强扰煤岩体蠕变过程中跨尺度非连续结构演化研究进展

作     者：张良 王来贵 REN Ting 李祥春 高科 李海涛 赵善坤 

作者机构：煤炭科学研究总院有限公司深部开采与冲击地压防治研究院 河南省瓦斯地质与治理重点实验室——省部共建国家重点实验室培育基地 煤炭智能开采与岩层控制全国重点实验室 辽宁工程技术大学力学与工程学院 School of Civil， Mining and Environmental Engineering， University of Wollongong 中国矿业大学(北京)应急管理与安全工程学院 辽宁工程技术大学安全科学与工程学院 煤炭科学技术研究院有限公司 煤矿灾害防控全国重点实验室 

出 版 物：《煤田地质与勘探》 (Coal Geology & Exploration)

年 卷 期：2024年

学科分类：081901[工学-采矿工程] 0819[工学-矿业工程] 08[工学] 

基　　金：国家自然科学基金项目(52304222,U23B2093,52274245) 河南省瓦斯地质与瓦斯治理重点实验室——省部共建国家重点实验室培育基地开放基金项目(WS2022B02) 

主　　题：强扰煤岩体 蠕变本质 跨尺度非连续结构 内部应变场 损伤演化 透明解析 CT扫描与数字重构 精细化建模 

摘      要：【目的】巷道围岩时效变形破坏、蠕变型冲击地压等灾害是深井面临的重大威胁，加之深部采动与结构变化的影响，亟需研究强扰煤岩体蠕变过程中跨尺度非连续结构演化规律。【方法】系统回顾煤岩体力学性质的尺度效应、非连续结构与多物理场效应，以及煤岩体长时稳定性、蠕变演化规律与力学模型。强调不同尺度(细观-宏观-工程尺度)、不同尺寸(REV范围内)煤岩变形破裂过程中非连续结构(包括裂隙和矿物)与物理力学性质存在密切的关联特征。【结果和结论】指出煤岩体跨尺度非连续结构导致应力场非均匀分布，造成力学各向异性、尺度效应及尺寸效应，进而出现非协调宏观破裂现象。透明解析与推演煤岩变形破裂过程中跨尺度非连续结构与多物理场演化规律，是认识煤岩灾变内禀机制的关键。明确指出现有蠕变实验与蠕变模型在煤岩表面变形及破裂方面具有优势，但无法预测煤岩内部变形与非连续结构；为此提出了全尺寸CT扫描重构、数字体图像相关(DVC)、跨尺度等效岩体-等效晶质建模(SRM-GBM)相结合的破解方法。对扰动煤岩体蠕变前沿问题进行了讨论，阐明了非连续结构与应力引起内部变形损伤诱发蠕变这一新观点，指出非连续结构和应力是煤岩非协调蠕变的主控因素，最后建立了强扰煤岩体蠕变过程中跨尺度非连续结构与多物理场演化的精细化建模及透明解析新方法。研究成果为相关矿山灾害的发生机理、预警与防控提供理论基础。