准格尔煤田特厚煤层开采底板破坏特征综合测试研究

鄂尔多斯盆地准格尔煤田某矿石炭-二叠系6煤层为特厚煤层,平均可采厚度17.0 m,其底板受到灰岩水的威胁。针对这种情况,现场采用分布式光纤传感及跨孔电阻率CT原位综合测试技术,先后获得了采动过程中多个工作面底板破坏应变场及地电场响应特征数据。结合岩样加载变形破坏的判别阈值参数及探测实践,对采区内4个工作面底板测试数据进行综合分析,获得了区内底板岩层破坏空间特征及其规律认识。分析认为底板破坏在垂向上具有明显的分带性,采区工作面底板破坏深度在7.2~16.5 m,主要破坏层位在细砂岩以上层段,扰动影响最大深度在33 m左右,主要扰动层位在砂质泥岩以上层段;底板破坏在横向上具有超前性,超前距离在25~60 m范围;区内工作面底板破坏特征具有一定的相似性,动压影响下的底板损伤程度在空间上呈东北区域浅、西南区域深的分布规律。原位测试所获得的数据对区内6煤层水害防治及安全开采具有指导作用。      

深部开采底板岩体卸荷损伤的强扰动危险性分析

为研究深部高应力岩体强烈的卸荷效应扰动底板破坏并诱发突水的危险性,根据卸荷力学理论,研究了深部开采卸荷对底板扰动破坏的影响,运用离散元软件计算了深部开采底板卸荷损伤的强扰动特征,基于三轴卸荷试验及损伤因子概念推导了卸荷量与损伤因子的关系,获得了底板岩体卸荷的扩展破坏条件,划分了底板卸荷扰动分区,分析了深部开采底板岩体卸荷损伤破坏的强扰动危险性。结果表明：随采深增加,底板卸荷起点及卸荷应力增加,卸荷量却降低,而深部开采较小的卸荷量便造成底板严重损伤破坏;岩体卸荷量越大,卸荷速率、位移量及渗透系数越高,越易致其扩展破坏;裂隙倾角及水平应力与垂直应力比值越小,越易满足底板岩体卸荷的扩展破坏条件。     

倾斜煤层底板破坏特征的微震监测

带压开采是承压水上采煤的主要方法,底板采动破坏深度的确定是实现带压开采的关键和前提。针对底板采动破坏深度现场测量方法的局限性,特别是倾斜煤层（煤层倾角在25°～45°之间）底板采动破坏深度的现场测量。以桃园煤矿1066工作面为例,利用高精度微震监测技术,对承压水上倾斜煤层底板的采动破坏特征进行了连续的、动态监测。监测结果表明：（1）工作面运输巷（下顺槽）附近的底板比工作面回风巷（上顺槽）附近的底板破坏深度更深,破坏范围更大;（2）倾斜煤层工作面底板破坏形态整体呈现为一个下大上小的非对称形态。根据微震监测结果,确定了1066工作面回风巷和运输巷附近底板的最大破坏深度,划分了倾斜煤层工作面底板突水危险区域。将微震监测的倾斜煤层底板破坏深度与经验公式计算的底板破坏深度进行了对比,指出了经验公式存在的不足     

底板破坏深度六因素线性预测模型

针对煤矿底板破坏深度影响因素较多,难以准确地确定难题,通过分析影响底板岩体变形程度的底板岩层的抗破坏能力和作用在底板上的矿山压力两方面因素,选取采深、采高、斜长（工作面）、倾角、底板岩性组合与顶板岩性组合6个因素进行底板破坏深度研究,以某矿4602工作面为背景概化工程地质模型进行6因素5水平正交数值模拟试验。试验结果表明,（1）影响底板破坏深度的主要因素是斜长,顶板岩性组合、底板岩性组合、采深、采高依次减弱,倾角最差;（2）首次明确了顶板岩性组合是影响底板破坏深度的关键因素;（3）建立了斜长-顶底板岩性组合-采深-采高-倾角的采动底板破坏深度预测模型,计算结果较开采规程经验公式的计算结果更接近实际,精度高、误差小,基本可以满足工程使用。研究结果对底板破坏深度的研究以及工程应用具有积极的指导意义。     

考虑卸荷作用的底板突水破坏机制研究

在依据摩尔图解及断裂力学理论对底板卸荷突水破坏分析的基础上,运用损伤断裂力学并结合统一强度理论,建立了考虑渗透水压作用下分支裂纹端部形成的塑性区范围计算方程与岩体发生贯穿破坏时的损伤阀值。将裂纹扩展过程与岩体损伤耦合起来,确定了裂纹的损伤断裂能量计算公式并分析了其影响因素。结果表明：侧压系数 0.5时,最大主应力完全卸荷状态下裂纹端部应力强度因子比双轴应力状态下大,岩体易发生破坏。考虑了裂纹端部塑性区的影响,裂纹损伤断裂能量相比于不考虑其影响时偏大,增大了煤层底板突水的危险性。裂纹损伤断裂能量 与裂纹半长 、裂纹面连通面积与总面积之比 、裂纹面渗透水压 及最小主应力 呈正相关,与裂纹面摩擦系数 及岩体的弹性模量 呈负相关。分析结果为底板突水破坏机制研究提供了一定的参考依据。     

大采深工作面煤层底板采动破坏深度测试

针对邢东矿大采深的情况,利用现场底板注水试验对2121工作面底板采动破坏深度进行了测试研究,依据单位注水量的动态变化以及注水孔与采线之间的距离关系,确定了底板破坏深度。试验结果表明:该工作面底板破坏深度为32.5~35m,比300m采深以内的工作面实测深度(9.15~12.0m)增加2倍以上,说明随着开采深度的增加,煤层底板采动破坏深度呈明显增大的趋势,因此,在水压和破坏深度二者同时增加的条件下,2121工作面深部煤层开采的突水危险性远远大于浅部煤层。测试结果为邢东矿大采深工作面的防治水方案的制订提供了科学依据。      

煤炭开采对煤层底板变形破坏及渗透性的影响

煤层底板变形破坏除受地质因素控制外,还受开采因素影响。通过试验和理论分析,系统研究了煤炭开采对回采工作面底板应力、应变和破坏及渗透性的影响。研究结果表明,不同岩性岩石的渗透性在全应力-应变过程中为应变的函数,在微裂隙闭合和弹性变形阶段,岩石的原生孔隙和裂隙容易被压密,岩石的渗透率随应力的增加由大变小明显,当应力增大至极限强度时岩石试件破坏形成贯穿裂隙,岩石的渗透率迅速增大至最大,不同岩性岩石存在一定差异性;随着回采工作面推进,煤层底板岩层在横向上划分为原岩应力区、超前压力压缩区、采动矿压直接破坏区和底板岩体应力恢复区4个区。煤层底板岩体的渗透性随着煤炭开采底板岩体变形破坏而呈规律性变化。      

岩石损伤断裂的沙堆元胞自动机模拟

在岩石材料的加载过程中,当荷载超过某一临界值时,岩石的变形从稳定变形阶段突变为不稳定变形阶段,即使是保持荷载不变,破裂也会继续发展,表现为“雪崩”式的破坏过程。基于自组织临界性理论及沙堆元胞自动机模型,对岩石失稳破坏过程中的损伤演化、裂纹扩展规律进行了探讨,从新的角度研究了岩石失稳破坏的细观演化规律。     

孤岛工作面底板破坏深度微震测试与模拟分析

针对孤岛工作面煤层开采底板损伤问题,以河北葛泉煤矿11913孤岛工作面为研究对象,采用微震方法分析其底板破坏深度;并通过数值模拟对首采、跳采及孤岛3种工作面回采过程中围岩采动应力与底板破坏的规律进行了对比分析。微震测试结果显示11913工作面回采过程中微震事件主要发生在下巷,识别出工作面最大破坏深度20~25 m;基于COMSOL的11912首采、11914跳采及11913孤岛3个工作面数值模拟结果显示,11912首采与11914跳采条件下煤柱地应力集中状态变化不大,最大破坏深度小于11.56 m,仅发育至工作面底板的注浆改造层内部;而11913孤岛回采条件下,受到重复采动影响,工作面两侧煤柱应力集中状态骤增,最大破坏深度剧增至23 m,已发育至煤层底板的本溪组灰岩含水层。研究结果对于华北型煤田下组煤层开采底板破坏规律分析与不同类型工作面回采条件下底板水害防治有一定的参考价值。      

横观各向同性土的简明破坏机制解释

由于沉积等作用使得天然土材料内部颗粒排列表现为各向异性。土材料的各向异性使得材料内各平面滑动的内摩擦角不同。因此,在分析各向异性土的破坏问题中,除了考虑来自外部的应力分布以外,还需考虑土材料内部的强度分布。以横观各向同性土为例,阐述了同时考虑材料外部应力分布与材料内部强度分布下各向异性土的破坏机制。为说明,文中假定横观各向同性土内部各平面的内摩擦角正切值随空间方向而线性分布。外部加载进行时,横观各向同性土材料内部各处的应力不断变化,当其内部某处首次出现的应力达到该处的强度时,土材料发生破坏。进一步通过类比得出：区别于金属,各向同性土不是在最大剪应力面而是在最大剪压比面发生破坏;区别于各向同性土,各向异性土不是在最大剪压比面而是在最大剪压强比面发生破坏。     

粗粒土渗透损伤特性试验研究

为深入认识渗透变形对粗粒土渗透性及压缩性的影响,利用自主研发的加载式大型渗透变形仪对不同级配的粗粒土试样进行渗透变形全过程试验及侧限压缩对比试验,获得了不同试件产生渗透变形的临界水力梯度、渗透系数演化规律及损伤变化特性。研究成果表明：渗透变形过程中渗流路径中下游部位产生了渗透挤密效应,引起局部渗透性降低;在后期增加的水头作用下,先前产生渗透挤密部位的渗透性逐渐增大。试样产生渗透变形后,压缩模量减小;颗粒级配不同,渗透破坏引起的压缩损伤程度亦不相同。试件产生渗透变形后,在重力和渗透力作用下,试件结构将产生重构现象。     

工作面底板变形与破坏电阻率特征

通过建立回采过程中底板岩层变形破坏过程的地球物理数值模型,采用正演计算方法分析底板破坏带的电阻率变化特征,并在五矿8403工作面布置网络并行电法探测系统,进行现场观测。模拟数据和现场探测结果表明,煤层底板视电阻率值与工作面开采过程密切相关,在回采工作面后方电阻率剖面图出现明显高阻异常,其高阻异常位置与底板破坏位置相对应;在回采工作面前方出现相对低阻异常,其低阻分布位置与矿压引起的高应力区相当;随着工作面的推进,高、低阻异常同步变化。根据这种底板岩石的电阻率变化,结合矿井水文地质特征,可进行煤层底板破坏规律的动态勘探,有利于底板破坏突水的预测预报工作。      

Fatigue damage evolution of coal under cyclic loading

The experimental study of fatigue damage to coal under cyclic loading is important for guiding the design of pillars in underground coal mines where the pillars may be affected by repeated mining activity. In this paper, the strength, deformation, energy dissipation, and fatigue of samples of coal from a mine in China are studied using cyclic loading with a servo-controlled rock mechanical test system. The results indicate that coal is more likely to suffer fatigue damage than other, harder, rock lithologies. Under uniaxial cyclic loading, the fatigue failure “threshold value” for the coal samples studied is less than 78% of its uniaxial strength, but there is also a certain amount of fatigue damage when the cyclic loading/unloading experiments are carried out below the threshold value for fatigue failure. Axial deformation during the tests can be divided into three stages: initial deformation, constant steady deformation, and accelerated deformation. Transversal deformation can be divided into two stages: stable deformation and accelerated deformation. During cyclic loading experiments, imminent sample failure is signaled when transversal deformation increases significantly and quickly and the deformation recovers little when the load is removed. With an increasing number of loading/unloading cycles, a graph of energy dissipation per unit volume versus number of cycles presents an L-shaped curve when the coal samples do not suffer fatigue failure. However, for the coal samples that do rupture due to fatigue, the curve is U-shaped. Under cyclic loading, the evolution of compaction, strain hardening, strain softening, and failure of coal can be revealed in great detail by fatigue damage experiments.     

基于逾渗模型的盐岩损伤与破坏研究

逾渗是一种分形模型,利用声发射点定位盐岩内部破坏网格来建立逾渗模型,可以分析三轴压缩条件下盐岩逾渗特征以及损伤演变发展。研究发现,各试样逾渗模型团簇(cluster)数与最大团簇占有率关系曲线斜率在70%应力峰值后基本相等,利用最大团簇沿试样轴向的延伸来描述裂缝的扩展规律,并通过最大团簇在轴向的延伸终点得到了各试样逾渗的临界破坏比率,它对于研究渗透陡增点非常重要。提出利用逾渗关联长度(关联长度?代表处于同一团簇中的两个点的平均距离)确定试样损伤起始点,并通过计算逾渗模型破坏比率得到损伤变量,它和基于AE振铃计数以及AE能量计算得到的损伤变量结果相近。研究结果表明,逾渗可以形象地表述岩石内部破裂过程和损伤情况,为研究岩石破坏失效及裂缝衍生发展提供了新的思路。     

高应力硬岩卸荷岩爆模式及损伤演化分析

针对岩爆形成机制研究的不足,结合岩爆实例和真三轴加、卸荷试验,分析了卸荷岩爆模式,建立了围岩卸荷岩爆发生劈裂破坏和剪切破坏的损伤变量表达式,即损伤演化方程。结果表明,岩爆破裂演化表现为劈裂和剪切的复合破坏形式,不同之处只是劈裂和剪切哪一个所占的成分更大而已;随着剪切成分的增大,爆坑由呈现平底到弧形甚至三角形或V形;随着应力的增加,岩爆倾向性围岩有一段时间的平静期（无损伤）,具体平静期存在时间的长短与围岩卸荷前后的应力水平有关,损伤一旦开始则加速度明显,具有较强的临界敏感性;劈裂总是优先发生的,围岩卸荷后的应力水平越高含剪切成分越大,岩爆也越强烈。     

考虑围岩应变软化及采空区接触的深部煤层底板破坏分析

为研究深部煤层开采底板破坏形态,提出考虑围岩应变软化和采空区接触的FLAC3D有限差分数值方法,以河北开平煤田林西矿2023工作面底板实测导水裂隙带为工程背景,结合朗肯土压力理论定性分析,研究深部煤层底板破坏特征。结果表明:采用应变软化本构关系代替常用摩尔–库伦本构关系能够对围岩塑性破坏后的力学状态更准确表述;采用“应变软化–空–弹性”模型转变的方法,达到模拟采空区顶板垮落后应力传递的效果,弥补了以往煤层开采模拟中采空区垮落后顶底板不接触的固有缺陷;通过采空区顶底板接触与否条件下应力、位移的对比,发现采空区是否接触对数值结果影响巨大,突出考虑采空区接触的必要性;根据模拟结果中塑性剪切应变率的变化,实现了底板滑移面的三维显示,形态为斜向采空区的半包围面状结构;结合朗肯土压力理论将底板塑性区与主动区、过渡区和被动区对应,3个区破坏形式分别为剪切破坏、剪切破坏、拉张与剪切的交互破坏。提出的考虑围岩应变软化及采空区接触的FLAC3D数值方法对煤层开采模拟实现了优化,并可为其他大变形后需考虑接触的工程模拟提供参考。      

井-孔联合微震技术在工作面底板破坏深度监测中的应用

准确预测底板采动破坏深度是承压水上采煤底板水害防治中的一个关键问题,对于防治水方案的制定至关重要。根据山西保德煤矿的地质特征与工作面布置特点,采用高精度井-孔联合微震监测技术,对81307工作面底板破坏深度开展实时监测。利用锤击方法,标定了定位参数,验证了定位精度,确保微震监测系统的定位精度能够满足防治水要求,监测期间工作面回采600 m。监测结果表明:底板破坏深度为30 m,其中在81308二号回风巷下方破坏较深,81307一号回风巷下方破坏只有15 m,工作面超前破坏距离为25 m,监测结果与相邻81306工作面利用压水试验测量的底板破坏深度基本一致。研究表明,井-孔联合微震监测技术可以获得工作面底板破坏深度及其空间分布特征,更好地为煤矿防治水服务。      

深埋碳质千枚岩力学特性及其能量损伤演化机制

为揭示深埋碳质千枚岩的遇水软化损伤特性和微层理结构的各向异性,开展了不同层理角度和不同含水状态下的千枚岩力学试验。并基于能量损伤演化机制分析了层理角度和含水状态对千枚岩储能机制和释能机制的影响。研究结果表明：深埋碳质千枚岩的各向异性特性和遇水软化效应是千枚岩内部的沉积层理、层状薄片矿物和高黏土矿物成分导致的固有特性;其破坏机制及其强度各向异性主要受控于层理面间的弱胶结作用,这种弱面效应会随着围压的增大而降低;千枚岩遇水后其力学特性和脆性被弱化,宏观破坏角增大,表现出张拉破坏减弱,剪切破坏增强;基于弹性能和耗散能比例曲线的S型变化规律与能量演化规律,将岩石的渐进破裂演化过程划分为4个阶段,并采用能量损伤演化理论探讨了I型和II型两种典型岩石破坏方式的能量机制及其损伤演化机制;层理方向和含水状态对千枚岩的储能能力具有较大影响,其中层理方向对千枚岩的释能机制和损伤破裂演化机制影响不大,而千枚岩的储能与释能机制则对含水状态的变化更为敏感。     

岩土应变损伤变量测度研究

岩土材料变形破坏损伤测度关系到其稳定性计算结果的可靠性。在考虑了现有岩土损伤模型不完备性的基础上,分析了岩土材料的损伤值存在上限1的非可达性,提出了以应变对线弹性本构曲线的偏离量（差应变）与应变的比值作为损伤量度的方法。根据试验结果进行计算分析表明,其可对初始损伤和临界损伤进行准确计算。同时,根据岩石脆性破坏试验,指出岩石在由弹性阶段向非弹性阶段过渡时存在材料损伤度的陡增区间,其与岩石材料内部微裂纹的扩展与相互屏蔽作用有关,在这个区间岩石的应变和损伤会出现局部化集中。      

Numerical experimental study on failure process of sandstone containing natural damage under freeze-thaw cycle北大核心CSCD

Natural damage such as fissures and pores make the rock microstructure show strong heterogeneity,which influences the failure process and mode. In this paper,the numerical test of freeze-thaw sandstone splitting failure with natural damage was carried out based on CT non-destructive identification technology,combined with digital image processing technology and CASRock numerical simulation software. The analysis of splitting failure mode,deformation localization and crack evolution process of freeze-thaw sandstone with natural damage reveals the failure mechanism of sandstone with natural damage under freeze-thaw and load. The results show that the expansion of primary pores（cracks）and the formation of new pores in sandstone are the main forms of freeze-thaw rock failure evolution. The failure of rock containing natural damage under freeze-thaw and load is related to the degree and distribution of natural damage. The generation of secondary cracks mostly occurs in natural damage-intensive areas. During the loading process,the stress in the localized damage zone is far greater than sandstone’s overall stress,and rock’s failure in the localized damage zone is synchronized with the energy release and stress release in the region. Localized damage reflects the evolution of cracks in rocks and helps to predict the direction of sandstone crack development. The failure mode of rock is related to the number of freeze-thaw cycles. The freeze-thaw cycles make the sandstone with natural damage gradually change from brittle failure to ductile failure,and the change of the overall strength of the rock is a gradual deterioration process. © 2022 Science Press (China).