薄煤层动静组合诱发冲击地压的机制

理论分析了动静组合诱发冲击地压的应力条件和能量转化过程,揭示了动静组合诱发冲击地压机制,数值计算分析了工作面应力分布特征与煤厚之间的关系,采用微震监测数据分析了卸压爆破产生的应力波传播规律,并分析研究了薄煤层动静载特征及诱发冲击地压过程。结果表明:薄煤层工作面应力集中程度较厚煤层高,峰值应力区距离煤壁较近,应力梯度较大;采动动载直接与高应力叠加,且开采导致的应力降以及单位体积煤体释放的弹性变形能远高于厚煤层,在动静组合作用下,薄煤层工作面易于达到动静组合诱发冲击地压的应力和能量条件,显著符合动静组合诱冲机制。最后基于动静载组合诱发薄煤层冲击地压的机制,探讨了薄煤层冲击地压防治原则和技术方法。     

深井冲击地压特征及煤岩结构动力失稳分析

本文在总结开滦赵各庄矿（-1100m）发生的两次冲击地压特征的基础上,从材料强度破坏、结构失稳、能量释放理论,分析了千米深井高应力、强流变回采巷道冲击地压的发生机理,同时指出煤岩体结构动力失稳破坏的临界状态,是围岩渐进变形过程中细观裂纹突变、分叉形成不同力学特性的多介质组合体的结果,并对其脆塑性结构进行初步稳定性分析。最后总结了赵各庄矿冲击地压防治对策及经验。     

煤岩体冲击地压储能机理发生条件的研究

为了进一步定量分析冲击地压的发生时间、地点、强度等特征,结合对岩体性状组织损伤弱化的分析,提出了煤岩体发生冲击效应的区域能量方程,从能量的观点对煤岩的力学性质进行了多方面的探究,建立了煤岩损伤本构方程,论述了冲击地压的形成机理.结果表明,冲击地压过程实际上是加速损伤过程,冲击地压的发生有两个必要条件:一是岩石为第Ⅱ类岩石,二是巷道壁面产生足够大的变形,并提出预防冲击地压的措施.     

煤的损伤参量与损伤特性分析

通过对煤的力学性质进行分析研究,全面了解煤的变形、破坏机理和影响煤体变形的因素,解释了煤矿开采过程中冲击地压,煤体突出等矿压现象产生的机理,通过对煤样受载变形过程中内部微细观裂纹的产生、扩展和演化规律的分析,指出了煤与岩石的损伤变形差异,结合煤样的变形损伤特征,确定了损伤参量。     

采掘工作面发生冲击地压的尖点突变模型研究

根据煤层冲击地压的非稳定性问题,建立了煤层冲击地压的力学模型,采用非线性科学中的突变理论,对煤层变形失稳及冲击地压进行了突变理论分析,得出了煤层冲击地压发生的条件以及冲击地压发生时煤层变形的突跳量和所释放出来的能量表达式,其研究成果深化了对煤岩失稳和冲击地压发生机制的认识。     

采场围岩三维力学特征与冲击地压的联系

阐述了采场围岩三维力学特征及其影响因素,在分析冲击地压发生机理的基础上,初步探讨了综采采场围岩应力壳演化特征与发生冲击地压的联系,认为随开采特点及影响因素的改变,采场围岩应力壳的演化及发展为冲击地压的孕育发生创造了力学及能量条件,强调充分认识采场围岩应力壳的演化特征对防治冲击地压等煤矿动力灾害具有重要意义。     

煤矿采掘工作面发生冲击地压的突变理论研究

根据煤层冲击地压的非稳定性问题,建立了煤层冲击地压的力学模型,采用现代非线性科学的突变理论,对煤层变形失稳及冲击地压进行了突变理论分析,得出了煤层冲击地压发生的条件以及冲击地压发生时煤层变形的突跳量和所释放出来的能量表达式,其研究成果深化了对煤岩失稳和冲击地压发生机制的认识.     

煤岩体中储存能量与冲击地压孕育机理及预测方法的研究

应用能量传递原理和能量守恒定律，结合对岩体性状组织损伤弱化的分析，提出了煤岩体发生冲击效应的理论，导出了冲击效应方程。结合冲击效应学说与能量方程，以不同的认识方法分析论述了冲击地压的形成机理，在此基础上进一步揭示和讨论了关于冲击地压的认识理念和预测装备的研发技术路线。     

浅析能量组合型冲击地压控制理论

在总结深井冲击地压的特征和规律的基础上,对冲击地压的发生机理进行了分析,并指出了冲击地压是煤岩体系统在变形过程中由稳定态积蓄能量向非稳定态释放能量转化的非线性动力学过程,建立了以组合型能量转化为中心的冲击地压分类体系,并探讨了组合型能量转化的冲击地压发生机理。在此基础上,提出了以组合型能量转化为中心的冲击地压控制理论。     

煤层底板导升突水机理研究

为了进一步认识底板突水破坏机理,将底板隔水层简化为弹性梁,在考虑承压水作用的情况下,运用材料力学理论计算得出采场隔水层底界面由压缩区向卸压膨胀区过渡的岩体最易发生损伤破坏。在此基础上,运用损伤力学理论分析给出了临界损伤变量Dc。运用断裂力学理论建立断裂力学模型,并给出采场隔水层承压水导升裂纹端部应力集中系数的计算公式。最后,从损伤断裂能量角度对裂纹扩展进行了分析,通过简化参数,建立了形成初始宏观裂纹损伤断裂能量释放率计算公式,并分析了初始裂纹损伤断裂能量释放率与其各影响参数的关系,可为底板突水预测预报研究提供理论依据。     

薄煤层中垂直裂缝地震响应特征模拟分析

通过定义一个简单的薄煤层模型,在不断增加煤层中垂直裂缝数量的条件下,利用基于分裂节点的有限元数值方法模拟了含有不同条数裂隙煤层的地震反射波场;通过与不含裂缝、各向同性薄煤层反射的多波波场对比分析发现:裂缝的存在会对煤层的反射产生影响,但裂缝密度低时影响微弱,裂缝密度增加到一定程度后会出现类似调谐作用的反射能量干涉加强;裂缝密度进一步升高,对煤层反射的影响主要反映在高频成分的增加,对振幅影响较弱,说明煤层的反射强度主要受薄层的干涉作用影响较大;从理论地震波场分析的角度证明了薄煤层含裂缝的不可忽视性及反演的可能性。     

煤的热解破裂过程——孔裂隙演化的显微CT细观特征

利用μCT225FCB型高精度工业CT试验机进行了不同温度下褐煤、气煤细观结构演化的显微CT试验,发现煤在低温阶段（<300 ℃）,由于煤中水分和自由气体的散失而产生大量裂纹;在高温阶段（>300 ℃）,有机质的热解导致煤中大量孔隙裂隙的形成,煤的这种产生孔隙裂隙的方式与无机岩石（如花岗岩、砂岩等）明显不同,称这种因热解作用导致煤等一类富含有机质的岩石发生破坏的现象为热解破裂。与无机岩石的热破裂过程相比,煤的热解破裂在破裂机理、裂纹起始位置、裂纹形态方面具有显著的独特性。煤热解破裂过程中,当温度低于300 ℃时因煤中自由水和自由气体的散失而形成以细长裂纹为主的孔隙裂隙系统;当温度高于300 ℃时因煤中热解产物的逸出而形成以圆形或椭圆形孔洞为主的孔隙裂隙系统。300 ℃前新生裂隙不仅起始于煤中的硬质颗粒之间,更普遍的起始于有机质中;300 ℃后孔隙裂隙的形成主要起始于有机质内。     

不同瓦斯压力下煤岩三点弯曲断裂特性研究

为探求含瓦斯煤I型裂纹断裂韧度及断裂过程裂纹扩展特性,以原煤制作中心直裂纹半圆盘三点弯曲试样为研究对象,利用自行研制的带视窗的含瓦斯煤岩试验装置,开展了不同瓦斯压力条件下含瓦斯煤I型裂纹断裂特性研究。研究结果表明：在瓦斯赋存状态下,随瓦斯压力的增大,I型断裂韧度及断裂能耗呈逐渐降低的趋势;含瓦斯煤试样扰度逐渐增大,试样在破坏前塑性形变逐渐明显;裂纹初始扩展速度显著增加（瓦斯压力由0增加至1.5 MPa时,其初始扩展速度由78 m/s提高至239 m/s）,且随裂纹长度的增加,扩展速度明显降低;通过数字散斑方法,清晰的描述试样表面变形及裂纹扩展过程,并得到裂纹扩展前的损伤区域。     

高惰质组煤微波诱导裂纹特征的研究

为拓展微波技术在西部高惰质组煤炭资源精细加工中的应用,以3种西部典型高惰质组煤为研究对象,研究了微波诱导裂纹形成的规律。结果表明：单独的微波辐照对煤粉碎特性影响较小,但可提高进一步机械粉碎的粉碎效率,且微波对不同粒度煤样的响应不同;裂纹数量和微波能量之间存在线性递增的关系;裂纹数量随煤样粒度减小呈现先增大后减小的趋势,且在74~125 μm粒度范围内达到最大。通过扫描电镜和煤岩光片进一步分析裂纹的形态、生长和扩展,可知在微波诱导作用下高惰质组煤存在3种裂纹生成模型,即界面裂纹、组内裂纹、差异性裂纹。     

含瓦斯煤岩剪切破断过程中裂纹演化及其分形特征

利用自主研发的含瓦斯煤岩细观剪切试验装置,开展了含瓦斯煤岩细观剪切试验,研究了煤岩剪切破断面裂纹的开裂扩展演化规律,并基于分形理论,分析了剪切破断面裂纹分布的分形特征。研究结果表明：含瓦斯煤岩剪切破断面裂纹的演化过程经历了5个阶段,即裂纹起裂、裂纹稳定扩展、裂纹非稳定扩展、剪切破断及裂纹摩擦阶段;含瓦斯煤岩剪切破断不同阶段的裂纹分布符合分形特征,且随着剪切应力水平的提高,含瓦斯煤岩剪切面裂纹分布的分形维数呈现上升趋势,通过剪切面裂纹的分形维数可定量描述含瓦斯煤岩随剪切应力状态变化的裂纹演化特征。     

各向异性薄煤层纵波AVAZ分析

通过建立HTI型薄煤层的传播矩阵,推导了水平界面情况下含各向异性薄煤层反射系数精确计算公式,并利用该公式对含有薄HTI型各向异性煤层进行了纵波AVAZ分析。经过研究发现,当HTI型煤层为薄层时(厚度小于地震波长的1/4时),其纵波反射系数与煤层为厚层时(厚度大于地震波长)顶板的纵波反射系数规律相似,但其值不仅与上下层介质物性参数有关,还与厚度有关,可见煤层为薄层时采用经典公式反演会带来误差;薄层厚度、Thomsen等效各向异性参数和裂缝密度对纵波反射系数有较大影响,裂缝纵横比对反射系数影响较小。入射波方位角为90°时,入射波在HTI介质各向同性面,此时各向异性参数对反射系数影响最小。     

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。     

煤岩破坏过程的细观力学损伤演化机制

为了有效监测煤岩巷道围岩的损伤稳定程度,以漳村矿煤岩为例开展了煤岩损伤破坏特性的研究,首先对该矿煤岩进行单轴压缩试验测得其力学参数,然后通过颗粒流软件获得其细观力学参数进行了不同围压下煤岩试验。分析了煤岩破坏过程的声发射和应变能变化规律,并从煤岩损伤萌生、成核、扩展和贯通的过程研究了损伤演化机制,获得以下结论:最大声发射强度与峰值应力并不同时出现,具有一定滞后性,低围压范围滞后效应随围压变化敏感,高围压范围围压对其影响减弱;随着围压增加在最大声发射前会出现明显的平静期,并指出平静期的出现是由煤岩内部严重损伤区的产生和损伤愈合吸收应变能所致;将煤岩损伤破坏过程分为微损伤弥散分布、损伤局部集中发展成核、裂纹稳步扩展形成局部裂隙、局部裂隙贯通煤岩失稳4个阶段,指出围压对各个阶段的影响异同。     

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。     

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。