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。     

急倾斜厚煤层102m阶段煤体综放开采煤体致裂综合分析

急倾斜高阶段煤体综放开采技术复杂,结合神新公司苇湖梁煤矿+579E2EB1+2急倾斜(64～69°)厚煤层(32.9 m)高阶段(102 m)综放工作面顶煤超前预爆破综放开采实践,运用爆破理论分析了孔内爆破的裂隙圈半径与临界抵抗值,采用RSM智能松动声波检测仪和YS(B)光学钻孔窥视仪对弱化煤体孔壁滑行波及爆轰气体应力场产生的径向裂隙等全面检测,辅以弹性波CT成像分析,继续追踪模拟高阶段上位顶煤破裂情况,综合分析表明:爆后除尚存有少量三角煤及顶煤结构外其它范围煤体破裂充分,理论分析与实践检测基本相符,并对爆破后支架最大工作阻力进行了分析对比,急斜高阶段煤体超前松动致裂效果显著.     

长青煤矿6#煤层顶煤冒放性数值模拟

为研究煤矿顶煤冒放性,基于长青煤矿6#煤层煤岩物理力学参数,利用通用离散元程序（UDEC）建立工作面走向数值计算模型,分析工作面推进距离对顶煤冒放高度的影响。结果表明：随着工作面的推进,顶煤屈服破碎高度增加,破碎、垮落范围增大。当工作面推进20 m时顶煤破坏范围和破坏形状趋于稳定,屈服破坏高度达到峰值9 m。由此,煤层冒放性较好,可以采用一次采全高综采放顶煤开采方法。该研究为长青煤矿6#煤层放顶煤开采生产提供了理论依据。     

不同荷载作用下煤岩裂隙扩展研究

我国是煤炭生产与使用大国,煤岩也是岩土工程中一种常见材料.研究岩石在受荷载作用下裂隙发展过程是解决岩石破坏机制的中心任务.本文介绍了如何利用扫描电镜对单轴以及三轴压缩后的煤岩试样进行观测,获得了煤岩破坏细观结构的照片.再基于Matlab的数学统计工具箱和区域生长算法,编制图像处理程序,得到煤岩破坏时裂隙的方位角、宽度、长度等信息.利用正态分布,对裂隙的方位角、长度进行统计分析,得到其期望与方差的无偏估计量.最后基于Monte Carlo理论,对煤岩破坏细观损伤过程进行模拟,并与试验数据进行对比,找出单轴与三轴压缩试验下煤岩破坏形式的区别.     

功率超声对煤岩力学性质影响的试验研究

在空化理论基础上,通过对煤岩施加功率超声作用,研究了功率超声对煤岩裂隙发育、发展、应力状态的改变以及功率超声对煤岩力学性能的影响,定性地分析了煤岩在功率超声振动作用下抗压强度、弹性模量的发展趋势,为用功率超声振动方法致生煤体裂隙进而改变煤岩的力学性能提供了实验基础。     

急斜特厚煤层顶煤注水弱化技术试验

针对急斜水平分段放顶煤中顶煤注水弱化问题,采用现场注水弱化工业试验对乌鲁木齐矿区B1+2煤层进行注水弱化研究,对顶煤弱化必要性进行了论证,提出了注水弱化工艺参数,运用光学钻孔窥视仪对注水煤体破坏程度和范围进行了检测,从注水前后效果对比可以得出预注水软化顶煤技术是急斜煤层安全高效开采的有效途径.     

用工艺巷深孔爆破法改善综放开采中顶煤的冒放性

改善顶煤冒放性是综放开采急需解决的关键技术之一,顶煤冒放性与煤体裂隙发育程度有着很大的联系。工艺巷深孔爆破就是利用爆破产出裂隙,在不影响采煤机正常割煤、不会对支架造成威胁的情况下改善顶煤的冒放性。主要介绍了工艺巷深孔爆破参数的确定及其在现场的应用。     

多场耦合下煤岩渗透率演化规律——以平煤十矿为例

为深入探讨多场耦合下的煤岩渗透率演化规律,文中以平煤十矿己15-16煤为研究对象,进行了不同围压、气体压力和温度条件下的型煤渗透率测定实验研究。结果表明:围压决定煤岩内部的有效应力,围压增加促使煤体被压缩,渗流和扩散通道变窄,导致煤岩渗透率降低;气体压力升高促使煤体对气体的吸附量增加,导致吸附于孔裂隙壁的气体分子增加,进而降低了孔裂隙截面积,同时煤基质吸附大量气体产生膨胀变形,从而导致煤岩渗透率的降低;温度的升高引起气体分子渗透和扩散能力的改变,同时也导致煤基质的膨胀变形,两者耦合作用促使煤岩渗透率随温度升高先增加后降低,即在20~40℃时,温度升高促使煤岩渗透率增加,而40~100℃时,温度升高促使煤岩渗透率整体上逐渐降低,但在围压较低时煤岩渗透率具有一定的波动。     

阶梯状断层防水煤岩柱体塑性区宽度

煤系地层中断层带常以阶梯、地堑状等形式出现,为研究阶梯状断层组防水煤岩柱体塑性区宽度,以邯邢矿区邢东煤矿阶梯状断层组为研究对象,基于工作面导水裂隙带发育规律,创新性地提出阶梯状断层梯形防水煤岩柱体稳定性结构力学模型,根据梯形煤岩柱体内局部岩体受力情况及其几何特征,推导出阶梯状断层防水煤岩柱塑性区破坏宽度计算公式,并针对...     

大倾角综放开采顶煤极限平衡状态界面位置

为确定大倾角煤层长壁综放工作面顶煤极限平衡状态的形成位置,指导该类采场顶煤与支架的相互作用关系分析,以长山子1125工作面为研究对象,采用数值分析、连续介质损伤力学分析、物理相似材料模拟实验相结合的研究方法,对顶煤的渐进损伤过程与应力边界,极限平衡状态的宏观等效损伤表征方法,大倾角长壁综放采场覆岩"关键域"层位影响下顶煤极限平衡状态界面沿倾斜方向的展布形态进行了研究。结果表明:支承压力峰值处顶煤内部的细观裂隙加速贯通为宏观裂隙,损伤累积开始加速,是顶煤极限平衡状态的起始边界;长山子1125工作面顶煤极限平衡状态界面处的宏观等效损伤D_L=0.16;在不同覆岩"关键域"层位高度控制作用下,顶煤极限平衡状态界面分布在煤壁前方1.96～3.90 m,沿工作面倾斜方向呈"中上部距煤壁最远、中部次之,上下端头最近"的非对称展布。工作面端面顶煤的漏冒次数与倾斜方向支架工作阻力分布统计结果验证了顶煤极限平衡状态界面展布形态的合理性。     

煤层冲击危险评价方法的探讨

系统地介绍了评价煤层冲击危险测定方法,为了深入了解煤层冲击危险,提高预测与防治煤层冲击的手段,用几种不同的有关冲击地压的测试方法对煤层冲击危险程度进行评价.通过现场及实验室试验,对煤层冲击危险程度指标进行综合分析,为现场预测煤层冲击危险提供测试手段.     

液氮溶浸煤致裂的机理研究

为分析液氮作用下煤的致裂机理,对原煤煤样开展了液氮溶浸实验。利用激光显微镜观测液氮溶浸前后煤样的原生裂隙扩展和新裂隙萌生情况,利用断裂力学理论分析液氮溶浸下煤样原生裂隙的扩展机制。研究结果表明:1)液氮作用引起煤内温度拉应力和应力集中,当应力强度因子超过煤原生裂隙的断裂韧度时,煤样原生微裂隙扩展;2)温度拉应力使得原生裂隙周围强度不大的颗粒团拉破坏、脱落,破坏了煤样的结构,并引起新的微裂隙萌生;3)液氮作用时间对应力强度因子有很大的影响,随着作用时间增加,温度梯度增大,裂隙的应力强度因子增加,煤更易发生断裂。     

煤层深孔聚能爆破动力效应分析与应用

为研究煤层深孔聚能爆破致裂增透机理,构建聚能爆破分析模型,运用理论分析与数值模拟相结合的方法探讨聚能爆破时聚能射流的成型机理、爆炸应力波的传播特点、煤体力学特征和裂隙扩展机理,结果表明:聚能槽集聚爆轰能量形成聚能射流并产生聚能效应,聚能效应显著改变了爆炸应力波的传播特性和煤体的力学性质,在聚能方向煤体所受压应力峰值是非聚能方向的1.10～ 1.29倍,有效地促进了裂隙的扩展;且主聚能方向煤体所受压应力峰值由次聚能方向的0.85倍增大到1.06倍,放缓了煤体所受应力的衰减速度.此外,煤层深孔聚能爆破工程应用实验表明,聚能爆破后抽采孔平均瓦斯含量是聚能爆破前的1.58倍,有效地提高了煤层透气性和瓦斯抽采率.     

高瓦斯煤层深孔预裂爆破增透数值模拟试验

为了解决高瓦斯低透气性煤层的瓦斯抽放难题,利用数值模拟和现场测试相结合的方法,研究了深孔预裂爆破技术对高瓦斯低透气性煤层的卸压增透效果.研究结果再现了爆破过程中,动压冲击震裂、应力波传播与叠加及爆生气体驱动裂纹扩展的整个过程,分析了爆破孔间距对爆生裂纹和增透效果的影响,提出了高瓦斯低透气性煤层深孔预裂爆破的合理间距,表明深孔预裂爆破技术有效地提高了煤层透气性和瓦斯抽采率.该成果为高瓦斯低透气性煤层的瓦斯抽放提出了解决方案.     

基于AE的深部复变环境下急斜特厚煤层开采动力失稳分析

华亭煤矿5#煤是赋存在深部的急斜特厚煤层,其开采扰动极其频繁,最大主应力与最小主应力相差较大,开采过程中频繁出现动力失稳并诱致衍生灾害.基于声发射的煤岩动力失稳行为实验与现场相关测试的比较,综合分析了复杂变化环境下煤岩在不同的动态拉伸比能、压缩变形阻力和剪切应力作用下的失稳声发射能率和总事件等定量规律.     

煤岩体裂隙集度演化理论模型

为了描述煤岩体内裂隙演化对其宏观力学特性的影响,引入了裂隙集度参量,从热力学平衡方程出发,推导出裂隙集度演化方程;根据岩石试件单轴压缩的全程应力应变实验结果,给出了单轴压缩下的裂隙集度演化方程和考虑裂隙集度对煤岩体力学性质影响的非线性弹性裂隙演化本构方程;通过单轴压缩煤岩试样实验数据值与理论值对比,两者吻合度相当高,证明了理论分析及其理论模型的正确性。     

煤体复电阻率实验室测试方法研究

实验室煤体复电阻率测试旨在提供可靠的复电阻率数据,为进一步现场应用基础研究。影响煤体复电阻率测量精度的因素众多,其中电极板为最重要的因素之一,极板的厚度和大小都会对煤体复电阻率测量产生影响,因此电极板的变化对测量参数的准确性有重要意义。通过选用导电性较好的紫铜材料作为极板,对3种不同厚度的极板材料进行了复电阻率测量,分析极板厚度对激发极化效应的影响,测试了直径为1,2,3,4,5 cm 5种大小极板对煤体复电阻测量的影响,并使用Cole-Cole模型进行数据拟合。得出结论如下：1)极板本身的极化效应和极板与煤样端面贴合程度是影响煤样复电阻测量误差的主要因素,3种不同厚度的极板材料中导电铜纸误差最小;2)对同一个煤样而言极板面积变化仅对复电阻率幅值有较大影响,对煤样激发极化的影响可以忽略。     

振动诱发煤与瓦斯突出的机理

振动是诱发煤与瓦斯突出的重要因素,为此实验研究了振动对瓦斯吸附的作用并从理论上分析了振动对煤体结构的影响,探讨了振动诱发煤与瓦斯突出的机理.结果表明:在振动作用下,煤对瓦斯的吸附量有一定程度的减少,吸附能力降低;振动延长了煤样达到吸附平衡的时间,使吸附平衡压力与未加振动时有所升高,煤样中游离瓦斯增多;振动使煤体内的裂隙增加并扩展,当振动强度达到一定值时煤体内形成较大范围的连通裂隙网;在振动对煤体和瓦斯产生的综合作用下,煤与瓦斯突出的危险性大大增加.     

提高煤质化验准确性方法研究

煤质化验数据关系到生产产品的品质是否合格,煤质化验工作,尤其是煤质化验结果的准确性就显得尤为重要。本文分析了煤质化验误差来源,进行了煤质化验误差的判定,提出了煤质化验误差控制和数据分析方法。     

基于RFPA-3D的煤层钻孔水力压裂裂缝扩展规律数值模拟

水力压裂裂缝的几何形态是评价压裂效果的主要因素,煤层受割理、层理和天然裂隙的影响,非均质性较强,对于垂向主应力、最大水平主应力和最小水平主应力共同影响下的煤层水力压裂缝扩展规律还未形成系统认识。文章利用RFPA-3D数值模拟软件,研究非均匀分布的硬煤层和软煤层,在垂向主应力不变,不同水平主应力差下水力压裂三维裂纹的扩展过程和延伸规律,研究发现硬煤层水平主应力差接近时,水力压裂缝在煤层中延伸没有优势方位,形成网状缝;水平主应力差较大时,水力压裂缝主要沿最大水平主应力方向扩展,其他分支裂缝初始阶段沿着最小水平主应力方向延伸,随后逐渐向最大水平主应力方向靠拢。软煤层水力压裂初始阶段,注入段附近煤层以井筒为中心向四周挤压,煤层被挤压形成一个“大肚子”区域,待煤层挤压到一定程度,煤层开始起裂、裂缝扩展;水平主应力差接近时,注入段煤层压实后,起裂形成网状缝;水平主应力差较大时,注入段煤层压实后,压裂缝沿最大水平主应力方向以及与最大水平主应力方向成45°夹角方向产生两条优势裂缝。研究成果在安徽芦岭井田Y-01煤层气水平井组进行应用,日产气突破10 000 m3。