基于FLAC3D的煤岩组合模型冲击倾向性研究

 运用Flac3D对某矿的煤岩组合模型冲击倾向性进行三维数值试验研究,通过改变煤岩组合模型高度比例（1:1、1:2、2:1）、夹角（0°、30°、45°）和岩性分别进行模拟,分析煤岩组合模型不同的组合模式对冲击倾向性的影响。三维数值试验结果表明：煤岩高度比例和夹角的变化,对煤岩组合模型的抗压强度影响不大,冲击能量指数和弹性能量指数随着顶板岩体厚度的增加而增加,随着夹角的增大而降低。岩性对抗压强度影响很显著,随着岩性硬度的增加,煤岩组合模型的冲击能量指数和弹性能量指数都随之增加。     

组合煤岩冲击倾向性特性试验研究

煤层的冲击矿压危险性与煤岩体的结构特征关系非常密切．研究顶板-煤体-底板所构成的组合煤岩体试样变形破裂规律及冲击倾向性对于预测冲击矿压具有非常重要的实践意义．通过对组合煤岩的试验研究，得到组合煤岩试样中顶板强度越大，强度越强；组合煤岩试样的弹性模量随着煤样百分比的增加而减小．组合煤岩试样的冲击能指数随着顶板与煤样高度比值的增加而增加；冲击能指数随着煤样百分比的增加而降低；弹性能指数随着煤样百分比的增加而呈现增加的趋势．组合煤岩试样中顶板岩样厚度越厚，冲击倾向性相应就越强；组合煤岩试样中煤层厚度越大，则其弹性能指数就越大．     

煤岩组合体冲击倾向性的RFPA~(2D)数值模拟

通过对不同岩石组成的煤岩体在不同煤岩高度比例和不同组成倾角条件下的数值模拟,探讨不同因素对煤岩体冲击倾向性的影响。模拟结果表明,煤岩体中岩石强度越高,试样的强度随着岩石高度比例的增加增长得越快,组合试样的弹性模量也越高。煤岩体的冲击能量指数随着煤岩组合体间角度的增大而减小,并且随着倾角的增加,石灰岩煤组合体和粉砂岩煤组合体峰后塑性变形明显。     

湖西矿800m深井冲击倾向性试验及防治对策研究

冲击地压是一种特殊的矿山动力现象,而冲击倾向性是煤岩体发生冲击地压的内在因素和必要条件。本文对湖西矿主采煤层进行了煤岩冲击倾向性试验研究,对冲击能量指数、弹性能量指数和动态破坏时间三个煤层冲击能量指标,以及弯曲能量指数的岩层冲击能量指标进行了试验和分析,获得该矿深部煤岩冲击倾向性评判结果,在此研究基础上,提出了湖西煤矿未来深部开采时冲击灾害防治对策。     

瓦斯对冲击倾向性能量指标影响的数值模拟

为探究瓦斯对煤冲击倾向性能量指标的影响,基于含瓦斯煤的受力特点,建立含瓦斯煤样气-固耦合控制方程,并植入COMSOL数值模拟软件,开展瓦斯对弹性能量指数和冲击能量指数的影响研究。结果表明:伴随瓦斯压力的增加,煤样中塑性应变区域扩大,且塑性应变程度有所增加,煤样储存弹性应变能的能力下降;煤样变形破坏过程中消耗能量增加,煤样完全破坏后盈余能量减少,导致冲击能量指数和弹性能量指数降低;瓦斯弱化了煤的冲击倾向性,在含瓦斯煤层冲击倾向性鉴定和冲击危险性评价过程中应充分考虑瓦斯对煤冲击特性的影响。     

平顶山矿区煤层冲击倾向性指标及关联性分析

利用RMT-150B伺服试验机对平顶山矿区4组煤进行冲击倾向性试验。试验结果表明:煤的抗压强度、弹性模量越高,峰值前积蓄弹性应变能量越大,冲击能能量指数也明显偏大,动态破坏时间越短,发生冲击危险性越大;煤样的抗压强度与弹性模量呈良好的线性关系,抗压强度与冲击能量指数、弹性能量指数呈正相关,抗压强度与动态破坏时间呈负相关,两者采用幂函数表征;平顶山矿区丁8组煤层属中等偏强冲击类(Ⅱ类),己16-17组煤层属强冲击类(Ⅰ类),己15组和戊9-10组煤层属中等冲击类(Ⅱ类)。     

某煤矿煤岩冲击倾向性试验及分析

为了保证矿井的安全生产,采用煤岩冲击倾向性指数的测定方法,对淮北某煤矿三水平10煤煤岩层冲击倾向性的鉴定过程进行了系统的分析。针对该煤矿的特点,运用MTS-816型煤岩体力学试验系统对该煤岩层进行冲击倾向性试验,得出了所采煤样的动态破坏时间为535.73 ms,冲击能量指数为3.23;单轴抗压强度为5.57 MPa,弹性能量指数为3.11;所采岩样顶底板的弹性模量分别为6.34,6.59 GPa,抗拉强度分别为2.62,2.88 GPa;计算出弯曲能量指数分别为8.25,7.08 kJ。根据煤炭行业标准的规定,对得出的相关指标进行具体分析,表明该煤矿10煤煤岩层均无冲击倾向性。结合实际试验操作过程,从各种角度提出了提高试验准确性建议,以保证试验高效准确完成。     

模量指数评价煤的冲击倾向性的实验研究

为研究模量指数评价煤的冲击倾向性的可行性,选取4组冲击倾向性强弱不同的煤样试件,测定各组煤样试件的模量指数、冲击倾向性评价指标和声发射信号,分析模量指数同其它冲击倾向性评价指标和评价结果的相关性,模量指数对煤加载过程中内部能量释放特征的影响。研究结果表明:模量指数同其它冲击倾向性评价指标具有相关性,同单轴抗压强度之间的相关性最强;各组冲击倾向性相同的煤样,各试件模量指数大小的变化范围较小。各组冲击倾向性不同的煤样,各试件模量指数大小的变化范围很大。煤样模量指数的大小和煤的冲击倾向性强弱相关,煤的冲击倾向性越强,模量指数越大。依据模量指数评价煤的冲击倾向性的结果,同其它评价指标的评价结果具有一致性;不同冲击倾向性煤样的软化模量是决定煤的模量指数大小的关键因素,弹性模量对模量指数大小的影响较小;煤样内部能量的释放特征和模量指数的大小相关。模量指数小的煤样在全程加载过程中声发射事件频繁出现,模量指数大的煤样在破坏前后阶段没有明显的声发射事件出现,但在临近载荷曲线峰值的冲击破坏阶段集中出现高能量的声发射事件。模量指数可用于评价煤的冲击倾向性,模量指数对煤样能量释放的影响规律可用于指导现场监测。     

煤的冲击倾向性研究进展及冲击地压“人-煤-环”三要素机理

煤的冲击倾向性是冲击地压机理的基础研究问题之一,也是目前评估和预测煤矿冲击地压危险程度的主要依据之一。系统梳理了煤的冲击倾向性专业术语和冲击倾向性指数的研究历史,提出了煤的冲击倾向性直接指数和间接指数的概念和定义。对现有的16种冲击倾向性指数的出处、定义、表征符号、计算公式、试验过程、分类标准等进行了详细介绍。对来自5个煤矿的30个煤样进行了单轴压缩试验,利用试验结果对16种冲击倾向性指数进行了计算,获得了具体的冲击倾向性类别。为了对煤的16种冲击倾向性指数的判别结果进行统一验证,根据煤样破坏过程和破坏状态,提出了基于试验现象的煤样冲击倾向性定性判据及分类标准。通过统一对比,结果表明剩余弹性能指数判别结果和定性判据判别结果完全一致。剩余弹性能指数以煤线性储能规律为基础,从煤样受力全过程中能量输入、储存、消耗、剩余的角度出发,以煤样破坏时剩余的绝对能量值作为判别指标,符合冲击地压发生时释放弹性应变能的本质。剩余弹性能指数属于煤的冲击倾向性直接指数,所得结果实现了和定性判别结果的相互验证和统一,具有科学性与适用性。根据冲击地压属于深部工程地质灾害的特点,借鉴系统工程学思想提出了冲击地压“人...     

冲击矿压的强度弱化减冲理论及其应用（续）

本项目为国家自然科学基金资助项目（50490273，50474068，50074030），教育部博士点基金资助项目（20030290017）资助。冲击矿压实质是煤岩体能量积聚与释放的过程，当煤岩体中所积聚的弹性应变能达到其极限冲击能时，就可能发生冲击矿压。根据冲击矿压强度弱化减冲理论，采取松散煤岩体的方式降低煤岩体的强度和冲击倾向性，使得应力高峰区向岩体深部转移，煤岩体中所积聚的弹性应变能就达不到最小冲击能，从而防止冲击矿压的发生。强度弱化减冲理论在三河尖矿的生产实践中得到了有效的运用。     

基于损伤统计本构模型的煤层冲击倾向性研究

针对目前国内煤层冲击倾向性指标存在的问题,基于煤岩应变强度理论、煤岩微元强度服从Weibull随机统计分布的假设和连续介质损伤力学理论,采用单轴压缩下煤岩损伤统计本构模型,用最优化方法确定该模型的关键参数,同时分析了各参数的物理意义,进而给出了冲击能指数和弹性能指数的理论计算方法,并提出了最大损伤速率和反应动态破坏时间的动态损伤应变新指标。数值试验和现场试验结果表明：采用最优化方法确定该模型参数能更好地拟合煤岩应力-应变全过程曲线;修正后与新提出的冲击倾向性指标理论计算方法合理可行,物理意义明确,能很好地反映煤层的冲击倾向性,为深入研究煤层冲击倾向性的本质提供了一种新的思路。     

预制钻孔煤样冲击倾向性及能量耗散规律

基于煤的冲击倾向性测定方法进行预制钻孔煤样单轴加载试验,研究钻孔煤样的冲击倾向性变化规律,引入破碎颗粒分形维数与新增表面积,分析钻孔煤样破碎过程中的能量耗散规律。结果表明:(1)钻孔使试样以剪切劈裂破坏形式转变为在孔洞两侧孕育、融合裂隙并在岩桥之间产生贯穿裂纹的破坏形式,同时伴随塌孔现象。随钻孔排数增多,钻孔试样呈现出应力峰前塑性损伤逐渐增大,峰值强度降低、积聚弹性能减少,峰后破坏耗时延长、耗能提升的趋势,且单轴抗压强度、冲击能量指数、弹性能量指数均逐渐降低,动态破坏时间显著升高,冲击倾向性逐渐减弱。(2)试样破碎颗粒分形维数与新增表面积具有良好的负相关性:试样破碎程度越低,分形维数越高,新增表面积越小。(3)试样应力峰前能量的输入、耗散与新增表面积无明显关系。峰后能量释放及耗散规律与破碎颗粒新增表面积变化规律一致,新增表面积越大则峰后耗能越多。受加载速率及钻孔布置影响峰后能量差值与新增表面积变化呈"U"形变化趋势。钻孔减缓了试样峰后能量释放与能量耗散速率,且二者降低幅值较为相近,单孔试样降低约17.0%,双孔试样降低约68.3%,三孔试样降低约70.8%。钻孔卸压可以降低峰前积聚的应变能,降低峰后单位时间内释放的能量,使得不易发生动力破坏。     

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。     

剪切带引发冲击矿压的分析

通过对某煤矿高冲击危险工作面开采过程的三维数值模拟,揭示了近距离煤层下部煤层在煤柱的影响下,在有冲击危险的区域,变形局部化剪切带与高压应力共同作用于煤岩体上,在变化的剪应力作用下,脆性岩体容易发生剪切破坏,并在瞬间释放弹性能,形成冲击矿压。     

“顶板-煤层”结构体冲击倾向性演化规律及力学特性试验研究

针对单纯以煤层或顶板岩层进行煤层冲击倾向性判定存在"低估"问题,以典型的冲击危险矿井为背景并结合煤层赋存的实际情况和冲击地压的显现特征,建立"顶板-煤层"结构体模型。通过对纯煤层、顶板岩层及2种不同高度比下的"顶板-煤层"结构体冲击倾向性试验和不同顶板强度、厚度、均质性及接触面角度的冲击倾向性数值试验,研究不同顶板特性对"顶板-煤层"结构体冲击倾向性的影响。研究发现,"顶板-煤层"结构体冲击倾向性高于纯煤层或岩层测定结果,更接近实际。随着顶板强度、厚度、均质性的增加,"顶板-煤层"结构体冲击倾向性增强,随接触面角度的增大,其单轴抗压强度降低,峰后塑性变形阶段越来越明显。在接触面角度一定的情况下,随着顶板岩体强度的增加,随"顶板-煤层"结构声发射累计释放能量减弱。随"顶板-煤层"结构体冲击倾向性的增强,其峰后声发射累积能量呈减小的趋势。     

回采速度对坚硬顶板运动释放能量的影响机制

坚硬顶板破断释放的弹性能是冲击矿压的主要能量源之一,针对回采速度对坚硬顶板破断释放能量的影响机制,运用理论分析结合现场监测手段,对垮落带内的顶板悬臂梁结构,建立了基于弹性地基假设的三角增压载荷悬臂梁模型,推导得到回采速度控制下顶板梁的下沉量、弯矩及弯曲弹性能密度的解析解。对距煤层较近的低位未触矸破断式砌体梁结构,建立回采速度影响下的回转角与破断步距及破断释放能量的解析式,并进行讨论得到结论:加快回采速度使顶板悬臂梁的悬臂长度L和峰值应力集中系数a增加,使峰值距煤壁位置x0减小,3者均能造成顶板弯曲变形能增大,释放弹性能增加,且悬臂长度L和应力集中系数a影响效果更为明显;高速回采造成采空区充填程度低,促使关键块B的回转角增大,造成关键块A的破断步距增大,破断释放的能量也大幅增加,甚至促使原本为低位未触矸破断的砌体梁结构变为高位悬臂梁结构,其破断释放的弹性能更大,大能量矿震产生的动载易叠加高静载煤体诱发冲击,同时使超前段顶煤支护失效,造成冒顶事故;通过对关键层及围岩结构的判别,证实了两种坚硬顶板的破断模式,且微震监测表明坚硬顶板破断释放大能量矿震与回采速度有明显的正相关性,并得到坚硬顶板条件大采高工作面临界回采速度为4 m/d,科学指导了胡家河矿的开采强度优化。     

基于能量耗散率的钻孔防冲效果评价方法

采用理论分析、实验室试验及数值模拟等手段,研究了从能量角度评价钻孔防治冲击地压效果的方法。钻孔前后应力总量计算表明,钻孔对煤岩体的作用在于"调压",并非仅"卸压"。相对于应力角度,从能量角度评价钻孔防冲效果的过程更为简便。不同矿井煤样单轴加卸载试验发现,采用线弹性体弹性应变能计算公式的计算结果要大于实际值,且冲击倾向性越弱,计算误差越大,提出了基于弹性能量指数的修正公式。钻孔围岩弹性应变能的变化受最大主应力的做功特征主导,围岩应力调整过程中,弹性应变能能否积聚与围岩方位及侧压系数有关。在此基础上,提出钻孔耗能率的概念,可定量评价不同钻孔防冲设计之间的优劣,并通过FLAC3D进行数值模拟实现。以钻孔耗能率为评价指标得出,钻孔防冲效果与钻孔孔径呈幂函数关系,与煤层强度呈负相关。与φ100 mm钻孔相比,φ150 mm钻孔耗能效果是其2.9倍,φ200 mm钻孔耗能效果是其6.5倍。