冲击气压对岩石动态破裂形态的影响规律研究

为探索高压空气冲击煤岩动态破坏特征与破裂形态的影响规律，开展真三轴条件下的岩石高压空气冲击致裂实验，设置6种冲击气压，结合致裂过程的气压曲线变化和致裂形态特征，得到高压空气冲击动态破坏特征与破裂形态的影响规律。实验结果表明：随着冲击气压的增大，其达到峰值压力后的压降速度增加；在致裂形态中，当冲击气压为16MPa时，其裂缝扩展导向性更强。研究结果可为动态冲击致裂增透煤岩体参数优化提供参考，以此达到更好的致裂效果，提高瓦斯抽采效率。     

煤层底板卸荷扰动断裂机制宏细观研究

基于断裂力学和重整化群理论,采用综合研究方法,从宏细观角度对开采扰动底板损伤岩层动态失稳机理进行了研究。结果表明,煤层回采后,底板岩层存在高应力束组成的主应力拱,最大主应力大小决定裂纹的起裂与扩展,裂纹的生长路径受控于最大主应力的方向。采场高支承压力引起岩层原始裂纹起裂,宏观上表现为底板岩层的预先剪切随机破坏;近场区域最大主应力场部分偏转,引起底板岩层中垂直应力显著降低、浅部水平应力急剧增加和斜向采空区方向产生高剪应力,迫使裂隙在原有扩展长度基础上进一步生长;工作面继续推进,采空区内底板岩层水平方向上压缩和竖向膨胀引起岩层拉破坏,当底板岩层损伤发展到临近损伤值时,极小范围的扰动被强烈放大,底板岩层由随机破坏转为"雪崩"式宏观断裂。     

煤层小断层附近采动应力演化特征与瓦斯突出防治

为提高煤层小断层附近瓦斯突出防治的针对性,以古汉山矿地质条件为背景,通过数值模拟研究了与工作面开采方向0°夹角、45°夹角、90°夹角小断层附近采动应力演化特征。结果表明,当工作面沿地应力场最大主应力方向开采时,小断层附近构造应力逐渐得到释放,与工作面0°夹角断层和与工作面45°夹角断层附近的采动应力场分布均匀,工作面瓦斯突出的危险性小,而与工作面90°夹角断层因断层应力阻隔效应,工作面的采动应力分布呈现差异,瓦斯突出危险部位沿断层走向分布;当沿工作面垂直最大主应力方向开采时,断层附近的构造应力叠加与断层应力阻隔效应一起导致采动应力逐渐增大,工作面采动应力分布呈现显著差异,在小断层附近存在瓦斯突出危险部位。煤矿现场瓦斯突出防治应在加强小断层探测的基础上,结合区域地应力场方向、开采条件、断层走向,对断层附近瓦斯突出危险部位做出预测,从而提高小断层附近瓦斯突出防治工作的针对性。     

三轴加载条件下层理煤体的力学特性和破坏机制研究

为了探究围压和层理角度对煤体力学特性、变形破坏特征的影响,对不同层理角度煤样开展不同围压下的三轴加载破坏试验,并利用摩尔-库伦准则对煤体的破坏机制进行研究。研究结果表明：煤样峰值偏应力随围压增大的平均增幅随α的增大呈“V”型分布,0°煤样平均增幅最大为14.51%,45°煤样最小为6.72%;随着围压增大,0°和90°煤样的峰值应变不断增大,45°煤样的峰值应变逐渐减小;围压增大使得煤样由局部破坏向整体性破坏转变,破碎程度显著增加;利用摩尔-库伦准则对煤体的破坏机制进行分析发现：煤样的内摩擦角和黏聚力随层理角度增大先减小后增大;煤体在一定角度范围内沿结构面发生剪切破坏,超出这个范围产生复合破坏形式,逐渐趋向于完整岩石破坏。研究结果可为矿井围岩监测提供一定的参考和依据。     

采动影响下水力致裂前后煤层顶板应力变化规律

煤层顶板水力致裂是防治冲击地压的重要手段之一。为了研究水力致裂对采动过程中顶板岩层三维应力变化规律的影响,现场开展了煤层顶板水力致裂试验,采用光纤光栅三维应力传感器,监测得到了水力致裂前后工作面推进过程中的顶板岩层三维应力。结果表明:采动影响下,工作面前方顶板岩层中3个方向正应力均不断增加,直至达到应力峰值,其中竖直方向正应力增加幅度明显大于水平方向正应力增加幅度;水力致裂后,应力峰值位置约从工作面前方11 m向深部移动至21 m处,顶板岩层3个方向正应力的增加幅度均有所降低,其中竖直方向正应力增幅的降低程度最大,约从153%降低至94%;水力致裂可以改变采动影响下顶板岩层三维应力的变化规律,尤其是支承压力的变化规律,从而预防冲击地压的发生。     

含裂隙岩石裂纹扩展与剪切特性的数值研究*

为研究直剪条件下含交叉裂隙岩石的裂纹扩展模式和剪切特性,基于PFC2D研究直剪条件下含裂隙岩石的裂纹扩展模式和剪切特性。研究结果表明:直剪过程可分4个阶段:Ⅰ初始平静阶段、Ⅱ裂纹单一扩展阶段、Ⅲ裂纹复杂扩展阶段、Ⅳ破坏阶段;法向应力越大,Ⅱ,Ⅲ阶段的裂纹扩展程度受到抑制;岩石中含单裂隙时,随裂隙角度α的增加,抗剪强度的变化趋势基本一致,遵循先降后增的规律;含交叉裂隙时,当主裂隙角度α=120°,150°时,抗剪强度随次裂隙角度β的增加呈先减小后增大的趋势,抗剪强度最小值均出现在β=30°;加固含裂隙岩体时,预防裂隙或者潜在破坏面两侧的岩体产生位移差,使其加固后成为1个稳固整体,是避免岩体产生裂纹导致破坏的重要手段。     

主、次裂隙对岩石变形破坏机制的影响研究

为研究主、次裂隙在近似T型分布下对岩石变形破坏机制的影响,基于含主、次裂隙类岩石试件的单轴压缩试验及线弹性断裂力学理论,研究了轴向压缩下由夹角变化引起裂隙岩石中主、次裂隙应力场的变化规律,并进一步探究了其对岩石强度与变形特征的影响。研究结果表明:次裂隙的存在对单一裂隙试件的强度特征有明显影响,含次裂隙试件强度降至单一裂隙试件的30.2%~47.5%;裂隙夹角由30°增加至60°时引起主裂隙相交节点两侧剪应力方向由同向转变为异向,由应力的叠加转变为应力的抵消,对裂隙岩石的破坏过程产生抑制作用,从而增强岩石的峰值强度;相较于裂隙间应力场的相互影响,新增裂隙数量所增加的能量消耗引起的强度特征变化更为显著。     

循环冲击荷载下含孔洞岩石损伤特性与能量耗散分析

为探究隧道工程开挖过程中外部荷载对隧道围岩多重扰动的影响,采用霍普金森压杆(SHPB)装置进行不同冲击荷载(0.6、0.7、0.8 MPa)和冲击方式(等幅与不等幅冲击气压)下的循环冲击试验,以此分析冲击载荷作用下含孔洞岩石试件的动力学特性、损伤特征、能量耗散和破坏形态。结果表明:基于一维应力波理论和界面连续条件得到适用于含竖向孔洞岩石试件计算的改良损伤计算公式;竖向孔洞的存在会影响岩石应力-应变曲线的变化趋势,并在经历数次冲击后尤为显著;花岗岩损伤积累随平均应变率增大呈幂函数增长,且随冲击荷载的增加呈现良好的规律性;积累比能量吸收值随循环冲击的进行逐渐增大,且试件的破坏模式经历了横向拉伸破坏、横向拉伸-轴向劈裂组合形式、轴向劈裂破坏的转变。     

轴向单缝偏心药柱爆破效应模型试验研究

为了探究轴向单缝偏心药柱在掏槽爆破中爆炸应力波传播规律和裂纹扩展情况，采用水泥砂浆模型试块开展模型爆破试验，采用超动态应变测试系统对爆炸应力场进行测量。结果表明:在相同爆心距下，背对切缝侧A测点仅为正对切缝侧B测点峰值应力的73.82%；一定角度范围内，峰值应力随偏转角度的增大而减小，偏转角度为0°时峰值应力最大，偏转角度为60°处峰值应力是偏转角度为30°处的74.39%，峰值应力在0°到60°范围内最大衰减达到32.74%；正对切缝方向产生一条贯通炮孔的主裂纹，裂纹发育优于其他方向，且切缝方向没有明显的细小裂纹，这表明轴向单缝偏心药柱具有良好的定向断裂能力。     

淹没状态下高压水射流破岩效率分析

为研究淹没状态下射流参数对射流破岩效率和安全性的影响,基于流体力学、弹塑性力学及岩石力学,通过流固耦合罚函数算法建立淹没状态下水射流冲击岩石数值计算模型。通过理论分析和实际试验对比验证所建模型。对不同工况下淹没射流冲击岩石进行数值模拟,探讨不同射流参数对破岩效率的影响。结果表明:随着射流速度的增大,破岩效率先后经历线性增长阶段和平稳增长阶段,岩石冲蚀深度变化具有一定相似性;岩石的冲蚀深度随靶距的增大而迅速减小,冲蚀孔径随靶距的增加而增大,冲蚀体积呈先增大后减小的变化趋势;射流直径对破岩效率的影响主要表现在冲蚀孔径上,对冲蚀深度几乎没有影响。基于正交设计试验,得到不同射流参数敏感性大小依次为:射流速度,靶距,射流直径。     

气体钻井突发性井壁失稳动力演化机理及试验研究

从致密砂岩损伤破坏的角度出发,综合考虑致密砂岩的物理力学性质、地应力、裂缝圈闭高压等因素,在分析孔隙压力、地应力、裂缝圈闭高压在突发性井壁失稳过程中所起的作用基础上,将气体钻井突发性井壁失稳具有强烈时间效应的动态力学过程分为孕育、突变、井筒运移和终止4个阶段。对裂缝圈闭高压、地应力作用下致密砂岩的加速损伤演化引起的突发性井壁失稳机理进行了阐述,裂缝圈闭高压是突发性井壁失稳的主要动力源,地应力对突发性井壁失稳起辅助作用。通过模拟实验表明,受地应力破坏后的致密砂岩岩体在有裂缝情况下,卸压初始时刻释放的能量是无裂缝时的5~10倍,且该能量与动力学失稳密切相关。     

矿岩-充填体组合试件能量传递规律研究

为探讨矿岩-充填体组合试件的动态力学特征，使用取自云南玉溪大红山铜矿的含铜矿岩和分级尾砂制作矿岩和配比分别为1∶4、1∶10的充填体组合试件，利用分离式霍普金森冲击杆分别在0.20 MPa、0.22 MPa、0.24 MPa、0.26 MPa、0.28 MPa和0.30 MPa的冲击气压下对矿岩-充填体组合试件进行动态冲击试验，研究组合试件的能量传递规律和破坏模式。结果表明：当试件开始发生破坏时，宏观裂隙首先出现在试件边缘，并随着冲击气压增加而扩展，直到裂隙使充填体试件完全贯通，最终试件会完全破碎；组合试件的破坏模式主要表现为剪切破坏、张拉破坏及共轭剪切破坏3种；充填体试件的波阻抗变化反映了试件在冲击过程中的损伤演化规律；试件的吸收能密度随入射能量增加线性增加；在冲击气压为0.20 MPa时，矿岩和配比为1∶10的充填体组合试件较早发生剪切破坏；当冲击气压为0.24～0.30 MPa时，矿岩和配比为1∶4的充填体组合试件虽然发生破坏，但仍具有一定吸能特性，并且相较于完整状态下变化不大，而在此冲击气压下，配比为1∶10的充填体粉末占比达到约80%,这表明灰砂比较高的充填体部分具有更稳固的...     

级配与拦挡位置对滑坡碎屑流运动影响研究

为了研究不同级配的高位滑坡碎屑流经多级偏转后冲击不同拦挡结构的运动特性以及致灾效应,结合自然地形构建固定坡度和偏转角度均为45°的离散元模型,并利用DEM软件进行数值模拟分析不同拦挡工况和不同级配对碎屑流颗粒运动过程中能量耗散、最终堆积形态,以及碎屑流冲击挡板的作用高度的影响,进而建立相关冲击力学模型。研究结果显示：(1)上下均设置挡板的工况能有效减缓碎屑流颗粒的平均动能和势能,且能有效降低颗粒流翻越挡板的数量,并降低颗粒流的最大运动距离从而减小致灾范围;随着颗粒组级配的增大,势能时程曲线分散点出现的时间越晚,颗粒流最终堆积面积中细颗粒组最大,粗颗粒组最小。(2)当滑槽底部反作用力位置取2/3静止堆积体长度时,计算所得碎屑流最大冲击作用高度与模拟试验结果相接近,力学模型计算的冲击作用高度在0.017～0.138 m。在实际工程中,可按研究相似比对此范围进行加强抗冲击防护。(3)由于侧板的切向力和“颗粒分选效应”,大颗粒会主要冲击挡板的中上部,小颗粒主要冲击挡板的下部,并受偏转角影响集中在一侧,因此工程设计可根据实际情况避免在沟道偏转方向的反向建设工程。研究结果可为高位滑坡碎屑流灾害的治...     

真三轴应力条件下破断煤体力学响应及渗流特性试验研究

为探究煤炭深部开采过程中破断区域煤体的力学及渗流特性,利用多功能真三轴流固耦合试验系统,结合计算机断层扫描(CT)技术分析破断煤体破坏后的内部裂隙分布情况,获得不同中间主应力下破断煤体的强度特征、渗透率演化及破坏模式。研究结果表明：真三轴应力条件下破断煤体呈现出脆-延性破坏特征,随着中间主应力的增大,峰值强度呈现先增大后减小的变化趋势;破断煤体的渗透率在临近破坏前并未出现大幅增长,在进入峰后阶段总体呈下降趋势,且在峰前阶段变化更为明显;破断煤体破坏后的裂隙形式以剪切裂隙为主,宏观剪切破裂面呈现非对称分布特征。应根据现场煤层破断区域构造应力和裂隙结构的变化,调整煤层破断区域瓦斯抽采或破碎煤岩巷道注浆加固方案,保障深部煤炭安全开采。     

碰撞剪切流动中波速对自激振荡射流频率的影响

在许多工程应用中都需了解流体的自激振荡特性 ,而其振荡频率与压力波传播速度密切相关。笔者从理论上分析了自激振荡射流中碰撞剪切流动压力扰动波的传播速度及其对射流振荡频率的影响规律 ,结果表明 :波速随着流体中气体含量的增加而急剧减小 ,随压力的增大而增大。波速减小使得射流的振荡频率也减小 ,实验结果与理论分析一致     

井下射孔强化压裂裂缝导流机理研究

煤矿井下水力压裂中经常出现裂缝扩展无序、闭合快等现象,导致裂缝导流能力较差,无法实现瓦斯的高效抽采。针对此问题,提出采用水射流射孔强化裂缝导流能力的方法,即采用高压水射流在煤孔段垂直于钻孔轴向射孔。采用FLAC3D分析了射孔周边煤体应力分布,结果表明,射孔尖端处存在耳状塑性区。根据最大主应力的准则判断,塑性区的存在可促使裂缝在射孔尖端处起裂。采用RFPA2D-Flow分析了不同水平应力组合下的裂缝扩展特性,结果表明,裂缝在射孔尖端处起裂后,在塑性区内沿水平方向延伸,然后平行于最大水平主应力方向延伸。视压裂裂缝面为粗糙面,基于Y模型分析了裂缝面微凸体分布规律。采用Hertz接触理论研究了两缝面单个微凸体接触受力状态,得出压裂裂缝面微凸体受力与裂缝闭合量呈正指数关系。基于N-S方程分析了真实压裂裂缝内瓦斯渗流速度分布,得出了煤岩体裂缝中瓦斯流量与裂缝面高度成立方关系。对比分析得出,射孔煤体周边应力明显小于不射孔煤体周边应力。通过以上分析得出,射孔导向裂缝在煤层中有序扩展,降低了煤岩体有效应力,减小了压裂裂缝的闭合量,实现了瓦斯长时高效抽放。     

高瓦斯低透气性煤层CO_2相变致裂增透技术研究北大核心CSCD

针对高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽采效果差,且炸药爆破增透存在危险性大等问题,采用理论分析与计算、数值模拟及现场实验等方法,分析了液态CO_2致裂增透煤层原理及煤层损伤,计算了液态CO_2致裂当量,模拟优化了关键部件释放管几何类型及参数,研究了相变致裂点数对致裂效果的影响。结果表明:CO_2相变致裂利用高压气体冲击破碎煤岩体,增强了煤岩层的裂隙发育及透气性;1 kg液态CO_2相变致裂爆炸的当量相当于398 g TNT炸药;关键部件释放管最优结构为空心圆柱结构,最优长度18 mm,最优直径24 mm,最优压力276 MPa;瓦斯抽放影响半径与致裂管数满足三次函数关系,单孔一点致裂方案能够实现增透促抽;致裂后增透促抽瓦斯效果显著,为安全高效抽采瓦斯提供了有效的技术支撑。     

冲击载荷下各向异性煤体渗透-应力敏感性试验研究*

为揭示冲击煤样渗透率的变化规律，通过立式分离式霍普金森（SHPB）冲击装置对不同层理方向煤样进行动态冲击，进而采用渗透仪对冲击后的煤样进行渗透率测试，分析不同冲击荷载下煤岩的渗透率及应力敏感性。结果表明:冲击煤样的渗透率远大于原煤样品，冲击载荷越大，渗透率越大；在相同的冲击载荷和气体压力下，平行于层理方向的煤样渗透率最大，其次是斜交45°层理方向的煤样渗透率，垂直于层理方向的煤样渗透率最小；渗透率受有效应力影响显著；在冲击荷载的作用下，垂直于层理方向煤样渗透率的变化率对孔隙压力更为敏感。     

磨料水射流切割影响因素及切割深度预测模型

切割破拆是实现高效应急救援的方式之一,针对现有破拆工具切割性能与适用性方面的不足,研究前混合磨料水射流(AWJ)用于破拆切割混凝土过程的影响程度,并提出优化方法;主要采用单因素试验法和正交试验法研究射流压力、横移速度、冲击角度、靶距等工艺参数对切割性能的影响程度,并通过多元线性回归分析得到切割深度的预测模型。结果表明:切割深度受不同参数的影响存在明显差异,随射流压力增大而增大,随横移速度增大而减小,随靶距增大而先增大后减小,且存在最佳靶距为4 mm,随冲击角度呈现波动式变化,存在最佳冲击角度为80°;各工艺参数对切割深度的影响程度存在差异,从大到小依次为:射流压力、横移速度、靶距。     

高瓦斯低透气性煤层CO_2相变致裂增透技术研究

针对高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽采效果差,且炸药爆破增透存在危险性大等问题,采用理论分析与计算、数值模拟及现场实验等方法,分析了液态CO_2致裂增透煤层原理及煤层损伤,计算了液态CO_2致裂当量,模拟优化了关键部件释放管几何类型及参数,研究了相变致裂点数对致裂效果的影响。结果表明:CO_2相变致裂利用高压气体冲击破碎煤岩体,增强了煤岩层的裂隙发育及透气性;1 kg液态CO_2相变致裂爆炸的当量相当于398 g TNT炸药;关键部件释放管最优结构为空心圆柱结构,最优长度18 mm,最优直径24 mm,最优压力276 MPa;瓦斯抽放影响半径与致裂管数满足三次函数关系,单孔一点致裂方案能够实现增透促抽;致裂后增透促抽瓦斯效果显著,为安全高效抽采瓦斯提供了有效的技术支撑。