含瓦斯煤剪切破裂过程细观演化

运用自主研发的煤岩细观剪切实验装置,开展了不同成型压力条件下含瓦斯煤剪切破裂过程研究。研究含瓦斯煤剪切破裂过程中微细观裂纹的开裂、扩展、贯通演化规律,对比分析成型压力对含瓦斯煤抗剪强度及剪切破裂最终形态的影响。研究发现:随成型压力增加含瓦斯煤密实度增大,抗剪强度增大;剪切破裂过程裂纹扩展速率与开裂位置偏离预定剪切面距离有关,预定剪切面上剪应力大扩展速率快,偏离预定剪切面扩展裂纹受力减小,扩展速率低,甚至会终止扩展而不能贯通;裂纹扩展形态与成型压力有关,成型压力小,密实度低,抗剪强度低,裂纹容易扩展,剪切带范围小,成型压力大,密实度高,抗剪强度高,裂纹不容易扩展,剪切带范围大;含瓦斯煤剪切破裂过程左侧固定右侧受剪切荷载作用,容易形成雁行排列,为实现最终贯通,破坏雁行排列之间会有张拉牵引裂纹产生。     

煤与瓦斯突出过程中地应力、瓦斯压力作用机理探讨

基于煤岩破裂损伤理论和气固耦合方法,针对不同地应力和不同瓦斯压力条件,采用RFPA2D-Flow数值计算软件对煤与瓦斯突出发生、发展过程进行数值研究,获得了煤体裂纹孕育、扩展演化规律及突出孔洞变化特征,并结合红阳二矿、西马煤矿突出实例进行验证分析。研究表明:地应力与煤与瓦斯突出发生所需的最小瓦斯压力呈线性反比关系,地应力越高突出所需的瓦斯压力越小;高地应力条件下煤与瓦斯突出的初始阶段,煤体主要在剪-拉应力作用下,形成以"–"型和"I"型裂纹组成的网格型裂纹,宏观破坏呈楔形分布,而较低地应力条件下煤与瓦斯突出的初始阶段,煤体主要在拉应力作用下,形成"I"型裂纹,宏观破坏呈环状分布;突出过程中地应力的作用使煤体破坏以楔形方式发展,瓦斯的作用使煤体破坏以弧形方式发展,突出孔洞的最终形状由地应力和瓦斯共同决定。     

煤层开采底板突水通道形成的断裂力学机制探讨

针对华北型煤田采动变形破坏底板突水通道的形成机制问题,划分了4种底板隔水层岩体结构类型;分析了采动效应特征,研究了压剪破坏和拉张破坏两种岩体结构破坏形式;探讨了底板突水通道形成的断裂力学机制。结果表明:对于裂隙型底板岩体结构而言,底板突水说明隔水层中潜在突水通道转化为突水通道,即裂隙已经扩展贯通到采空区临空面;岩体结构变化是引起渗透率变化的根本原因,也是岩体丧失隔水性能的根本原因;应力集中区裂纹扩展属于压剪状态下的I型裂纹扩展,而卸荷区裂纹扩展属于拉剪状态下I-II型复合裂纹扩展。     

断续节理相互作用的数值模拟

运用岩石破裂过程分析RFPA2D系统，研究了断续节理岩体中裂纹的产生与扩展机理，不同断续节理分布岩体的变形、破坏过程以及节理之间的相互作用和影响规律.研究指出，共线节理的裂纹产生并不相互影响，其裂纹扩展是各自独立地平行于压应力方向;左梯式节理的裂纹产生是相互作用的，主生裂纹沿压应力方向扩展，而次生裂纹沿垂直于节理面方向扩展一定长度后转向水平方向很快贯通于相邻节理;右梯式节理的裂纹产生并不相互作用，主、次生裂纹形成后各自沿压应力方向扩展，并不会贯通于相邻节理.裂纹的扩展是由于裂纹尖端的拉应力作用的结果.当节理在压应力作用下所产生的次生裂纹扩展达到相邻节理后，岩体就会产生贯通裂纹而破坏.     

结构面特征对截齿侵入破岩影响的数值模拟

采用离散元软件PFC2D建立了结构面抗剪强度试验模型和截齿侵入模型,从结构面间距、结构面倾角和结构面抗剪强度3方面研究结构面特征对镐型截齿侵入破岩过程的影响。模拟过程记录了侵入力、碎屑体积、裂纹类型、数量和方向等信息,从微观角度解释了结构面特征对裂纹扩展的影响规律。模拟结果发现结构面对岩石裂纹扩展具有阻隔和导向作用,有利于裂纹扩展并形成岩屑;侵入过程首先形成拉裂纹为主的压碎区,无结构面时裂纹以拉破坏向深部扩展,而有结构面时裂纹以剪切破坏形式沿结构面扩展;随结构面间距、结构面倾角的增大,碎屑的形成和裂纹扩展所需侵入力随之增大,而结构面强度对碎屑形成和裂纹扩展方向影响较小,仅影响裂纹沿结构面扩展深度。     

瓦斯压力对砂岩渐进破坏特征的影响研究

借助多场多相耦合下多孔介质压裂—渗流试验系统，基于不同瓦斯压力下的常规三轴加载试验，通过分析砂岩的力学特性和渐进破坏规律，研究砂岩在不同瓦斯压力下开采的渐进破坏演化过程。研究结果表明，随着瓦斯压力增加，砂岩的裂纹闭合应力会呈现增加趋势，而损伤应力以及峰值应力呈现减少趋势；瓦斯压力对砂岩的峰值强度起到了弱化作用，且随着瓦斯压力增加，弱化程度随之增加；不同瓦斯压力下的砂岩在受载破坏过程中都呈现相同的变化趋势，总体分为裂纹闭合阶段、弹性阶段、微小裂纹扩展阶段、宏观裂纹扩展阶段；随着瓦斯压力增加，砂岩的裂纹闭合阶段在峰前的占比呈现增加趋势，而弹性阶段和微小裂纹扩展阶段在峰前的占比呈现减少趋势。该研究对地下深部巷道的开挖和稳定性有重要指导意义。     

加锚异性结构面剪切破坏及声发射特征研究

自然界中广泛存在着两侧岩性不同的结构面,工程中常用锚杆抑制结构面的滑动。为了研究加锚异性结构面的直剪特性,开展了室内直剪试验,结合声发射监测结果,探讨了加锚异性结构面的抗剪强度、破坏类型及裂隙演化规律。研究结果表明:随着加锚异性结构面弱侧壁岩强度增加,抗剪强度呈非线性增加趋势,结构面加锚时的抗剪强度相比未加锚时依次提高了200%、267%、303%,破坏类型依次为剪切、拉剪、劈裂,且主裂纹方向与剪切方向基本一致;加锚异性结构面剪切—位移曲线分为压密、弹性、屈服、破坏4个阶段,压密阶段锚固剂出现挤压破坏,弹性阶段岩体与锚杆挤压处出现裂隙,屈服阶段锚杆承担主要抗剪力且发生了变形,破坏阶段岩样被剪碎;当结构面弱侧壁岩强度较低时,声发射事件集中在弹性阶段,当其壁岩强度较高时,声发射事件集中在屈服阶段;随着结构面弱侧壁岩强度增加,当λ<1时岩样产生大尺度剪切裂隙,当λ≥1时岩样产生小尺度剪切裂隙。     

基于颗粒流的砂岩三轴破裂演化宏-细观机理

以重庆地区砂岩的三轴压缩试验应力-应变曲线为基准,完成了二维颗粒流PFC2d数值砂岩试样的细观参数标定。针对0.5~20 MPa围压下数值砂岩在双轴试验中的宏观力学响应,从试样内部位移、3种类型裂纹(总裂纹、拉裂纹和剪裂纹)的数目演化和角度分布等细观层面进行了解释。研究结果表明：PFC2d数值试样能代表物理砂岩的主要宏观力学特性;试验过程中,试样内3种裂纹数目均呈“S”型累积,其突变点与宏观应力-应变曲线的弹、塑和破坏特征点对应;随着围压增大,由试验过程中剪裂纹始终占主导逐渐变为拉裂纹始终占主导,拉裂纹的占比逐渐增大;对于整个试样和破裂带,破裂带内拉裂纹的占比始终高于整个试样;总裂纹和剪裂纹角度分布的主方向明显,与加载方向相同;拉裂纹的角度分布较为均匀,在加载方向、破裂面及共轭破裂面方向的集中度相对明显。     

Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹对脆性岩石受压破坏的影响

脆性岩石内部的细观裂纹是导致其失稳破坏的重要因素之一,基于细观机制研究岩石受载后微裂纹的扩展、贯通有着重要的意义。脆性岩石内部主要存在Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹,目前该复合裂纹的扩展、贯通对岩石受压产生失稳破坏的影响研究相对较少。依据最大周向拉应力准则,结合拉剪复合作用下的Ⅱ型裂纹强度因子将Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹的强度因子表达式作了变换,得到了受裂纹参数影响的Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹的强度因子表达式,并通过裂纹强度因子与裂纹扩展之间的关系式得到了受Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹参数影响的应力与裂纹扩展长度的关系式,再结合损伤—应变关系推导出受其裂纹参数影响的应力—应变关系式。通过对比大理岩的常规三轴实验结果,发现二者比较吻合,充分验证了该模型的合理性。结果表明,岩石的承载力随着岩石内部初始损伤、裂纹尺寸以及翼型裂纹长度的增大而减小,随着裂纹间摩擦系数的增大而增大。并且在相同轴压的情况下,随着围压的增大,裂纹扩展长度减小,说明围压有效地遏制了岩石内部裂纹的扩展、贯通。本文从细观力学的角度解释了Ⅰ-Ⅱ型复合裂纹参数对岩石承载能力的影响,并将裂纹开裂角考虑到了其中,为从细观机制方面研究岩石的受压破坏提供了一定的参考。     

单轴压缩及劈裂试验下煤的声发射特征研究

为研究准静态加载下强冲击倾向性煤的抗拉及抗压性能,利用万能试验机系统和声发射监测系统分别对煤样进行单轴压缩试验和巴西劈裂试验,并监测加载过程中的声发射参数,对比分析煤样在2种加载方式(拉、压)下的变形破坏特征、煤样声发射时空演化规律及微观破坏机制。研究表明:拉、压载荷下煤样的变形特征基本一致,但也存在一定差异,压缩下较劈裂下压密阶段历时长且变形大,峰后阶段历时短,破坏剧烈;拉、压载荷下声发射幅值分布基本一致,低幅值(40～60d B)较多,高幅值较少,且比例随着幅值的增大而减小,二者呈幂函数关系,以高幅值声发射信号的出现可将加载过程划分为5个阶段;拉、压载荷下声发射空间定位演化特征基本一致,裂隙压密和裂纹萌生阶段缓慢产生声发射事件,裂纹稳定扩展阶段较快产生声发射事件,非稳定扩展阶段快速产生声发射事件,出现声发射丛聚现象;峰后阶段存在一定差异,压缩下较劈裂下产生速度快;拉、压载荷下煤样微观破坏机制均为以拉伸破坏为主导的拉剪混合破坏,但剪切破坏出现时间不同,压缩下主要发生在裂纹非稳定扩展阶段,而劈裂下则出现在裂纹萌生、裂纹非稳定扩展和峰后破坏阶段。     

深部裂隙煤岩体变形破坏机理及高压注浆改性强化试验研究

为了对深部高应力裂隙煤岩体变形破坏特征及改性强化机理进行研究,首先采用小孔径水压致裂法对埋深500 m左右和1000 m左右的地应力分布特征进行现场实测研究,以此为基础对比分析了不同埋深条件下地应力分布特征、煤岩体破裂强度及典型裂隙分布发育特征,拟合得到了不同埋深条件下裂隙煤岩体摩尔强度包络线公式。采用数值模拟方法对比研究了不同埋深不同应力水平条件下煤岩体不同角度裂隙变形破坏特征。根据裂隙扩展应变能释放率与能量吸收率间的关系,探讨了影响深部裂隙煤岩体改性强化的主要影响因素。通过建立裂隙悬臂梁力学模型,采用格里菲斯裂纹扩展破坏准则分析了裂隙扩展临界载荷和裂隙不同角度间的关系。基于现场实测及数值模拟研究结果,通过对不同埋深煤岩体破裂强度的统计分析,结合煤岩体改性强化的工艺及装备要求,提出了深部裂隙煤岩体改性强化的基本原则及临界值范围。基于上述研究成果,在千米深井工作面巷道进行了现场试验,得到了裂隙煤岩体改性强化高压注浆全过程改性压力曲线。通过对裂隙煤岩体不同改性强化阶段浆液扩散特征的分析,最大注浆改性强化压力为30 MPa,一般为15~20 MPa,与提出的改性原则相符。通过现场取样表征分析、实验室扫描电镜对尺度2~20μm浆液固结体特征进行对比分析,采用纳米压痕试验对浆液固结体和煤岩体的界面弹性模量效应进行了分析,从宏观到微观验证了裂隙煤岩体改性强化效果良好。     

煤与瓦斯突出流体动力学机理研究

煤与瓦斯突出是威胁煤矿安全生产的重大灾害,近年来随着对深部煤炭资源需求增加,煤和瓦斯突出次数和强度也日趋严重。运用流体动力学基本原理探讨突出过程中瓦斯气体压强和流速变化,研究表明游离态瓦斯气体在煤岩体内高速流动时产生的压强波可在煤层裂隙网中不断积累传播。而煤层中压强波的出现不仅能够改变裂隙中瓦斯气体流速和压力并扩展煤层裂隙,使含瓦斯煤岩体孔隙结构破坏,最终导致煤与瓦斯突出灾害发生。     

煤系“三气”共采产层组压裂裂缝扩展物模试验研究

硬脆性砂岩、页岩储层与塑性的煤层组合开发时,层间应力差、岩性差异、界面性质等因素会对水力裂缝扩展产生较大影响,复合储层人工裂缝扩展规律存在认识不清的难点,给储层改造方案的合理设计带来了难度。基于此,选取鄂尔多斯盆地东缘临兴地区天然露头岩石进行不同岩性组合,开展室内大尺寸真三轴水力压裂物理模拟试验,研究不同地应力差、弹性模量差异、煤岩割理等参数对水力裂缝起裂及扩展的影响。结果表明:水力裂缝起裂方向受地应力条件及近井筒天然弱面共同控制;当应力差在4~6 MPa时,既能保证裂缝穿透界面,又能保证高效沟通煤岩中天然弱面形成网络裂缝;层间弹性模量差异越大,缝内流体压力越高,穿透界面时释放的压力脉冲有助于激活煤岩中的微裂缝形成复杂的裂缝网络。水力裂缝在煤岩中的扩展路径受割理影响较大,易发生转向或者分叉扩展;水力裂缝穿透界面时压裂曲线存在明显的2次憋压,沟通煤岩割理过程中压裂曲线上下波动明显。研究复合储层水力裂缝起裂及扩展规律可为油田现场预测裂缝形态以及优化泵注程序提供参考。     

采矿岩石多尺度破坏力学

采动复杂应力环境下围岩的多尺度破坏行为是诱发煤矿灾害的一个根本因素。本文系统总结了团队十多年来在岩石宏细观破坏力学、巷道围岩控制及岩层移动等采矿岩石多尺度破坏力学的研究进展。在岩石力学室内实验尺度方面,利用带加载装置的SEM高温试验系统研究了热力耦合作用下岩石细观裂纹的萌生、扩展和断裂全过程,揭示了细观断裂机制;研究了不同加卸载条件下煤岩体及煤岩组合体宏观破坏力学特性,建立了煤岩体宏观破坏非线性模型。在巷道围岩尺度方面,揭示了巷道围岩应力梯度破坏机理,建立了深部巷道等强支护理论,明确了巷道支护方向,据此提出了巷道全空间协同控制技术并进行现场应用。在采场岩层破断移动尺度方面,实验研究了不同厚度顶板破断演变的4种模式;基于关键层理论,提出了采动覆岩整体移动“类双曲线”模型和内外“类双曲线”模型,分析了该模型随着关键层位置和煤层倾角的演化规律。上述成果为我国煤矿开采灾害防治提供理论和技术支持。     

大尺寸煤岩组合体水力裂缝越界形成缝网机理及试验研究

为了实现煤层气资源高效开采,针对我国煤层气储层"高储、低渗、成缝困难"的赋存特征,通过对裂纹尖端能量释放率、裂纹尖端应力场屈服区域数值分析以及煤岩组合体越界压裂试验,对煤岩组合体水压致裂过程中缝网形成机理及裂纹扩展特征进行研究。结果表明:同等应力条件下,煤体裂纹尖端塑性屈服区域明显大于砂质泥岩;裂纹在砂质泥岩中起裂瞬间释放的应变能可在煤体中产生约10.69~25.53倍当量裂纹面积或长度,有利于裂缝的延伸及多裂缝结构形成;通过数值分析可知,在达到近似临界煤岩拉破坏值时,砂质泥岩裂缝尖端在XX方位的最大集中应力值(7.05×10~5)约为煤体(1.98×10~5)的3.56倍;裂纹从坚硬砂质泥岩到软煤扩展试验过程中,形成了明显的复杂缝网结构;水力裂缝从覆岩到煤扩展过程中,在煤岩界面影响下出现贯穿、转向或偏转等现象,裂纹的转向或偏转导致裂纹形态复杂,有利于缝网结构的形成。     

考虑瓦斯压力的煤体三轴抗压强度研究

从煤体强度的角度来分析含瓦斯煤岩的破坏行为,通过实验分析了考虑瓦斯压力的含瓦斯煤岩的抗压强度。研究表明:在三向应力状态下,煤样的破坏形态受侧压的影响;煤样的残余变形与试验的侧压及本身的强度有关,煤样的强度越大,残余变形就越小;在试验侧压的范围内,煤样的弹性模量随侧压的增大而增大。与单轴压缩相比,含瓦斯煤的抗压强度和弹性模量都有所降低。原因在于:煤样制备的时候较为松散及瓦斯压力的影响。煤的强度受其中瓦斯气体的影响较大,煤体吸附瓦斯后体积膨胀强度降低,而煤体释放瓦斯后强度增加。     

突出和冲击地压中层裂现象的机理研究

针对突出和冲击地压中常出现的岩壁应力突然卸载的力学条件,建立简化的层裂发生及发展数学模型。利用动力学理论,分析了岩壁应力突然卸载时应力在岩体中的传播规律,得出了层裂破坏的原因,并通过数值模拟方法再现了层裂过程。结果表明,冲击地压中层裂现象产生的主要原因是由于地应力突然卸载而形成卸载波,该卸载波向深部传播过程中发生部分反射,反射波和入射波叠加使岩石受拉应力而破坏。煤与瓦斯突出中层裂现象的产生不仅受到卸载波反射叠加的影响,还受到瓦斯的影响,分别表现为高压游离瓦斯参与了煤中裂隙的扩展,以及伴随着层裂的间断性出现,瓦斯压力的间断性释放又会产生向深部传播的卸载波。     

不同应力组合条件下煤岩渗透率的试验

利用自制含瓦斯煤热流固耦合三轴伺服渗流实验装置,对煤岩在不同轴压、围压和瓦斯压力组合下进行渗流试验,研究不同围压和瓦斯压力组合下的全应力-应变及在不同应力组合下煤岩渗透性的影响规律。结果表明：煤岩的渗透率随体积应力变化有三个阶段;在轴压和瓦斯压力一定的条件下,渗透率随着围压的增加而减小,且与围压呈二次曲线关系,围压对渗透率的影响比轴压大;在轴压和围压一定的条件下,渗透率随着瓦斯压力的增加先减小后增大,且与瓦斯压力呈三次曲线关系,渗透率减小阶段滑脱效应占主导地位;在一定瓦斯压力和相同体积应力下,渗透率随轴压的增加而增大,随围压的增加而减小,而且呈线性规律。     

考虑区域地应力特征的裂隙煤岩流固耦合特性实验

通过位移反演方法对区域地应力特征进行理论分析,建立研究煤岩内部裂隙时空演化规律的力学实验系统,设计了区域地应力作用下裂隙煤岩流固耦合计算模型,初步揭示裂隙煤岩流固耦合特性。通过地应力的现场监测,验证了位移反演方法的准确性,垂直地应力与最小水平主应力数值稳定,受开采扰动影响,最大水平主应力出现局部性突增。借助数字化X射线摄影系统,给出了不同载荷下内部裂隙场DR扫描图像,发现随外载增大煤岩内主裂隙持续扩展,且裂隙场形态分别为共轭型与X型。矢量化处理裂隙场信息并导入耦合计算模型,分析不同工况下耦合模型的渗流参数变化情况,初步得出裂隙煤岩流固耦合特性:外载增大将导致煤岩内部微裂隙进一步相互贯通扩展并出现宏观破裂,这是裂隙煤岩孔隙率与渗透率持续性增加的本质原因,且流速最大区域迁移过程可表征裂隙煤岩次生裂隙分布特点,主裂隙内水体流速最大且随注水压力的增大,水体流速不断增加,较大的流速一般发生在具有较大水力梯度的细小裂隙位置处。同时,出口流速特征表现为出口流速分量的最大值均位于煤岩两侧并随着外载的增大而增加。     

含X型裂隙类岩石材料水力裂缝扩展研究

页岩气等非常规油气资源逐渐成为资源开采的热门领域。提高非常规油气藏的渗透率是目前面临的突出问题,水力压裂技术是当前提高非常规油气藏渗透率主要技术手段之一。为探究天然岩体中的X型裂隙对水力裂缝扩展规律的影响,采用真三轴水压加载系统,对含预置X型裂隙的类岩石试件进行了水力压裂实验,研究了多种X型裂隙形态在不同围压下对水力裂缝扩展的影响,并使用数值计算软件Abaqus中的扩展有限元(XFEM)方法对部分实验工况进行了数值模拟。研究结果表明:X型裂隙裂尖位置对水力裂缝的扩展有诱导作用,水平应力差系数越低,天然裂隙裂尖对水力裂缝扩展方向的诱导作用越强;随着水平应力差系数的增大,裂尖位置对水力裂缝扩展的诱导作用减弱,水力裂缝逐步向水平最大主应力方向扩展。主、次裂隙裂尖距离较近时,两裂尖所处位置的应变能密度较大,主、次裂隙裂尖对水力裂缝扩展诱导具有集中强化效应,水力裂缝更易向裂尖位置扩展;主、次裂隙裂尖处于近似关于水平最大主应力方向对称的位置,主、次裂隙裂尖的应变能密度比较接近,主、次裂隙裂尖对水力裂缝扩展诱导作用具有平衡弱化效应,裂尖对水力裂缝的诱导作用减弱,水力裂缝更易向水平最大主应力方向扩展。