开采扰动区(EDZ)内层状围岩变尺度损伤及失稳预计实验及综合分析

在地下开采中常遇到层裂影响围岩力学行为,考虑到安全支护载荷及衍生动力灾害的可能性及工程应用,基于现场工程调查和室内多尺度煤岩动力破坏规律实验观察,建立了物理相似模型,完成了基于声发射(AE)的采空区覆岩变尺度损伤与断裂的模拟实验,对开采扰动区工作面周期来压(4个阶段)、围岩破裂与损伤的声发射特征参数(总事件与能率以及隐含的临界敏感性)等多元信息进行了综合比较,获得了老顶来压强度及支护阻力的定量化指标,这为工程现场EDZ内顶板大范围破断、围岩稳定性、破碎岩体失稳垮落等监测与控制提供依据。     

诱导冒落的声发射特性研究

采用RFPA软件,模拟不同应力场、不同节理分布的岩体冒落过程中声发射特征.研究表明:水平节理顶板声发射集中分布于采场上拱角处;竖向节理顶板声发射沿着竖向损伤破坏面和剪切破坏面分布;共轭节理顶板声发射沿着空区与水平面呈45°+φ/2方向,位于节理端部;高应力岩体声发射沿着采场竖墙发生,声发射沿着冒落拱形迹线分布.冒落过程声发射的能量变化分为两个阶段,第一阶段为平稳阶段,第二阶段为突变阶段,结果表明突变阶段的能量变化率为第一阶段的5倍以上时,可作为顶板冒落的判据,为工程预测塌陷及冒落提供指导.     

中部锁固岩桥脆性断裂特征试验研究

锁固型岩桥的脆性断裂是带裂隙岩体失稳的主要原因,具有较强的突发性和隐蔽性。针对“三段式”“挡墙式”两种典型的中部锁固岩桥类型,开展端部开裂砂岩试件的单轴压缩试验研究。基于能量散耗理论及声发射(acoustic emission, AE)频度-能级指数关系,结合高速工业相机记录信息,探究了岩体受压过程中岩桥脆性断裂机理及其前兆信号特征。研究结果表明：(1)与“三段式”锁固岩桥相比,“挡墙式”锁固岩桥峰值强度和弹性模量降低,但其脆性断裂特征更加明显;(2)“挡墙式”锁固岩桥应变能耗散速率明显高于“三段式”锁固岩桥,其声发射平静期与塑性变形阶段持续时间较短,但AE事件率及声发射能量释放更高,岩桥内部裂纹扩展活动更频繁;(3)定义了“三段式”“挡墙式”锁固岩桥整体频度-能级的关系式,表明脆性破坏程度越剧烈,声发射b值(斜率)越小;(4)声发射b值的快速下降可作为岩桥脆性断裂的前兆信号。锁固岩桥的存在形式与赋存位置影响着裂隙岩体的脆性断裂倾向,研究所得可为端部开裂岩体突发脆性失稳提供理论依据及科学预测方法。     

构造应力复杂顶板变形演化特征

采用平面物理模拟实验,运用数字化声发射( Acoustic Emission,AE)技术对构造应力复杂煤层顶板在开采扰动中的局部损伤、变形及破裂过程进行了实时监测分析,对微裂隙结构及其与之对应的声发射动态参数进行了深入研究定量揭示了工作面不同开采技术条件下构造复杂顶板覆岩介质局部化损伤-破裂-失稳规律,为类似地质环境下工作面开采过程中矿山压力预警与围岩动力灾害控制提供有益借鉴     

Structure instability forecasting and analysis of giant rock pillars in steeply dipping thick coal seams

Structure stability analysis of rock masses is essential for forecasting catastrophic structure failure in coal seam mining. Steeply dipping thick coal seams (SDTCS) are common in the Urumqi coalfield, and some dynamical hazards such as roof collapse and min-ing-induced seismicity occur frequently in the coal mines. The cause of these events is mainly structure instability in giant rock pillars sand-wiched between SDTCS. Developing methods to predict these events is important for safe mining in such a complex environment. This study focuses on understanding the structural mechanics model of a giant rock pillar and presents a viewpoint of the stability of a trend sphenoid fractured beam (TSFB). Some stability index parameters such as failure surface dips were measured, and most dips were observed to be between 46° and 51°. We used a digital panoramic borehole monitoring system to measure the TSFB’s height (ΔH), which varied from 56.37 to 60.50 m. Next, FLAC3D was used to model the distribution and evolution of vertical displacement in the giant rock pillars;the re-sults confirmed the existence of a TSFB structure. Finally, we investigated the acoustic emission (AE) energy accumulation rate and ob-served that the rate commonly ranged from 20 to 40 kJ/min. The AE energy accumulation rate could be used to anticipate impeding seismic events related to structure failure. The results presented provide a useful approach for forecasting catastrophic events related to structure in-stability and for developing hazard prevention technology for mining in SDTCS.     

破碎岩体巷道非对称破坏与变形规律定量预计与评价

在综合分析区域地质(震)特征、岩体空间变异性特征、开采技术条件和支护模式的基础上,利用FLAC3D程序,定量评价了破碎岩体巷道非对称破坏与变形特征.与现场监测对比分析表明,顶部破碎岩层深度、劣化后的岩体强度以及支护模式的合理性等对巷道岩体破坏的影响比较显著,锚杆(索)将破碎岩体与深层稳定岩体承接起来共同控制结构稳定性,从而进一步验证了计算模型的正确性和可行性.工程实践表明,加固后完整稳定顶部岩体与两帮煤体共同控制了非对称载荷作用和煤壁力学强度的劣化,减少了非对称变形、煤壁挤压及滑落失稳,进而有效遏制冒顶的发生.     

各向异性岩体破坏过程声发射测量及其定位实验研究

应用改进后的声发射设备,实验测量了花岗岩试样在单轴压缩加载条件下变形破坏过程中声发射现象;讨论分析了该试样损伤破坏过程中的诱发微裂纹相互作用、积累等.同时采用对速度结构依赖较少的相对定位方法,对非均质岩石试验中的声发射事件进行了定位研究.结果表明,相对定位方法可用于复杂试样和工程岩体的声发射事件定位,其可靠性及精度比以往有所提高,能够初步定量分析岩石在外载荷作用下的破坏过程的定位问题,对于工程岩体破坏问题分析具有很好的借鉴意义.     

破碎围岩环境下巷道应力与变形监测

开采过程中,破碎围岩环境下巷道煤岩结构及应力与变形随时间演化行为直接影响其稳定性。通过理论计算,结合现场应力监测、声发射(acoustic emission,AE)和钻孔窥视等手段,定量确定了工作面煤巷的松动范围和塑性区范围,综合分析了破碎围岩环境下煤岩非对称变形特征,为工作面安全开采提供了依据。     

裂隙岩体中隧道变形破坏的节理有限元模拟计算

裂隙岩体是地下工程施工中经常遇到的一类岩体,研究其变形和破坏机理是工程安全施工的保证。以天平线关山隧道工程为例,采用基于修正Goodman单元的节理网络有限元法,将裂隙岩体看作由岩块和节理、裂隙组成的二元结构,其中岩块和节理、裂隙分别采用线性Mohr-Coulomb强度准则和非线性Barton-Bandis剪切强度准则。通过有限元软件Phase~2模拟分析了隧道开挖过程中裂隙岩体的变形破坏特点以及不同工况下隧道拱顶的沉降量,并讨论了Barton-Bandis准则中节理粗糙程度(J_(RC))的取值对围岩稳定性的影响。研究方法为裂隙岩体的数值计算提供了新手段,节理粗糙度(J_(RC))的反演结果能为支护设计和加固措施提供参考依据。     

裂隙岩体动力特性的试验模拟研究

针对地震、爆破等动力荷载作用下裂隙岩体的动力学特性问题,采用水泥浆制作试样,模拟具有不同数量平行贯通裂隙的岩体,利用Hopkinson压杆对试样施加应变率为100,140,170的动力荷载,得出试样在高应变率下的动态应力-应变曲线.对应力-应变曲线的分析表明:裂隙岩体具有应变率敏感性;破坏岩体的最终变形随着裂隙率降低而减小.     

不同裂缝倾角诱导井底岩爆动态演化数值模拟

氮气钻井钻遇致密砂岩裂缝圈闭导致井底岩爆是QL1井恶性井喷事故的根本诱因,针对岩爆的动态演化过程进行系统分析并形成正确认识是恢复氮气钻井技术良性发展的紧迫需要.应用多物理场耦合分析软件COMSOL Multiphysics 4.3,建立井底逐渐接近裂缝的数值模型,以致密砂岩岩体内部微裂缝起裂时对应的等效塑性应变为判断标准,分别应用CWFS-DP(cohesion weakening and frictional strengthening-Drucker-Prager)强度准则、DP(Drucker-Prager)强度准则及MC(Mohr-Coulomb)强度准则进行平行数值计算,得到不同裂缝倾角诱导井底岩爆的动态演化过程.研究成果系统地解释了DX1井随钻监测参数的异常变化,不仅可为岩爆的防治提供理论基础,而且在石油工程领域可为深部岩体动力学失稳研究提供一个新的视角.     

裂隙岩体非稳态渗流场与损伤场耦合分析模型

从流体扩散能量叠加原理出发,建立了裂隙岩体介质的渗流张量解析表达式。综合应用断裂力学与损伤理论,探讨了复杂应力状态下裂隙岩体的本构关系以及压剪裂纹的起裂准则,建立了裂隙岩体在压剪、拉剪应力状态下损伤演化方程,提出了渗透张量随裂隙损伤发展的关系以及裂隙岩体非稳态渗流场与损伤场耦合模型。     

Simulation experiment of AE-based localization damage and deformation characteristic on covering rock in mined-out area

The localization damage and deformation characteristics of multiple rock in mined-out area under thick soil layer were investigated by acoustic emission (AE)-based physical similar simulation experiment and damage test combined with the AE theory on rock damage. During different mining courses, the degree of wall rock suffered from mining disturbed process in mined-out area was different, so did the AE density of initial damage and fracture. Some characteristic parameters, including large events, total events, and energy rate, presented fluctuations with temporal and spatial change and take on a certain extent statistic relation. Subsequently, the percent of damage degree was defined and divided into 4 stages, and the localization damage and deformation characteristics of surrounding rock in mined-out area and coal pillars were analyzed quantitatively.     

渗流损伤耦合模型在三峡工程中的初步应用

利用流体扩散能量叠加原理,建立了裂隙岩体介质的渗透张量数学表达式综合运用断裂力学和损伤理论,探讨了复杂应力状态下多裂隙岩体的本构关系以及压剪裂纹的启裂准则,建立了裂隙岩体在压剪、拉剪应力状态下损伤演化方程,给出了裂隙岩体损伤场与渗流场耦合方程在此基础上,编制了平面有限元计算程序以对三峡永久船闸高边坡稳定性进行分析     

高渗压条件下裂隙岩体的劈裂破坏特性

基于岩体工程中普遍存在节理裂隙岩体,裂隙岩体在地下工程卸荷扰动后形成复杂应力状态和高水头压力的共同作用下将发生压剪复合破坏或拉剪复合破坏,对裂纹面的应力状态进行分析以判定其破坏模式,并进一步研究岩体裂纹开裂特性及岩桥断裂贯通力学机理,建立相应的临界水压和初裂强度判据。同时,对处于水力劈裂状态的高水头压力隧洞围岩的破坏特性进行模拟。研究结果表明:隧洞在高渗透水压的驱动下周边围岩开始发生水力劈裂,形成拉剪劈裂区;随着内水外渗的发展,随即在拉剪劈裂区外侧形成压剪劈裂带,同时,拉剪区和压剪区继续扩展直至渗流衰减趋于稳定。     

基于声发射定位技术岩石破坏逾渗特征研究

通过单轴加载条件下岩石破坏声发射实验,分析了岩石在受载过程中破坏单元的演化规律,对岩石破坏过程中的逾渗特征进行了探讨.分析结果表明:声发射定位事件反映了岩石内部微裂纹产生、扩展的演化过程,基于声发射定位事件对岩石内部破坏单元进行划分,能够反映破坏单元从无序分布向有序集中的自组织演化过程.岩石失稳破坏前,破坏集团数目与破坏集团规模——数目的负幂指数均出现增长变缓的趋势,反映了破坏单元的大面积贯通过程,岩石由稳定的破裂阶段转变为非稳定的破裂阶段.在破坏单元达到一定概率时应变开始突发式增长.基于声发射定位事件对破坏单元进行划分,从物理实验的角度研究岩石逾渗问题,具有实际应用价值.     

梯度加载下岩爆试验的声发射特性

为了研究岩爆过程中声发射特性参数与岩爆破坏的关系,通过自主研发的岩爆模型试验装置,对大尺寸(1 000mm×600mm×400mm)试件进行岩爆模型试验。采用声发射监测装置,获取了不同加载梯度下岩爆模型试验过程中的声发射监测数据。结果表明:梯度加载过程中,试件的声发射事件数及能量在不同加载时刻有所不同,表现为极大的梯度变化;加载初期,声发射信号极少,岩爆瞬间突变增大,试件集聚的能量越大,更易发生瞬间强烈的岩爆现象;声发射定位点能够反映试件内部裂纹的动态演化过程,梯度加载过程中,声发射定位点的分布及数量能够直观展现岩爆破坏的程度。     

采空区顶板蠕变损伤断裂分析

为了改进采空区顶板管理方式,必须掌握顶板断裂的滞后性.顶板断裂的滞后性是顶板岩层蠕变损伤的结果.基于Kachanov蠕变损伤理论对采空区项板的蠕变损伤过程进行了解析分析.采空区顶板的蠕变损伤断裂经历断裂孕育和裂隙扩展两个阶段.断裂孕育时间随材料的蠕变指数、上覆岩层压力的增大而减小;裂隙扩展时间也随材料的蠕变指数、上覆岩层压力的增大而减小,但随岩石的抗拉强度增大而增加.     

水压力作用下岩石中Ⅰ和Ⅱ型裂纹断裂准则

为了研究裂隙岩体在水作用下的损伤断裂机制,考虑水产生的垂直裂纹面的静水压力和平行裂纹面的拖拽力,分析处于压剪和拉剪状态的单裂纹应力状态,推导出水作用下裂纹的应力强度因子.还定义基于断裂韧度的损伤变量,并将损伤变量引入Dugdale裂纹模型,推导出水损伤作用下压剪和拉剪应力状态下裂纹的应力强度因子.基于压剪条件下的断裂准则和最大周向应力理论,推导出压剪和拉剪应力状态下,考虑水损伤作用的裂隙岩体断裂准则.     

用微观方法研究西峰油田长8油层特低渗透砂岩油藏的岩石应力敏感性

基于铸体薄片、岩心物性测试及压汞分析认为,西峰油田长8油层属于特低渗透砂岩油藏。通过试验研究孔隙型岩样和裂缝型岩样的应力敏感性,利用特殊设计的裂缝可视化测试系统、毛管流动孔隙结构仪等微观分析测试手段评价裂缝闭合规律及定量表征裂缝宽度变化;基于扫描电镜、X衍射分析等研究方法探讨孔隙和裂缝应力敏感性的损害机制。研究表明:研究区孔隙型岩样应力敏感性较弱,裂缝型岩样应力敏感性强;孔隙衬里绿泥石、局部分布的石英加大、自形程度高的石英雏晶是孔隙型岩石应力敏感损害率低、渗透率恢复率高的主要原因;裂缝表面的微凸起发生弹塑性形变是裂缝应力敏感性损害极强的主要原因。建立的孔隙和裂缝的应力敏感性损害模式可以为高效开发该类油藏提供依据。