岩体裂隙渗流-劈裂-损伤耦合模型及应用

基于岩体裂隙渗流-劈裂-损伤耦合效应是引起岩体工程高压突水、水力劈裂等地质灾害的重要原因,研究高水压下岩体裂隙的劈裂损伤机理和各向异性渗流特性,建立岩体裂隙渗流-劈裂-损伤耦合理论模型。将损伤应力场和渗流场作为2个子系统,采用间接耦方法构建岩体裂隙渗流-劈裂-损伤耦合数值模型。将模型应用于山西省长治市潞安王庄矿3号煤4309工作面高压注水软化顶煤工程,对高压注水下煤岩体的渗流-劈裂-损伤耦合响应规律进行研究。研究结果表明:所建模型反映了渗透压对岩体柔度张量的贡献和翼形裂纹扩展对裂隙岩体渗透张量演化的贡献;在高渗透压条件下,煤岩的应力场会发生很大变化,甚至可能改变煤岩应力拉压状态;高渗透压改变了煤岩裂纹结构,导致煤岩破裂是高压注水软化顶煤的基本原因;潞安王庄矿3号煤4309工作面的合理注水压力为7 MPa左右,这在现场注水现场试验中得到证实。     

含瓦斯煤岩流固耦合渗流数值模拟

为研究含瓦斯煤岩体长时效应及变形规律,采用理论推导与数值模拟的方法,利用含瓦斯煤岩变形理论与瓦斯渗流的基本理论,假定煤岩渗透率与体积应变正相关,推导获得体积应变与渗透率理论关系;利用COSOL Multiphysics软件,数值模拟研究了含瓦斯煤岩流固耦合的全过程,得到了含瓦斯煤岩渗流特性.研究结果表明:理论推导的体积应变与渗透率的关系式是合理的;当含瓦斯煤岩处于弹性阶段,煤岩体的渗透率随体积应变的增大而增大.研究结果对煤层瓦斯抽采参数设计具有重要的理论意义.     

单轴压缩荷载作用下煤岩损伤演化规律的CT实验

冲击地压是煤岩体损伤破坏的特殊表现形式，为了弄清冲击地压的发生机理，利用CT机及其配套专用加载设备，进行了单铀压缩荷载作用下煤岩破坏全过程的细观损伤演化规律动态CT试验，得到了单轴荷载作用下各个应力阶段煤岩在从微孔洞压密到微裂纹萌生、分叉、发展、断裂、破坏以及峰值后各个阶段清晰的CT图像和CT数。通过对CT数和方差等数据进行分析，得到了单轴荷载作用下各个应力阶段煤岩的损伤演化规律，为从细观尺度探讨微裂纹的发生、发展提供了依据，可进一步研究煤岩的宏观破坏及其本构关系。     

煤体细观损伤理论分析与数值模拟研究

裂隙是煤岩体在采掘过程中表现出的一种基本的力学现象。为了探究煤岩体的损伤程度和裂隙在受载情况下的发育情况,本文通过理论与实验室试验结合的方法:首先研究了煤岩的孔隙率和损伤力学的基本理论,建立了损伤演化的基本模型;然后,应用了实验室单轴循环加卸载试验与数值模拟相结合的方法进行研究,通过单轴压缩试验,表述煤岩体应力应变全过程曲线示意图,并且分析得到裂隙发育的三种主要阶段。研究结果表明:微裂隙的发育受轴向应变率与围压的共同影响,宏观裂隙的发育主要集中在与轴向成20°~40°的区域内。     

煤岩体蠕变-渗流耦合数值模拟

针对煤岩体具有流变性,蠕变是流变的主要形式问题,遇水后煤岩力学性质发生显著变化,造成煤岩体的变形和失稳,导致重大工程事故的发生。基于等效连续介质模型和流变学的理论,建立煤岩体流变场与渗流场耦合作用下的流变模型,推导相应的直接耦合总体控制方程,并应用于解决煤岩体层状边坡长期稳定性;基于FEPG软件平台,编制蠕变破裂-渗流耦合模块,分析煤岩体层状边坡各设定监测点随时间演化应力变化规律,以及其监测点水压随时间的变化,位移的变化规律,并对模型监测点在蠕变破裂和蠕变破裂-渗流耦合两种情况下的水压变化进行了对比分析,为煤岩工程的长期稳定性提供理论方法和实际预测依据。     

水与煤岩蠕变影响试验研究

为了解决煤岩体具有的流变性,而蠕变是流变的主要形式;遇水后煤岩力学性质发生显著变化,造成煤岩体的变形和失稳,导致重大工程事故的发生。采用静载油压三轴试验机,测定不同含水率对煤岩体试件蠕变特性规律;根据含水状态对煤岩体蠕变特性影响,对煤岩蠕变模型以及参数进行了确定。该成果为含水状态下煤岩体的长期稳定性研究提供理论依据。     

煤岩非线性损伤试验及理论模型

为了研究煤岩材料的损伤演化过程,分别对煤和砂岩试样进行了轴向应变控制、定常环向应变控制、不同围压下的单轴压缩和三轴压缩试验研究,观察煤岩的实验损伤演化过程;对试验数据进行分析,结合煤样的变形损伤特征,基于损伤力学和热力学基本原理,推导并建立了煤岩非线性损伤演化方程和煤岩试样非线性损伤本构方程.通过试验结果验证了煤岩材料的非线性损伤理论的合理性,同时也丰富了煤岩损伤理论体系.     

煤岩与瓦斯微元体破坏突出机理

煤岩与瓦斯突出是地应力、瓦斯压力、煤体结构破坏、孔洞内煤屑与瓦斯压力及时间效应等共同作用的结果。文中从煤与瓦斯突出发生的整个过程出发,结合现有的煤岩与瓦斯突出机理的研究成果,通过建立煤岩微元体破坏模型,计算煤岩微元体区域破坏概率、煤与瓦斯突出所必须的能量条件,分析煤与瓦斯突出区域的形成与发生,最后,提出了煤岩与瓦斯的突出是从煤岩体微元的破坏开始的,其发展、发育过程是众多煤岩体微元连续破坏的结果,得到了突出区域煤岩体破坏概率的平均强度以及发生突出的必须能量条件关系式,为煤与瓦斯突出的研究提出了一个新的模式与思路,对于防治煤岩与瓦斯突出事故、灾害的发生具有一定的实践与理论指导意义。     

不同煤岩组合体力学特性的数值模拟研究

为研究不同煤岩组合体力学特性和声发射特征,利用RFPA2D数值模拟软件,对不同围压和不同组合倾角条件下的泥岩煤组合体,粉砂岩煤组合体及石灰岩煤组合体进行了模拟。结果表明,单轴压缩时不同煤岩组合体应力应变曲线相似,其峰值强度均接近煤体的单轴抗压强度;煤岩体强度随着组合体间倾角的增大而减小,煤岩体中岩体的强度越高,煤岩体越早出现强度的迅速衰减;煤岩组合体的内摩擦角随着组合体倾角的增大而减小,而内聚力随着倾角增大先增大后减小;随着围压的升高,煤岩组合体的声发射振铃计数最大值经历了一个先减后增的过程,组合体中岩石强度越高,声发射最大振铃计数值越高。     

含瓦斯煤岩流变特性研究

在打通煤样流变实验基础上，研究了含瓦斯煤岩在不同的孔隙压力下不同应力级别的变形与时间关系，提出的广义西原模型能考虑到煤岩体蠕变加速阶段的非等加速特性，真实描述煤岩体蠕变的全过程曲线，最后利用非线性回归方法一最小二乘法中的Marquardt法对实验结果进行了拟合，获取了煤岩的流变参数。理论分析结果和实验结果对比，两者之间有较好的吻合性。广义西原模型为使用电磁辐射法预测煤与瓦斯延迟突出提供了理论基础。     

煤岩破坏电磁辐射记忆效应特性及产生机制

通过实验研究了不同加载方式下的煤岩破坏电磁辐射记忆效应特性;借助细观损伤力学和电磁动力学等理论,对煤岩内部结构损伤扩展及电磁辐射产生机制进行了分析。结果表明,煤岩破坏电磁辐射具有记忆效应特性,但记忆最大历史应力、纵向应变的能力明显优于记忆横向应变和体应变的能力,受载煤岩损伤破坏过程的不可逆性是煤岩破坏电磁辐射产生记忆效应的直接原因。     

煤体裂纹水力致裂的扩展机理

基于现有的岩石断裂力学和细观损伤力学,在引用裂纹尖端损伤局部化模型,考虑煤体的远场应力、煤体注水压力及局部损伤带内应力作用的前提下,分析了裂纹尖端应力分布,对水力作用下煤体裂纹尖端损伤局部化、裂纹扩展的基本条件及裂纹扩展的方向进行了理论分析与探讨。     

分形在岩土材料断裂研究中的应用

综述了分形理论在岩土材料断裂力学,损伤断裂力学和断裂表面粗糙度描述中的应用及其最新进展。     

冲击式采煤煤体冲击劈裂厚度的确定

根据动力学及断裂力学的有关理论,对煤体断裂准则及裂纹扩展速度进行了研究,确定了合理的冲劈厚度。     

基于 ANSYS 二次开发的采场损伤演化规律研究

基于 ANSYS 软件的 UPFs 二次开发平台,借助损伤变量描述煤岩体的裂隙演化,建立弹性损伤本构模型,对单一煤层分步开采过程进行模拟并研究其损伤演化规律。研究表明,随着工作面的推进,损伤不断扩展,覆岩损伤场的分布形态沿走向由“拱形”向“马鞍形”转变。上覆岩层水平方向中部观测线上,随岩层深度的增加,观测到的初始损伤值减小,损伤增长剧烈程度增加。     

裂隙性储层压裂缝延伸机理及防治水意义

针对由水力裂缝触发的裂隙性储层涌水、突水等地质问题，首先根据弹性力学原理和断裂力学强度准则，基于储层原生裂缝几何特性和压裂液渗流规律，建立了垂直井工况下的起裂压力计算模型;其次考虑煤储层的损伤本构关系，将Dougill损伤因子与起裂压力公式相结合，进一步建立了延伸压力的计算模型;应用经典的PKN模型以及裂缝内净压力的非线性压降规律，建立了改进的压裂缝扩展延伸模型.该模型揭示了裂缝性储层压裂长度L与压裂时间t之间的非线性关系，显示出压裂缝的延伸距离随时间的增加而增长，但前期增长较快，后期基本趋于稳定.豫北焦作恩村区块三口试验井的计算结果，与邻区位村区块微地震实测资料契合度较高，从而验证了理论模型的正确性，为现场压裂参数控制以及防治压裂缝突水提供了可靠的技术支撑.     

煤岩冲击破碎趋势的几何准则

基于介质非协调转动将产生裂缝的思想，运用断裂力学、弹性力学相关理论，提出了煤岩冲击破碎的几何准则，用来分析预测煤岩的冲击破碎趋势，并在实验中进行了分析验证。     

冲击矿压诱因-能量积聚与耗散的自组织临界性

针对能量积聚具有耗散结构的自组织性，依据突变理论，只要煤体中能量的积聚与耗散维持一个动态平衡，从而其储存能将始终维持在某一正常水平，从细观损伤、断裂力学的角度来看，煤体中能量积聚与耗散的载体-微缺陷（裂纹、孔洞等）就不会失稳断裂而形成冲击。通过理论研究与现场实测发现煤体中能量的积聚与耗散具有自组织临界性（SOC），因此可以通过煤体中能量的释放率来控制能量的积聚率，并利用电磁辐射强度（幅值）来检验能量释放的效果，使得能量的积聚与耗散维持动态平衡并处于自组织临界值之内，从而实现冲击矿压的动态防治。     

煤矿机械装备维修再制造无损检测技术现状及发展趋势

煤矿机械装备维修再制造无损检测技术对于煤矿机械高效安全运行和煤矿安全快速发展具有重要意义.详细阐述了煤矿机械装备维修再制造无损检测技术,并对其预测过程进行了较为详细的论述与分析.指出煤矿机械装备维修再制造无损检测技术存在的问题,针对目前存在的问题,提出了未来无损检测应为智能化、数字化、自动化,由单一模式向复合模式新技术发展,检测设备向低能耗、高信噪比发展,未来应与断裂力学、材料力学有机结合检测的同时对寿命进行预测;其未来检测应基于煤矿环境,建立基于煤矿环境的无损检测评价体系以及技术网络,提高检测效率和准确度.     

数值分析法对顶煤压裂损伤参数的研究

运用弹塑性耦合有限元数值分析正交试验法,系统研究了放顶煤开采中顶煤压裂的损伤变量D随开采深度H,煤的强度R。和煤层厚度的变化规律,得出开采深度和煤的强度是影响顶煤损伤参数的主要因素,煤层厚度等因素影响是微弱的。