深部煤岩组合体整体破坏的非线性模型研究

煤是一种复杂的地质体,其内部具有大量的微裂隙及孔隙。煤岩组合体中,岩石为较硬的部分,煤及其内部微裂隙、孔隙及岩-煤之间的界面共同组成较软的部分。根据工程应变和自然应变(真实应变),建立了表征煤岩组合体的非线性理论模型。该理论模型与煤岩组合体的单轴压缩试验数据吻合度较好。对该理论模型进行简化并对参数进行了讨论,发现参数a约等于1;参数b、参数c与煤样尺寸、弹性模量有关,参数b越大,非线性段逐渐延长,且增大速率基本保持不变;参数c越大,非线性段同样逐渐增长,但是增大速率逐渐减小,并且随着轴向荷载的增加,线性段逐渐重合。     

煤岩组合体破坏失稳及能量演化规律

:为了研究煤岩组合体受载失稳和能量积聚及其演化规律,基于 COMSOL数值模拟软件构建了煤 岩和煤 岩 煤组合体、岩 煤 岩组合体模型,并进行单轴压缩试验.结果表明:相同加载条件下,组合体中煤组分占比越大,抗压强度极限越小;组合体积聚的能量转化为内部弹性应变能和损伤耗散能,释放的弹性应变能是导致煤岩体发生破坏的内在因素;单轴压缩作用在煤组分和岩石组分上的应力相等,最大应力均为该组合体的抗压强度σ,组合体内部能量主要积聚在煤组分中,该组分是导致组合体发生变形破坏的能量积聚载体.研究结果可以为降低含夹矸煤层稳定性,提高顶煤回收率提供理论依据.     

煤岩破坏裂纹演化特征及本构模型研究

本文借助细观颗粒流PFC2D软件平台探讨了煤岩损伤破坏过程中裂纹演化特征,基于裂纹特征分析了煤岩损伤演化本构模型。研究结果表明:在煤岩损伤各阶段,裂纹的扩展演化过程不同,裂纹的出现主要集中于峰值前后的阶段。基于裂纹参量特征的煤岩单轴压缩损伤本构方程拟合的应力-应变曲线与实际数值曲线具有良好的一致性。     

煤岩组合体峰后卸加载力学特性及支护作用机理

为深入研究煤岩组合体的峰后卸加载力学特性,采用PFC(Particle Flow Code)数值模拟软件对其进行了模拟试验,分析了不同卸载应力水平、卸载速率和支护方案对其强度、弹性模量、峰值轴向应变、冲击能量指数及声发射等特征的影响。结果表明：煤岩组合体在峰后阶段已经产生损伤,其峰后卸加载强度、弹性模量、冲击能量指数和最大声发射撞击计数均低于峰前常规单轴压缩的结果。在相同的卸载速率下,峰后卸载应力水平越高,煤岩组合体峰后卸加载强度越高。卸载速率对煤岩组合体峰后卸加载有整体强化和局部弱化两方面的作用。在相同峰后卸载应力水平条件下,随卸载速率的增加,煤岩组合体峰后卸加载强度呈“先增大、后减小”的演化特征。支护能够显著提高破碎煤岩组合体的强度和弹性模量,但只有稳定的支护方式才能够有效降低其冲击能量指数。为提高破碎煤岩体的稳定性和降低冲击风险,应当选择具有高强度、高可靠性和大变形能力的支护系统并增加护表面积。工程示例证明研究成果对现场工程实践具有指导意义。     

单轴压缩下不同煤岩组合体峰前、峰后变形能变化规律研究

为探讨不同煤岩组合形式、不同组合单元对组合体峰前、峰后变形能影响,分别对不同比例条件下的组合体进行单轴压缩实验。结果表明,细砂岩-粗砂岩-煤组合体比细砂岩-煤-粗砂岩组合体峰前、峰后变形能变化大;组合单元满足一定高度比例下,组合体峰积聚变形能或峰后消耗的变形能存在最大值。同一类型不同比例的组合体,在粗砂岩、细砂岩所占高度比相等,并在20%、25%、33%、40%、50%、60%间变化。各对应高度比下组合单元煤所占高度比相等条件下,细砂岩-煤-粗砂岩组合体,细砂岩所占高度比是决定组合体峰前积聚变形能的主要因素,峰后消耗的变形能受细砂岩、粗砂岩所占高度比交替影响;细砂岩-粗砂岩-煤组合体,峰前积聚变形能受细砂岩、粗砂岩所占高度比交替影响,粗砂岩所占高度比是决定组合体峰后消耗变形能的主要因素。该结果为峻德煤矿井下开采设计及开采过程中的冲击地压防治研究提供了参考。     

非均质结构含量对煤岩组合体强度及破坏特征的影响

为研究非均质结构含量对煤岩组合体强度及破坏演化特征的影响,基于离散元软件,建立了不同非均质结构含量的煤岩组合体模型,考虑非均质结构含量为10%、30%、50%、70%和90%这5种方案,对煤岩组合体的强度特征、裂纹发育扩展过程进行了研究,分析了其影响机理。结果表明：随非均质结构含量的增加,煤岩组合体强度参数整体呈下降趋势,煤岩组合体声发射平静期范围呈先减小后增大趋势,声发射骤增期呈上升趋势;非均质结构与煤岩颗粒的属性差异导致了局部应力集中;非均质结构含量变化决定了试样强度特征和最终破坏模式,随非均质结构含量增加,煤岩和非均质结构中的主要承载结构由煤岩转变为非均质结构。     

非均质结构对煤岩组合体强度及破坏特征影响的离散元研究北大核心

煤柱中赋存的非均质结构往往会影响工作面的安全生产,为研究非均质结构对煤岩组合体强度及破坏演化特征的影响,基于离散元软件,建立了含有随机分布非均质结构的煤岩组合体模型,考虑非均质结构强度为煤体结构的25%、50%、200%和400%,对含非均质结构煤岩组合体的强度特征、裂纹发育扩展过程进行了研究,分析了其影响机理。结果表明:煤岩组合体峰值强度和弹性模量随非均质结构强度的增加而增加,峰值应变和起裂应力随非均质结构与煤体结构强度差的增加而逐渐减小;煤岩组合体应力场受非均质结构分布形态影响,应力集中区往往出现在2类结构中强度较高的区域,并以2类结构交界为边界;在加载过程中,微裂纹首先出现在强度较弱的结构中,并在弱属性结构内部发育扩展;导致试样破坏的贯通裂隙形态取决于弱属性结构的分布特征。     

围压效应下煤岩组合体破坏与裂纹发育的细观模拟

为研究不同围压下煤岩组合体破坏和裂纹发育的特征及两者的关系,利用PFC2D对组合体进行了不同围压下的模拟研究。结果表明,随着围压的升高,组合体破坏由脆性转为延性;破坏前剪切裂纹的快速发育是脆性转延性破坏的直接原因;不同围压下煤岩组合体以煤体剪切破坏为主,破坏前剪切裂纹在张拉裂隙面附近快速扩展、发育,占据主导地位,导致了组合体的剪切破坏。     

刨煤机刨削煤岩本构模型建立与试验验证

针对实验测试所用假煤岩的基本特性,修正了现有的本构模型,研究了本构单元在变形过程中经历的线弹性变形、蠕变、塑性屈服、硬化以及最后脆性崩裂的几个阶段,建立了适用于模拟煤壁刨削实验的煤岩损伤本构模型;观察在煤的单轴压缩实验条件下煤岩试样的破坏历程,将实验结果与建立的损伤本构模型进行对比验证。     

卸载条件下煤岩组合体的裂纹张开效应研究

利用MTS 815试验机对深部煤岩组合体进行分级循环加卸载试验,研究了卸载过程中煤岩组合体轴向裂纹的张开效应,得出其轴向裂纹闭合应力(应变)和张开应力(应变)。研究结果表明:随着循环次数的增加,加载和卸载过程中煤岩组合体的裂纹闭合应力(应变)和张开应力(应变)具有增大的趋势;由于分级荷载的逐步增加,煤岩组合体产生新的裂纹,轴向裂纹闭合应变差、轴向裂纹张开应变差、轴向裂纹应力差随循环次数增大而增大;推导出轴向裂纹张开模型,并利用试验数据进行验证,模型理论值与试验值较为吻合,能有效描述卸载条件下轴向裂纹张开效应。     

不同围压作用下煤-岩组合体破坏行为及强度特征

通过MTS815试验机对钱家营矿煤-岩组合体进行常规三轴压缩试验。研究表明:围压作用下煤-岩组合体压密阶段较短,具有明显的线弹性及塑性屈服阶段,且随着围压的增大,峰后延性特征明显;根据峰值应变、弹性模量、破断角、强度的变化规律,10~15 MPa为组合体变形减缓的临界区间;煤样破坏主要以单斜面剪切破坏为主,并且个别岩体部分产生与煤样一致的剪切面,破断角处于14.1°~38.8°,均值为26.84°与理论破断角28.31°相差不大;随着围压的增大,残余强度有增高趋势,岩石强度衰减系数与之相反。围压从0~5 MPa,强度衰减系数降幅最大,体现出对围压的敏感性,随后围压继续升高,强度衰减系数呈线性递减;利用Hoek-Brown和广义HoekBrown准则对煤-岩组合体强度进行分析,讨论了适用于煤-岩组合体的参数m,s值。     

低加载率范围内煤岩组合体冲击倾向性的率效应试验研究

以煤岩组合体为研究对象,进行4种不同量级下的低加载率(10-3~100MPa/s)单轴压缩试验,以抗压强度、弹性模量、冲击能量指数、弹性能量指数、归一化动态破坏时间为参量,考察加载率对煤岩组合体冲击倾向性的影响。研究结果表明:随着加载率的提高,煤岩组合体的承载失效结构由煤体转化为煤岩组合体,并存在明显的临界加载率现象。煤岩组合体的抗压强度和弹性模量在临界加载率以下保持在较低值,在临界加载率以上保持在较高值;冲击能量指数随着加载率的提高先增加后减小,在临界加载率附近出现最大值;弹性能量指数随着加载率增加而提高;修正动态破坏时间在临界加载率之前降低幅度较快,在临界加载率之后缓慢下降然后趋于平稳;综合判断煤岩组合体的冲击倾向性随加载率的增加划分为两个比较明显的水平,并且在临界加载率附近表现出较为明显的冲击倾向性突变。临界加载率效应可为现场条件下确定合适的工作面推进速度提供参考。     

组合方式对煤岩组合体力学特性和破坏特征影响的试验研究

为探讨组合方式对煤岩组合体力学特性和破坏特征的影响,利用MTS815岩石力学试验系统,分别对岩-煤-岩(YMY)、岩-煤(YM)及煤-岩(MY)3种组合方式试件进行了单轴压缩和三轴压缩试验研究。试验结果表明,组合体试件破坏主要集中在其煤体部分,而与组合和加载接触方式无关;煤体部分损伤发展和破坏程度的加剧,在一定程度上会诱导岩体出现损伤和发生破坏。单轴加载条件下,3种组合方式均表现为以煤体部分拉张破坏为主的破坏特征,YMY组合的平均抗压强度为40.03 MPa,分别是YM和MY组合方式对应平均值的1.80和1.53倍;三轴加载条件下,均表现为以煤体部分剪切破坏为主的破坏特征;随围压压力增加,各组合方式三轴抗压强度平均值逐渐趋近。     

复合煤岩变形破裂应力-电荷-温度耦合模型研究

为探究复合煤岩力学性质与电荷、温度信号内在联系,从大同忻州窑矿具有典型煤岩动力灾害特征煤层,提取顶板岩、煤样、底板岩按照1∶1∶1比例制备复合煤岩试样,采用0.1,0.3,1.0 mm/min三种不同加载速率对煤岩试样进行单轴加载破裂实验,研究复合煤岩试样单轴加载变形破裂过程中电磁、电荷、温度信号变化规律。试验结果表明:电磁辐射脉冲、电荷感应、温度在复合煤岩试样失稳破坏前均出现明显的前兆变化特征;加载初期电磁辐射、电荷感应信号较弱,随着加载应力水平的增加,两个信号逐渐增强,在临近峰值应力前信号达到最强,具有较强的一致性,两者呈二次相关性,系数在0.8以上;相对于电磁辐射信号变化特征,电荷感应信号的持续时间较短,信号特征为阵发性的,当以0.1 mm/min速率加载时,电荷感应信号最强,0.3,1.0 mm/min速率加载时信号变化率随加载速率增大而增大;温度总体呈阶跃式、台阶式上升趋势,在峰值前达到最大值。结合复合煤岩破裂SET(stress-electricity-thermal)耦合模型,推导电磁辐射脉冲数与电荷感应电压之间的数学关系,构建了SCT(stress-charge-thermal)耦合模型。针对12组试样进行试验,数据拟合结果表明:SCT模型参数n,b′的数据拟合精度较SET耦合模型m,b稍高,复相关系数基本均在0.9以上,具有较高契合度。试样产生的电磁辐射、电荷感应及温度变化与自由电荷、内部微破裂、摩擦等因素有关。在煤矿现场电荷感应检测受干扰相对于电磁辐射要小很多,故可考虑采用SCT耦合模型对煤岩动力灾害进行预测预报。     

受载复合煤岩变形破裂力电热耦合模型

采用自主研制的电磁辐射信号采集系统、高精度红外热成像仪分别采集由顶板岩、煤层、底板岩组成的复合煤岩受载破裂产生的电磁辐射、红外辐射温度信号。对复合煤岩的弹性模量与温度变化规律进行研究。结合热损伤、力电耦合模型,提出复合损伤因子,建立了受载复合煤岩破裂力电热耦合模型。对试样测试的数据进行拟合,分别采用力电耦合模型、力电热耦合模型对测试的试样模型参数m进行拟合。研究结果表明,复合煤岩的弹性模量和温度呈负相关关系,复相关系数在0.9以上。建立的新模型参数复相关系数比力电耦合模型有一定提高,结果表明考虑热损伤对模型修正后,模型精确度得到提高。     

动静加载下组合煤岩破坏失稳的突变模型和混沌机制

为进一步加深对动载诱发冲击地压机理的认识,采用时效损伤本构模型与尖点突变理论相结合,得到了一维动静加载下煤岩组合系统的破坏判据、突跳位移以及释放总能量的数学表达式。并建立一维动静载下煤岩组合系统的非线性动力学模型,发现外载能量与系统自身固有能量之间的相互作用导致模型的演化过程呈阶段性并出现混沌现象;当组合系统本身的非线性作用与外部载荷的作用能力相当时,系统的演化进入混沌阶段。由此得出,井下煤岩体结构与动静载荷之间的相互作用是影响动载诱发冲击地压演化过程的关键。最后,对理论结果进行一维动静加载试验验证,表明理论和试验值吻合较好。     

深部煤体非线性蠕变本构模型及实验研究

深部煤体蠕变规律研究对控制巷道围岩变形,预防煤与瓦斯突出及改善瓦斯抽采效果具有重要意义。基于分数阶导数流变模型,推导出煤体三维应力条件下非线性蠕变本构方程。考虑深部煤体赋存的高应力环境及应力变化路径,进行了三向应力状态下轴压恒定、分级卸围压的煤体蠕变实验。实验结果表明:在三向高应力状态下,试件的轴向和环向应变表现为初始蠕变和稳态蠕变,最终出现加速蠕变阶段;在相同差应力条件下,煤体蠕变变形随围压增大而减小。利用煤体卸围压蠕变实验数据对文中蠕变本构方程的参数进行拟合,结果表明:该蠕变本构方程能很好地描述煤体蠕变三阶段,特别是加速阶段。在蠕变本构方程参数确定的前提下,分析了应力水平、分数阶导数阶数及黏性系数对煤体蠕变特性的影响规律。     

膏体充填开采胶结体的蠕变本构模型

为分析膏体充填开采胶结体的蠕变特性,进行了三轴蠕变试验。在试验基础上推导了考虑时间和应力2个变量的损伤演化方程,将损伤变量引入改进的西原模型中,建立了新的本构模型,推导了胶结体的三维蠕变本构方程。根据试验数据对该模型的蠕变参数进行拟合,将理论计算的蠕变曲线与试验得到的蠕变曲线进行了对比。研究结果表明：膏体充填开采胶结体属于黏弹塑性材料,具有明显的流变特性。在偏差应力值较小的应力水平下仅有衰减蠕变和稳态蠕变2个蠕变过程,在偏差应力较大时有加速蠕变阶段,蠕变值随偏差应力值的增加而增加,蠕变值增大速率随偏差应力值的增加而减弱。引入损伤的改进西原模型能较好地反映胶结体的蠕变规律。     

巷帮-支护体本构模型及长螺纹扩帮锚杆研究

基于螺纹钢锚杆拉伸试验与巷帮围岩深部位移变形监测,建立了锚杆安装后的本构模型与巷帮围岩峰后强度区、塑性区以及弹性区的本构模型,并分析了锚杆参数对巷帮围岩本构模型的作用效果。结果表明：当锚杆安装后的锚固段位于弹性区围岩时,锚杆能同时控制巷帮峰后强度区与塑性区的变形,且能保证锚固段强度。针对大变形巷道中,锚杆长度不足,锚索延伸率较低,片帮或扩修后支护材料失效的难题,新研发了长螺纹扩帮锚杆。该锚杆具有“锚固点深”、“延伸性好”和“多次复用”的特性,且特有的长螺纹段可解决巷道片帮和扩修后需要补打锚杆锚索的难题。