力是密切相关的,可呈不规则分布;结合工程实际,采用数值计算模拟分析了垂直应力大于水平应力时(侧压系数λ=0.4)和水平应力大于垂直应力时(侧压系数λ=1.6)不同应力状态下的巷道围岩偏应力和塑性区演化过程;根据现场调查及塑性区演化特征,提出在不同侧压系数下巷道围岩可形成典型正对称失稳模式和典型角对称失稳模式,并分析了这两种破坏模式的巷道围岩支护误区,以及相应的控制原则与关键技术。结合木孔煤矿和高坑煤矿的工程实践,应用了以"锚杆+锚索"支护为主,以提高两帮稳定性目标的"高强刚桁架"综合支护技术;以及以"关键部位注浆",发挥内、外耦合作用的"锚杆+U型钢+锚索"综合治理方案。工程实践表明,所提出的支护方案分别能对正对称失稳巷道和角对称失稳巷道围岩变形能起到较好的控制效果。     

基于D-P准则巷道围岩力学响应特征分析

基于D-P准则对巷道围岩力学特征进行了不同侧压系数的弹塑性分析,与基于Mobr-Coulomb准则的计算结果进行了对比分析,并对不同侧压系数下巷道围岩开挖后的应力场、位移场、塑性变形区进行了数值模拟研究。结果表明:巷道围岩应力场、位移场、塑性变形区均呈对称性分布;侧压系数λ<1时,随着λ的增大,应力峰值、应力集中程度、垂直位移量及垂直位移场的范围逐渐减小,巷道围岩塑性变形区亦逐渐减小。当0.1<λ<0.5时,巷道围岩应力和位移减小幅度较大,应力和位移对侧压系数的敏感性较大,当0.5<λ<1时,巷道围岩应力和位移减小幅度较小,应力和位移对侧压系数的敏感性较小。     

双向不等压圆形巷道围岩塑性区理论分析及数值模拟

根据弹性力学中圆孔应力解的方法,利用莫尔-库仑强度准则,推导出了双向不等压应力场载荷作用下圆形巷道围岩塑性区的边界方程。从理论分析和数值模拟对比分析的角度出发,分析了侧压系数、围岩岩性、开挖半径对圆形巷道围岩塑性区的影响。结论表明:双向不等压载荷作用下,圆形巷道围岩较大载荷方向的塑性区尺寸小于较小载荷方向的塑性区尺寸;巷道围岩越坚硬塑性区分布范围越小,围岩为软弱岩层时塑性区呈蝶形分布,围岩为坚硬岩层时,塑性区呈椭圆形分布;巷道开挖半径对巷道围岩塑性区分布范围影响较大,同一角度处的塑性区半径随着巷道半径的增加呈线性增加。     

圆形巷道围岩应力场的自然边界元法

根据复变函数法和复Fourier级数法，通过自然边界归化分别得到了圆形巷道在整体平衡支护及局部非平衡支护时围岩内Airy应力函数的边界积分公式，并得到了各自应力场的解析解或数值解；对比分析了这两种应力场随侧压系数或支护角度变化的分布规律，计算表明，局部支护时随着侧压系数或支护角度的增加，压应力峰值下降，使得上覆岩层的稳定性得到提高．     

深部瓦斯抽采钻孔稳定性与成孔控制数值分析

为了提高瓦斯抽采钻孔成孔率,以丁集煤矿11-2回风巷地质条件为背景,采用FLAC3D数值模拟软件和理论分析,研究了抽采钻孔稳定性影响因素,并对成孔控制技术进行了数值分析.研究结果表明,影响钻孔稳定性的因素有:侧压系数、岩体力学强度、初始应力(埋深)、钻孔围压和围岩力学强度;钻孔稳定性随着侧压系数增大、岩体力学强度降低、采深加大和钻孔围岩力学强度减小而降低;抽采负压对钻孔稳定性的影响很小;随着钻孔围压的增大、围岩强度强化区范围的增加,钻孔的二次应力影响范围反而减小,塑性区半径减小,孔壁径向位移减小,钻孔更容易处于稳定平衡状态.     

侧压系数对半圆直墙拱形巷道稳定性的影响

为探究侧压系数对巷道稳定性的影响,利用有限差分数值计算软件研究了应力场中侧压系数对围岩应力场分布、巷道变形和塑性区分布的影响。结果表明,在λ1时,围岩应力集中于巷道两帮,巷道变形不大,塑性区随着λ的增大而减小;在λ1时,围岩应力由两帮向顶底板转移,并且随着λ的增大向围岩深部扩展,顶板变形量远小于底板和侧帮变形,塑性区在顶底板扩大而两帮变化较小;将淮北矿区海孜矿地应力实测结果和巷道变形破坏情况与数值模拟得出的规律进行对比,两者基本一致。     

深部大断面巷硐围岩稳定性评价与布置方式研究

针对深部大断面巷硐围岩变形量大、支护困难等特点,采用FLAC3D数值计算方法,探讨围岩内最大主应力峰值区的时空演化规律,分析最大主应力峰值区对围岩变形破坏的控制作用,提出塑性区发育范围判定与围岩稳定性综合评价的方法。根据地应力场类型、侧压系数、巷硐轴向与最大水平主应力夹角的差异,共设计151种数值模拟方案,研究3类地应力场中构造应力对大断面巷硐围岩稳定性的影响。结果表明:围岩塑性区发育与最大主应力峰值区存在运移一致性,基于边界应力系数K可判定塑性区发育范围,并通过遍历数值计算确定K值为0.96;在σH型应力场中,当λH=λh时,巷硐最优布置角度为30°,当λH≠λh时,巷硐平行于最大水平主应力方向布置最有利于围岩稳定;在σHv型应力场中,巷硐最佳布置角度是与最大水平主应力成0°～15°夹角;在σv型应力场中,当λH=λh时,巷硐无最优布置角度,当λH≠λh时,巷硐布置应遵循最大水平应力理论。     

煤岩塑性软化及扩容特性对钻孔密封性的影响

钻孔密封性是钻孔瓦斯抽采的关键基础之一,而煤岩力学特性对钻孔密封参数的选择及密封效果具有重要影响作用。因此,为准确认识钻孔围岩密封环境并深入分析煤岩塑性软化及扩容特性对钻孔密封性的控制作用,进而为钻孔密封参数的合理选择提供可靠的依据。基于煤岩全应力应变曲线及煤层力学参数,通过引入煤层软化系数k及扩容系数η1和η2,在构建煤岩线弹塑性力学软化"三折线"模型的基础上,依据线性Mohr-Coulomb屈服准则,对钻孔围岩弹性区、塑性软化区及塑性流动区半径、钻孔围岩径向位移以及钻孔围岩理论密封半径等参数进行理论数值解析计算,并对相应解析结果进行对比分析。同时结合钻孔成像技术及钻孔瓦斯抽采浓度数据监测等手段,综合分析塑性软化及扩容特性对煤层钻孔密封性的影响作用。研究结果表明,与理想弹塑性模型(Kastner)解相比,受塑性软化及扩容特性共同作用下的煤层钻孔围岩径向位移及理论密封半径分别增加12. 93倍和2. 60倍,且在构造煤层区域内钻孔缩径现象明显。在钻孔密封参数及密封材料相同的条件下,缩径现象明显的钻孔内初始平均抽采瓦斯体积分数较相邻完整钻孔降低59%,在29 d考察期内平均抽采体积分数同比降低64. 92%,瓦斯体积分数衰减率同比增加3倍。因此,塑性软化及扩容效应是造成钻孔初始密封性降低及后期抽采瓦斯衰减的主要原因之一,而采用Kastner方程求解获得的煤层钻孔围岩理论渗透半径及注浆压力等参数并不合理;同时,钻孔密封参数需应根据钻孔围岩特性进行区别选择。     

两向不等压巷道围岩塑性区解析的评估与改进

以侧压系数为１的特例为基准，将依据近似隐式法得到的围岩塑性区半径与基于成熟轴 对称平面应变理论的相应解析解进行对比，发现前者存在较大理论误差。 为改进近似隐式法的 这一不足，从已有围岩水平轴上塑性区半径的估算方法出发，以轴对称应力场塑性区公式和总线 荷载集度不变的假定为基础，推导了两向不等压巷道围岩竖向（或水平）轴上塑性区半径的近似 解；然后结合近似隐式法求解的塑性区形状，相对准确地确定了两向不等压巷道围岩的塑性区范 围。 该算法不仅消除了近似隐式法在侧压系数为１时的理论误差，还克服了原估算法导致等压 时围岩弹塑性交界线处径向应力为０的理论缺陷，是一种相对合理且准确的两向不等压巷道围 岩塑性区范围的估算方法。