煤系砂岩真三轴试验及细观模拟研究

研究真三轴应力状态下岩石变形破坏特征及其机理,对于深地工程研究有着极高的指导价值与现实意义,结合室内真三轴试验,通过颗粒流离散元程序PFC~(3D)对真三轴应力状态下岩石的变形破坏过程进行了细观数值计算分析。研究发现:随着中间主应力的增加,煤系砂岩强度呈先增加后减小的趋势,对比数值模拟结果则为随着中间主应力的增加,拉黏结破坏百分比呈先减小后增大的趋势。岩石破坏是由其内部大量微裂纹拉伸扩展连接所引起的,往往剪切裂纹出现伴随有大量的张拉裂纹;同时总黏结破坏数曲线拐点的变化说明,中间主应力在真三轴试验条件下对岩石的破坏先起保护作用随后起加剧破坏作用。     

真三轴条件下砂岩强度、变形及破坏特征试验研究

研究真三轴应力状态下岩石强度、变形及破坏模式对于科学准确地预测和评价地下岩石工程稳定性具有重要的意义。通过自主研制的真三轴电液伺服控制系统开展一系列砂岩真三轴加载试验,结合CT扫描技术,系统研究了不同中间主应力影响下砂岩强度、变形及破裂特征。研究发现:随着中间主应力的增加,砂岩强度呈先增加后减小的趋势;中间主应力的增加促使该加载方向变形逐渐受到抑制,侧向膨胀主要沿最小主应力加载方向,并出现先减小后明显加快的趋势,中间主应力由对岩石的保护作用逐渐演变为损伤作用;真三轴条件下,岩样内部出现两条规则的破裂面,裂纹面沿着σ2方向,倾向于σ3方向,整体破裂形态较规整,岩样破裂面表面积随中间主应力的增加呈先减小后增加的趋势。本文研究成果对于更深入的理解真三轴条件下砂岩力学行为及破坏特征有一定的意义。     

真三轴卸荷条件下砂岩力学特性和剪切变形带预测模型

中间主应力和卸载作用对岩石剪切破坏特性具有重要影响。基于多功能真三轴流固耦合试验系统，开展不同中间主应力条件下砂岩加载和卸载破坏试验，分析其变形特征和强度特性，通过建立本构关系和剪切变形带角度预测模型，研究2者对剪切变形带角度的影响规律。试验结果表明：随着中间主应力增加，岩样峰值处偏剪切应力增加，且卸载条件下增幅较小；岩样最大压缩点呈现先增加后趋于稳定的趋势，达到最大压缩点后，加载条件下岩样体积应变由膨胀逐渐变为压缩，而卸载条件下均呈膨胀趋势。随着中间主应力增加，岩样偏剪切应变陡增，卸载条件下陡增提前。在峰值处，卸载条件下应力Lode角和应变Lode角均比加载条件下的大，且2个条件下2类Lode角的差值随中间主应力增加而增大。中间主应力和卸载作用可以通过应力Lode角反映岩石屈服特性，通过应变Lode角反映岩石内部裂隙演化方向。采用等效塑性应变表征内摩擦角和剪胀角，建立由三应力不变量构成的硬化本构关系；引入相关流动法则，构建剪切变形带角度预测模型。对比试验值，发现模型预测效果良好。随着中间主应力增加，变形带角度先减小随后趋于稳定；而卸载作用会减小变形带角度，并受中间主应力影响，角度减小...     

中间主应力影响下含瓦斯复合煤岩体变形渗流及能量演化特征研究

深部环境中,复合煤岩体处于三向不等应力状态,中间主应力的存在对煤岩体变形、强度特性及能量演化特征有着重要影响。本文利用真三轴气固耦合煤岩渗流试验装置,开展了不同中间主应力条件下含瓦斯复合煤岩体变形-渗流试验研究。结果表明：(1)随着中间主应力的增大,当达到峰值强度时,试件最大主应力方向应变呈现先增大后减小的变化,中间主应力方向应变和最小主应力方向应变之间的差值越来越大;(2)低中间主应力下试件中间主应力方向呈现出膨胀变形,中间主应力较大时,ε₂-Δσ曲线达到峰值后发生回弹,中间主应力方向最终表现为压缩变形;(3)随着中间主应力的增大,试件相对渗透率系数谷值降低,相对渗透率系数曲线峰值拐点与ε₁-Δσ曲线的拐点一致;(4)达到应力峰值时,试件总输入能量先增大后减小,与试件强度变化趋势类似,弹性应变能先增大后减小,耗散能持续增大,U_e/U先升高后降低,U_d/U先降低后升高。     

中间主应力对煤岩力学与声发射特征的影响

为了研究煤矿因开挖而引起的安全问题,通过自主研发的地声过程模拟试验系统开展不同中间主应力条件下煤岩的真三轴加、卸载试验,并利用声发射探测系统记录煤岩在加、卸载过程中的损伤演化规律。结果表明:在真三轴卸载试验中,随着中间主应力增大,煤岩的破坏状态由剪切破坏转为局部剪切的张拉破坏再到整体屈服破坏;应力-应变曲线中,随着中间主应力的增大,中间主应力方向的应变由压缩逐渐变为扩张,体积应变由收缩转为扩容;Mogi-coulomb强度准则能较好反映煤岩在卸载时的强度破坏特征;应力差-声发射曲线图中,中间主应力增大使煤岩在加载阶段内部裂隙呈非稳定指数型增长且使煤岩在卸载完成阶段不再具备承载能力。     

中间主应力对砂岩扩容及强度特性影响

基于自主研发的"多功能真三轴流固耦合试验系统",进行了真三轴应力(σ1﹥σ2﹥σ3)条件下,保持体应力不变、改变中主应力系数的砂岩强度试验,探讨了不同中主应力系数条件下砂岩的变形、强度及剪切破坏特性。试验结果表明:在真三轴应力条件下,扩容起点随中主应力系数b的增大而呈递减趋势。应力加载过程中扩容存在明显的阶段性:随最大主应力的增加,稳定压缩段,体应变近似呈线性递增趋势;加速扩容段,体应变近似呈二次函数增大,且应变速率呈线性增大。保持体应力不变条件下,砂岩峰值强度随中主应力系数b的增大而逐渐降低,符合修正Lade准则。试验应力条件下,岩样主要发生双斜面对称剪切破坏,剪切破坏面倾角随b的增加呈线性增大。     

底板硬岩多轴条件下的力学特性和冲击倾向性

为研究深部煤矿顶底板围岩在高应力下的冲击危险性,以跃进煤矿为工程背景,取自23092工作面的底板硬岩作为试验对象,应用真三轴试验机进行了一系列多轴(常规三轴和真三轴)条件下的压缩力学特性试验,部分试验还同步了破坏过程声发射信号测量。借助光学显微镜和场发射扫描电镜辅助分析试样微观特性表征。多轴压缩力学试验表明23092工作面底板硬岩具有明显弹脆性变形破坏行为,底板硬岩在单轴压缩情况下的脆性程度最高,中间主应力与脆性破坏指数负相关。最小主应力恒定时,中间主应力增加情况下的岩样的全应力-应变曲线、宏观破坏模式、岩样破裂角、脆性指数以及破坏岩样的SEM图像的变化特征均表明底板硬岩的脆性破坏特征与应力状态有关,即中间主应力增加促进其脆性破坏行为。底板硬岩在多轴应力状态下表现出峰值强度较大离散性,这与成岩过程中软弱矿物夹杂汇聚造成的岩石均质性差异有关。底板硬岩的冲击倾向性受真三向应力状态影响,最小主应力接近零的巷道底板表层附近硬岩表现为无或弱冲击危险性,但在中间主应力较高的深层硬岩则表现强冲击危险性,且随中间主应力增加而增强。多轴条件下压缩破坏的声发射信号具有前兆释放性,声发射信号伴随峰后多阶段破裂显著增强。     

中间主应力对深部硬岩三轴卸荷破坏及能量特征影响分析

为分析不同中间主应力对岩爆的影响,采用单面临空-五面受力的方式对深部花岗岩试件岩爆过程进行真三轴试验,对岩爆试件破坏特征、岩爆碎块粒径分布特点和岩石能量演化特性进行研究。结果表明,随着中间主应力的增大,首次出现颗粒弹射现象的时间点后延,而岩爆过程持续时间也相应变长;在中间主应力为10～40 MPa时出现岩爆坑,多表现为"V"型特征。岩爆坑尺寸和碎屑质量随中间主应力的增大而增大,岩石碎屑质量微粒与细粒所占百分比呈上升趋势,粗粒呈下降趋势;在岩爆试验过程中,中间主应力的增大使得岩石在峰值前试件岩爆破坏过程释放的能量增多。岩石在峰值应力处的总能量U、弹性应变能U^e、耗散能U^d与耗散能比例U^d/U随中间主应力的增大而增大。研究成果为进一步探讨深部三向应力环境下硬岩岩爆机理提供参考依据。     

真三轴应力条件下钻孔围岩稳定性及塑性区特性

为探究中间主应力对预制孔岩石力学性质的影响,基于自主研发的"多功能真三轴流固耦合试验系统",进行了等b等σ3试验。试验结果表明:主应力方向、中间主应力对岩石变形和强度特性均有较大影响。裂纹特征应力值随中主应力系数b的增加呈现先增大后减小的趋势;裂纹主要在垂直孔轴线方向发育并首先在较小的主应力方向发生破坏。几种条件下试样的强度均随中主应力系数的增大而先增大后减小。其中,最大主应力平行于孔轴线时强度最高,稳定性最好;在中主应力系数b较小时,中间主应力平行于孔轴线时强度最低,而b较大时孔轴线沿最小主应力时强度最低。基于广义平面应变理论,分析了中间主应力对孔周围塑性区的影响。     

真三轴应力条件下加卸荷速率对砂岩力学特性与能量特征的影响

为了更准确地认识真三轴应力条件下加卸荷速率对岩石力学特性与能量特征的影响规律,利用自主研发的“多功能真三轴流固耦合试验系统”开展了砂岩真三轴加卸荷力学特性试验,实现了最小主应力方向上的单面卸荷,模拟实际围岩应力演化过程。试验结果表明：随着卸荷速率的增大,砂岩破坏时的最大主应力、最大主应变、最小主应变和体积应变均减小、中间主应变增大,扩容起始点提前,岩样破坏模式逐渐由剪切破坏转为张拉破裂,且张性裂纹多集中于卸荷面附近。加载速率的增大,砂岩破坏时的最大主应力、最大主应变、最小主应变和体积应变增大,扩容起始点滞后,岩样破坏模式逐渐由张剪破坏转向剪切破坏,产生非贯通性裂纹。引入应变偏应力柔量分析不同加卸荷速率下砂岩变形规律,最小主应变和体积应变的偏应力敏感性与卸荷速率呈正相关,最大主应变的偏应力敏感性与加载速率呈正相关。此外,岩石在峰值应力前能量演化有明显的阶段性,峰前吸收的能量大多以可释放弹性应变能的形式存储,耗散能在峰后超过弹性应变能。耗散能比例Ud/U随着最大主应变的增加呈现出先增后降再增的趋势,峰值应力时Ud/U随着卸荷速率的增大而减小,随着加载速率的增大而增大。达到峰值应力时,岩石吸收的总能量U、弹性应变能Ue、耗散能Ud和相应的应变能增量与时间间隔的比值u均随着卸荷速率的增大而减小,随着加荷速率的增大而增大。     

真三轴加卸载应力路径对原煤力学特性及渗透率影响

深部煤炭资源开采过程中,由于地应力和工程扰动的影响,煤岩体常处于三向不等压的真三轴应力状态(σ1>σ2>σ3),而采用常规三轴(σ1>σ2=σ3)的加载应力路径难以反映煤岩体的实际受力状态。为此,利用自行研制的“多功能真三轴流固耦合试验系统”,研究了真三轴加卸载应力路径下原煤力学特性及渗透率演化规律。结果表明:真三轴加卸载应力路径对原煤的变形、强度特性及渗透率演化规律有重要影响。与CCT加载应力路径相比,LUT,LUUT应力路径下原煤峰值强度降低;真三轴加卸载应力路径下原煤八面体剪应力与有效平均正应力之间存在线性关系。真三轴加卸载应力路径下的原煤破坏方式均为拉-剪复合破坏。此外,真三轴加卸载应力路径对原煤渗透率演化规律有显著影响。     

真三轴条件下砂岩渐进破坏力学行为试验研究

借助于多功能真三轴流固耦合试验系统,基于深部初始高地应力状态还原思路,对砂岩进行了不同应力路径、不同模拟深度下的真三轴正交力学试验,获得了真三轴不同工况下砂岩变形全过程应力-应变曲线,深入分析了砂岩在Z,Y,X三个方向上的渐进变形演化规律,表征了真三轴条件下砂岩渐进破坏力学行为演化特征,较好地反映了与之相对应的深部矿井巷道开挖后围岩的渐进变形演化特征及其渐进破坏力学机制。研究结果表明:①同一应力路径、不同模拟深度下的砂岩峰值强度随模拟深度的增加而不断增大,这表明深部效应对砂岩强度演化规律存在显著影响;②同一模拟深度、不同应力路径下的砂岩Z向主应变随Z向主应力的增大而不断增加,X向主应变却是随Z向主应力的增大而不断减小,这表明应力加载路径是影响砂岩X方向与Z方向渐进变形破坏机制的一大因素;③路径2与路径3下的砂岩Y向主应变均是随着模拟深度的增加而不断增大,而路径1下的砂岩Y向主应变却是随着模拟深度的增加呈现出先增大后减小的渐变规律,这说明应力卸载程度会显著影响砂岩Y方向的渐进变形特征。另外,不同应力路径下的砂岩X向主应变均是随着模拟深度的增加而不断增大,深部效应显著。     

南方复杂条件下的薄煤层开采巷道围岩支护问题及对策

针对复杂地质条件下南方薄煤层开采巷道出现的大变形与控制等问题,开展了一系列现场调查、理论分析和试验等研究。首先,分析了南方煤层地质条件、巷道变形特点和支护中存在的突出问题,同时进行了大量巷道变形的现场调研;然后,研究了薄煤层巷道变形破坏的影响因素和作用机理,主要体现在泥质岩类的物化膨胀与裂隙扩容、半煤岩巷道接触面滑移、水平构造应力挤压、工程扰动偏应力影响和高瓦斯孔隙压力弱化作用等;最后,阐明了复杂条件下薄煤层开采巷道的控制原理,强调应重视发挥巷道深部稳定岩体的承载能力,增强巷道围岩侧向支护作用,实现高阻让压和改善巷道围岩的整体力学强度等。提出了高强度自动让压桁架锚索支护系统和叠加拱“长、短”密集锚索支护技术,并分别进行了软弱半煤岩巷道的返修控制和松散煤岩体巷道支护技术的现场试验研究。监测表明,支护后的巷道围岩变形量都在可控范围之内,满足生产要求。     

深部沿空巷道围岩主应力差演化规律与控制

针对千米深井沿空巷道围岩控制难题,以邢东矿2122运输巷为研究对象,采用FLAC3D模拟埋深550～1 250 m时巷道围岩主应力差与塑性区响应特征以及两帮主应力差演化规律。结果表明：① 沿空巷道顶板与实体煤帮主应力差由浅到深均呈先增高后降低至趋稳的趋势,煤柱帮主应力差呈山峰型对称分布;② 在埋深增加过程中,沿空巷道顶板和实体煤帮浅部主应力差敏感性度较小,进入中深部后变化较大;③ 随着埋深增加,两帮剪切、拉伸破坏区逐渐呈扇形分布并向深部扩展,且采空侧范围略大于巷道侧;④ 深部高应力和煤柱帮被主应力差长时间破坏使得实体煤帮主应力差峰值明显高于煤柱帮。基于此提出采用高预应力、强力支护系统进行深部沿空巷道围岩控制,并结合数值模拟研究结果确定了关键参数,现场实践表明,支护效果良好,实现了深部5 m宽煤柱沿空巷道围岩的有效控制。     

大倾角大采高煤矸互层顶板失稳规律及对支架的影响

为研究大倾角大采高煤矸互层顶板失稳规律及对支架的影响,以新疆焦煤集团2130煤矿25213工作面为研究对象,采用物理相似模拟实验、Rhino+Kubrix+FLAC 3D相结合的数值模拟及现场实测的方法,深入分析了大倾角大采高工作面不同夹矸层数、厚度下煤矸互层顶板失稳规律与顶板-支架相互作用特征。结果表明,煤矸互层顶板破坏是由于倾斜中部、靠近支架的煤线先产生局部压剪破坏,随之向附近软煤夹层、夹矸扩展,导致顶板非均衡破坏,诱发架前冒顶、煤壁片帮等现象。大倾角大采高煤矸互层顶板工作面支架工作阻力、顶板最大主应力及顶板变形均呈明显的非对称性,且随着夹矸层数增加,支架上方煤矸顶板集中应力影响范围、围岩变形影响范围及塑性破坏范围均有所增大。煤矸互层顶板支架与围岩有顶板与支架正接触、破断顶板作用于支架掩护梁、架间相互作用等3种作用特征。较一般顶板的大倾角工作面,煤矸互层顶板对支架作用力明显减小,支架工作阻力整体呈倾斜中、下部大于上部的特征;支架非对称受载表现为前柱侧向载荷大于后柱,但随夹矸厚度的增加,顶梁受载程度趋于均布化。结合研究结果,提出了缩短空顶时间、分区域控制、超前预爆破及工作面实时矿压监测等一系列大倾角大采高煤矸互层顶板稳定性控制措施,其中,重点控制工作面倾斜中部煤矸互层顶板的稳定性,来保证工作面的安全高效生产。     

深部厚顶煤巷道围岩稳定性相似模型试验研究

针对深部厚顶煤巷道围岩控制难题,采用相似模型试验方法,分析了埋深、构造应力等因素对厚顶煤巷道围岩变形、围岩应力及支护结构的影响,揭示了厚顶煤巷道围岩稳定性规律:随着埋深增大,两帮及顶煤内应力峰值增大,围岩变形破坏程度增大;随着构造应力增大,围岩变形破坏程度增大,构造应力对顶煤稳定性影响显著,顶煤水平应力呈现出"两端低、中部高"分布形态,且应力峰值位置随构造应力增大向深部转移,下位顶煤、煤层与顶板交界面附近的顶煤破坏严重,最终发生"尖顶型"垮冒;顶板锚杆和穿过煤岩层交界面的锚索易被剪断。对于深部构造应力作用下的厚顶煤巷道,认为提高顶煤锚固体的抗剪能力尤为重要,提出采用"高强高预紧力锚杆及斜拉锚索梁"支护技术,以此增强厚顶煤锚固体的抗剪能力、提高两帮承载能力,顶煤和两帮稳定性的提高则有助于减小底臌量。研究成果成功应用于工程实践。