晶体类型对含瓦斯水合物煤体力学性质的影响

含瓦斯水合物煤体的力学性质研究,是利用水合原理防治煤与瓦斯突出的基础。以型煤试件为研究对象,利用自主研制融合瓦斯水合固化反应和三轴压缩荷载作用于一体试验装置,合成了含不同晶体类型瓦斯水合物煤体。对含不同晶体类型瓦斯水合物煤体和含瓦斯煤体进行了三轴压缩试验,获得了2种围压下含瓦斯水合物煤体和含瓦斯煤的应力-应变关系、强度等特性。基于莫尔-库伦强度准则进行拟合,得到含水合物煤体和含瓦斯煤体的黏聚力和内摩擦角。研究结果表明,煤体含水合物能够提高刚度和黏聚力,含II型瓦斯水合物煤体抵抗破坏能力更强,煤体含水合物的类型对煤体力学性质有不同的影响。     

含瓦斯水合物煤体强度特性三轴试验研究

含瓦斯水合物煤体力学性质准确测定是利用水合物技术预防煤与瓦斯突出的重要基础。利用水合固化反应与三轴压缩一体化原位试验装置开展了饱和度变化对含水合物煤体强度特性影响试验。结果表明：随着围压增加(1,2,3 MPa),含瓦斯水合物煤体应力-应变曲线从软化型向硬化型转化,破坏强度显著增加;随着饱和度增加,煤样破坏强度线性增加,饱和度对黏聚力和内摩擦角无明显影响;与含瓦斯煤体的强度特性比较发现,水合物生成提高了煤体破坏强度、变形模量和内摩擦角,而黏聚力没有明显变化。     

钻孔卸压防治冲击地压机理及影响因素分析

为了防止煤体冲击地压,基于冲击地压应力控制理论,研究了钻孔卸压防治煤体冲击地压机理,推导了钻孔卸压区的边界方程,分析了煤体性质、钻孔直径及应力环境对钻孔卸压区分布的影响。研究结果表明,钻孔形成的弱化带破坏了煤体承载结构,导致顶板岩层与煤体界面内摩擦角与黏聚力大幅降低,大幅降低了巷帮浅部煤体应力,破坏了其发生冲击地压的应力条件;随着煤体黏聚力及内摩擦角的减小、钻孔与工作面距离的减小,钻孔卸压区增大且边界形状由椭圆形变为"X"形;随着钻孔直径的增大,卸压区增大但其边界形状不变。采用该方法进行煤体冲击地压防治钻孔布置参数设计,钻孔卸压使煤柱浅部煤体应力大幅下降,且应力峰值区域向煤柱深部转移,破坏了煤体发生冲击地压的应力条件,从而防治煤体冲击地压的发生,取得了良好的卸压效果。     

基于黏聚型裂纹本构关系的煤岩水力压裂韧性破坏模型

线弹性断裂力学作为一种十分成功的断裂理论框架,已被广泛地应用于表征固体材料中裂纹扩展行为。对于线弹性岩石断裂力学来说,岩石一般被简化为脆性材料,相对于裂纹尺寸及试件尺寸,其裂纹尖端前断裂过程区(Fracture process zone,FPZ)范围很小可以被忽略。而另一方面,煤的破坏形式通常表现为韧性破坏,即其应力峰值后存在明显的应变软化区。对于这种韧性材料,其断裂过程区尺寸范围相对较大且会对材料的断裂行为产生很大的影响,因此线弹性断裂理论不再适用于描述煤体中裂纹扩展。而黏聚型模型(Cohesive zone model,CZM)被证明是一种有效的理论工具,能够描述韧性材料断裂过程区中的断裂行为。在该黏聚型本构模型理论中,裂纹尖端前的断裂过程区被简化为一条闭合的裂纹或闭合的裂纹面(分别对应二维及三维情况),其中断裂过程区内非线性断裂行为通过黏聚力与相对位移之间的本构关系进行表征。通过对煤进行圆盘形紧凑拉伸试验建立了不同煤阶煤(其中包括弱黏煤、气煤、肥煤、贫瘦煤及无烟煤)的黏聚型裂纹本构关系,试验结果表明,随着煤试件煤阶的升高,其初始刚度及峰值载荷逐渐升高,最大张开位移逐渐降低,试验峰后软化阶段载荷-CTOD曲线趋于线性变化且破坏形式逐渐趋于脆性破坏。采用Karihaloo多项式黏聚型本构方程对5种煤阶煤软化曲线进行拟合,得到煤体中黏聚型裂纹模型本构关系的一般形式。针对煤层松软的力学特性和韧性破坏特征,建立了基于黏聚型裂纹本构关系的煤岩水力压裂多场耦合方程组,包括多孔介质变形方程、孔隙渗流方程、裂隙渗流方程及Karihaloo多项式本构关系方程。并采用包含裂隙流水压自由度的黏聚型界面单元法进行数值模拟。结合大型真三轴水力压裂实验,验证所得煤岩水力压裂模型的正确性;根据数值模拟和物理实验结果,讨论了煤岩松软的力学特性及其裂纹尖端过程区对水力压裂的影响。     

高饱和度下含瓦斯水合物煤体应力-应变特性试验研究

为了解含瓦斯水合物煤体的力学特性,利用自主研发的低温高压水合固化反应-三轴压缩一体化装置,开展了2种高饱和度条件下含瓦斯水合物煤体的三轴压缩试验。结果表明:1)含瓦斯水合物煤体的应力-应变曲线均呈软化型,分为峰前线弹性阶段和强化段、峰后应力软化段和残余变形段四个阶段;2)含瓦斯水合物煤体的初始屈服强度、峰值强度、残余强度随饱和度增加而增大,且随围压增加而线性增加;3)饱和度相同时,含瓦斯水合物煤体在初始屈服点、峰值强度点和残余强度的内摩擦角变化不大,而黏聚力则出现先增大后减小的趋势;4)含瓦斯水合物煤体呈现拉剪破坏以及单面剪切破坏2种破坏模式。     

含瓦斯煤的基本力学性质试验研究

含瓦斯煤岩的破坏行为研究,是力学和矿业工程领域的研究热点。文中研究表明:煤体内含有大量的宏观层理和节理,其位置对试样的抗拉强度有影响,因此取自同一地点的煤试样的抗拉强度存在很大差异;胡克定律一直适用。煤变形由煤受力产生的形状和体积的变化以及煤内部裂隙在压应力作用下逐渐闭合所引起的变形组成。煤体受载变形后常保留残余变形值,含瓦斯煤强度越小,其残余变形值越大。通过角模压剪试验可以测定含瓦斯煤体的粘聚力约2.5MPa,内摩擦角约32°。     

循环外载激发下孔隙流体对煤岩动力灾害孕育的力学作用机制

为研究回采工作面前方不同支承压力区煤体在循环外载的扰动下孔隙流体对煤岩动力灾害孕育的力学作用机制,开展了不同孔隙压力(1,3和5 MPa)与轴向循环应力水平(饱和煤岩三轴强度的50%与80%)煤岩的循环加卸载排水实验研究。研究发现,当最大循环加载应力水平为三轴强度的50%时,煤岩的轴向与径向应力应变曲线在孔隙压力1 MPa和3 MPa下变化不显著,表明煤岩内部都没有产生大量的损伤裂纹。但随着孔隙压力上升为5 MPa,煤岩轴向和径向应变在循环加载过程中变化相对显著,说明孔隙流体参与了其中的力学变形机制。同时发现,试件的残余径向应变在循环加载过程中逐渐减小,这是由于煤岩内部部分孔隙裂隙在循环荷载作用下被压实,孔隙流体排出所致,且孔隙压力越大,径向收缩效应越明显。当最大循环加载应力为煤岩三轴强度的80%时,煤岩在加载过程中发生失稳破坏,且破坏速度与孔隙压力正相关。随着孔隙压力上升到5 MPa,煤岩试件遭到严重破坏,试件被大裂隙完全贯通。而且,高孔隙压力促使宏观裂隙之间产生大量的煤岩碎屑和煤粉。细观结构分析显示该应力状态下的煤岩在循环加载后孔隙度显著增加,且煤岩加载后孔隙度的增量随孔隙压力的升高而增大。以上结果显示,距离工作面较远的煤体首先经受低幅值循环外载作用,孔隙流体的排出导致煤体在水平方向发生收缩变形,一方面会减小煤层局部的渗透性;另一方面会降低煤层水平应力,从而降低煤岩的三轴抗压强度。而排出的孔隙流体在煤体中发生局部迁移和富集,当流体富集区域经受后期高幅值循环外载作用时容易形成局部高孔隙压力,进而改变煤层受力状态,加速煤岩动力灾害的孕育,加剧煤体在动态失稳中粉末化。     

基于显微CT的不同煤体结构煤三维孔隙精细表征

为了定量研究不同煤体结构煤的孔隙连通性和渗透能力的差异性,以渭北煤田韩城矿区为研究区,通过显微CT三维空间分析技术,采用多孔介质三维逾渗理论,开展了不同结构煤的孔隙三维建模分析,实现了对不同煤体结构煤中孔隙分布三维可视化的精细表征。结果表明:构造变形对煤的孔隙结构有深刻的影响;不同变形机制对煤的孔隙度、孔隙团数和最大孔隙团规模有着不同的影响,导致逾渗概率发生明显的变化;三维逾渗概率表明煤孔隙连通性和渗透率随变形程度增加呈现先升后降的变化趋势。碎裂煤孔隙团连通性最好,渗透性最强;糜棱煤孔隙团连通性最差,渗透性最弱。研究认为脆性破坏可促进外生孔和微裂隙的发育程度,加强孔裂隙间的连通性,提升煤岩渗透性;在脆韧性-韧性变形作用下,孔隙、微裂隙、矿物以及煤岩分布的非均质性明显增强,造成孔隙连通性变差,渗透率降低。     

煤层底板破坏机理分析及最大破坏深度计算

为进一步认识底板破坏机理,运用半无限体理论计算了致使底板临界破坏的应力及位置,结合塑性力学的滑移线场理论推导出底板最大破坏深度计算公式,分析了底板最大破坏深度及其相关影响因素的关系,并通过算例分析说明了计算公式的合理性。结果表明:在煤壁塑性区范围一定的情况下,底板最大破坏深度随着底板岩石内摩擦角的增大而增大,随着底板岩石黏聚力的增大而减小。底板最大破坏深度不仅与采场端部煤体塑性区范围有关,而且随着工作面超前支承压力峰值的增大而增大。     

冲击地压和瓦斯突出复合灾害发生机理研究

为研究高瓦斯煤层冲击地压-瓦斯突出复合灾害问题,以高瓦斯煤层圆形断面巷道为例,以阜新恒大煤矿高瓦斯厚煤层运输平巷为工程背景,通过分析得到了冲击地压-瓦斯突出复合灾害的发生条件,分析了相关因素对临界塑性区半径和临界载荷的影响。结果表明:临界塑性区半径随模量比增大而增大,随泊松比增大而减小,随剪胀角增大而减小,随内摩擦角增大而减小;临界载荷随模量比增大而增大,随泊松比增大而减小,随剪胀角增大而减小,随内摩擦角增大而增大,随黏聚力增大而线性增大,随有效应力系数增大而线性增大,随支护阻力系数增大而线性增大,随原始瓦斯压力增大而线性增大,随巷道内壁瓦斯压力增大而线性减小,随瓦斯压力差的增大而增大。     

不同动载对煤岩块的破坏作用数值模拟

以HJC本构模型进行数值模拟,分析动载作用下煤岩块的应力场、应变场及能量场动态变化过程。结果表明:载荷变化率的改变对煤岩块的破坏形态影响最大,其次是载荷的最大压力值,最后是作用时间;5种载荷压力形式下,煤岩块的动能、内能和总能量3种能量随时间变化趋势一致;煤岩块未破坏时,3种能量随时间增加;煤岩块发生破坏时,动能最终降为0,内能有所降低;煤岩块破坏越严重,3种能量降低的程度越大。煤岩块达到临界应力时只是发生轻微破坏,随后达到最大总能量时才发生严重破坏。压力和作用时间达到一定值时煤岩块才发生破坏,载荷变化率方向的改变增大了煤岩块的破坏能力。     

围压作用下水射流破岩损伤机理的数值模拟研究北大核心

采用显示动力学软件对水射流冲孔过程进行数值模拟,探究煤岩在高压水射流冲击下的破碎规律及裂隙发育状态,分析射流水柱冲击有/无围压的煤岩时,掏槽成孔的过程及机理,论证了煤岩体受拉伸力和剪切力的作用下导致横纵向裂隙形成并逐渐延伸成裂隙网的过程。研究结果表明:水射流冲击煤岩形成孔洞的同时,会在周围煤岩形成供瓦斯运移的裂隙,且成孔损伤范围受围压的影响;射流参数一定时,围压作用会阻碍孔深和孔径的扩展,但会使得周围裂隙的发育范围进一步扩张,20 MPa围压作用下扩张范围约增加40%。     

Statistic constitutive equation of top-coal damage for fully mechanized coal face with sublevel caving

Under the action of abutment pressure in front of fully mechanized coal face with sublevel caving (CFSC), top-coal over CFSC deformed. In the process of whole deformation of top-coal, it changed from continuum elastic mass to non-continuum plastic mass contained fissures, become a loose body. According to its bearing characteristics and mechanical properties, top-coal mass can be divided into four deformation zones along the winning direction of CFSC, i.e. initial stress zone, elastic zone, plastic zone and loose zone. Top-coal in plastic zone located in the post-peak zone of the stress-strain curve for top-coal. With equivalent strain principle of damage mechanics and mathematical theory of statistic, combining the movement law of top-coal, set up a constitutive equation with damage statistics for top-coal in different position in CFSC. The equation illustrated the mathematical relationship among top-coal bearing capacity, horizontal confining pressure along the winning direction of CFSC and mechanical properties of top-coal material. The conclusions not only provide a basis for numerical computer simulations on damage deformation and failure mechanism for top-coal, but also further promote the application of damage mechanics in CFSC. Supported by the National Natural Science Foundation of China(40638040/D0214, 50534070/E04)     

爆破应力波在构造带煤岩的传播规律及破坏特征

针对煤矿井下爆破作业扰动到构造带煤岩体容易诱发煤与瓦斯突出事故的现实背景,根据爆破应力波在构造带煤岩的传播规律结合相似模拟实验和数值分析,研究应力波对构造带煤岩的损伤破坏特征及其对煤与瓦斯突出的影响作用机理。研究发现,爆破应力波从岩体传播到构造松软煤层时,在煤岩交界面发生了波的透射和反射;透射的压缩应力波作用于煤体,使煤层裂隙增加;反射的拉伸应力波反作用于岩体,使位于岩体内相应测点的应力值增大约1.1倍,在靠近松软煤体一侧的岩体内形成交叉网状裂纹,加大了岩体的破坏程度和破坏范围。构造松软煤体加强爆破应力波的反射拉伸和爆破振动的累积效应导致构造带煤岩交界面的煤岩体损伤严重,当煤岩体的强度不能抵抗瓦斯内能和煤岩体的弹性潜能时将会发生煤与瓦斯突出。     

基于层叠模型组合煤岩体动态力学本构模型

为研究冲击载荷下组合煤岩的动态力学特征,利用75 mm的分离式霍普金森压杆(SHPB)实验系统,对不同组合比煤岩样(砂岩∶煤∶砂岩分别显1∶1∶1,2∶1∶1,1∶1∶2,1∶2∶2)进行不同速率(4.590～8.791 m/s)的冲击加载实验,获得了组合煤岩的动态应力-应变曲线,结合煤、岩本构的研究成果和层叠模型原理,并充分考虑了组合煤岩体在动态破坏过程中的应变率相关性和损伤特性,构建了7参数组合煤岩层叠本构模型。研究结果表明∶① 不同组合比煤岩的弹性阶段和塑性阶段持续时间不同,不同组合比煤岩的应力应变曲线前期均呈现出明显的非线性;② 组合煤岩动态冲击屈服强度随应变率的增大而增大,随煤的占比增大而减小;③ 构建的7参数组合煤岩层叠本构模型数值拟合曲线与实测动态本构曲线具有较好的一致性,拟合参数分析发现在中应变率(110.41～195.49 s-1 )冲击载荷作用下,组合煤岩体损伤软化效应超过应变率强化效应成为主导因素;④ 拟合参数范围和试样冲击破坏特征均表明,组合体试件主要破坏部位以煤体破坏为主,不受组合方式的影响。研究成果为进一步深入认识冲击地压等煤岩动力灾害发生机理和预测预防措施提供参考借鉴。由于组合煤岩冲击破坏SHPB实验条件有限,并未考虑围岩影响,围压下的组合煤岩动态破坏特性有待利用实验和数值模拟手段进一步研究。     

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。     

断续双裂隙砂岩三轴卸荷蠕变特性试验及损伤蠕变模型

为研究卸荷条件下裂隙岩体的蠕变特性,以通过对砂岩切割并充填水泥砂浆制备的裂隙试样为对象,开展了恒轴压分级卸围压三轴卸荷蠕变试验。试验结果表明:试件在破坏时对应应力差最小的是缓缓和陡缓裂隙组合岩体,其次为陡陡裂隙组合岩体和完整试样;从变形特点来看,相同应力状态下,瞬时应变与蠕应变从大到小的顺序依次均为缓缓、陡缓、陡陡裂隙组合岩体和完整岩石。采用元件模型对各试件不含加速蠕变阶段的变形进行的拟合显示,可采用同一形式的本构模型对裂隙岩体和完整试样进行描述。根据这一结论提出了基于Lemaitre应变等效原理和Sidoroff能量等价原理的裂隙岩体损伤蠕变模型,并与室内试验结果进行了对比与分析。该模型可通过完整岩石蠕变模型参数推导裂隙岩体蠕变模型参数,从而建立了完整岩石与裂隙岩体间的关系。     

煤岩孔裂隙结构分形特征及渗透率模型研究

为探究煤岩孔裂隙结构与渗透特性的联动关系,采用扫描电镜、偏光和分形等手段分析煤岩孔裂隙结构分布特征,利用自主研发的出口端正压三轴渗流装置,开展恒定有效应力条件下孔隙压力升高的渗流试验。基于分形理论,考虑煤岩表面孔隙分布情况对煤岩渗透率的影响机理,建立考虑孔裂隙分形特征的煤岩渗透率模型,通过试验验证其合理性,对煤岩孔裂隙下分形维数和渗透率耦合进行定量分析。研究结果表明:①六盘水矿区煤岩表面含有一定数量的孔隙和裂隙,其中四角田7号煤层孔裂隙发育情况最好,具有2条清晰的宽度较大的裂隙,并伴有大量交叉微裂隙及孔隙发育,煤岩结构破坏严重;②通过盒维数法可得煤岩孔裂隙分布具有明显的分形特征,且煤岩孔隙率与分形维数呈正相关关系;③恒定有效应力条件下,煤岩渗透率随孔隙压力升高呈现先急剧降低后趋于平缓的趋势,受孔裂隙结构影响,在相同的孔隙压力下煤岩渗透率存在明显差异。煤岩表面孔裂隙结构越复杂其分形维数越大,有助于瓦斯运移,渗透率呈上升趋势;④考虑孔裂隙分形特征的煤岩渗透率模型计算值与实测值吻合度较高,与前人研究成果相比,无论理论机理的适用性还是对试验点的匹配方面都更加适用,且能较好地反映孔隙压力与渗透率的联动关系。     

采动过程中底板岩层变形破坏与损伤机理分析

底板岩层在采动过程中的变形破坏取决于底板的应力场和原生缺陷分布。为了研究底板岩层破坏的细观机理,描述底板岩层的裂隙演化,在分析煤层底板应力环境的基础上,基于岩石工程破坏准则,采用连续介质损伤力学和几何损伤理论的研究方法将损伤、渗流及孔隙率演化等相互耦合的有效应力概念引入莫尔-库仑(Mohr-Coulomb)破坏准则,建立了煤层底板脆性裂隙岩体介质在孔隙水压力作用下受采动影响的脆性动力损伤发展和孔隙率演变模型。并应用该模型对谢桥矿8#煤层开采过程中的底板变形破坏特征和裂隙水的迁移活动规律进行了脆性动力损伤分析。该损伤力学模型可用于煤层底板稳定性分析。     

冲击地压后瓦斯异常涌出条件及致灾原因分析

针对冲击发生后瓦斯异常涌出的现象,分析了煤岩微裂隙状态、温度等因素在冲击地压发生前后的变化以及冲击地压引起矿体震动对瓦斯吸附能力的影响,从多角度分析了冲击地压发生后导致瓦斯异常涌出的条件和原因。通过理论计算,瓦斯渗透试验等手段,研究了煤体受载过程中孔隙度和渗透性的变化规律;在含气煤本构方程的基础上,利用三轴加载条件下应力-渗透率关系计算得到了煤样加载过程中的渗透率的变化曲线。结果表明:冲击地压的发生确实存在导致瓦斯异常涌出的条件,而瓦斯对煤体存在力学和非力学的作用,可以导致煤体强度下降,脆性增强,并能够加速煤体的失稳破坏;煤体孔隙度和渗透率在三轴加载条件下会有先降低后增大的趋势,在应力达到破坏载荷的70%左右时,孔隙度和渗透率急剧增长;煤岩体内裂纹扩展,渗透性能增加是高瓦斯矿井冲击地压发生后瓦斯大量涌出的最直接的原因,矿体震动、煤岩体温度升高等冲击地压的伴生现象在一定程度上会促进瓦斯解吸和逸出。