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煤炭学报 2021年第9期46卷 2865-2873页

作者：王晓卿康红普高富强中煤科工开采研究院有限公司北京100013 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验北京100013 煤炭科学研究总院开采研究分院北京100013

煤体结构面分布具有正交的特点。为阐明正交裂隙煤体的围压效应与破坏机理,基于结构面采样与参数标定试验构建正交裂隙煤体模型,采用合成岩体方法开展不同围压条件下正交裂隙煤体的常规三轴压缩试验,提出结构面活化系数的概念,分析围压... 详细信息

煤体结构面分布具有正交的特点。为阐明正交裂隙煤体的围压效应与破坏机理,基于结构面采样与参数标定试验构建正交裂隙煤体模型,采用合成岩体方法开展不同围压条件下正交裂隙煤体的常规三轴压缩试验,提出结构面活化系数的概念,分析围压对正交裂隙煤体破坏特征、强度特性、变形行为与结构面活化的影响,提出并验证结构面活化机制以及围压条件下正交裂隙煤体的破坏机理。研究结果表明:①正交裂隙煤体的力学性质表现出明显的围压效应。随围压增大,煤体的抗压强度、残余强度、弹性模量增大,抵抗膨胀变形能力增强;力学性质表现出脆延转化;煤块破坏形式由拉伸转为剪切;结构面活化比例降低,结构面对正交裂隙煤体力学性质的影响减弱乃至消失。②=2\*GB3存在围压时结构面活化难度急剧增加,正交裂隙煤体的围压效应在低围压时更为显著。③=3\*GB3无围压时,正交裂隙煤体发生劈裂破坏,裂隙由结构面活化裂隙和翼裂纹组成;中、低围压时,正交裂隙煤体发生剪切破坏,形成贯穿的倾斜剪切裂隙;高围压时,正交裂隙煤体发生塑性流动破坏。④=4\*GB3无围压时,结构面控制正交裂隙煤体的破坏;中、低围压时,结构面影响正交裂隙煤体破坏裂隙的形态,但随围压增大影响程度变弱;高围压时,正交裂隙煤体的破坏不受结构面影响。

关键词：煤体正交裂隙围压结构面活化破坏机理合成岩体方法

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煤单轴压缩起裂强度确定及其关键因素影响分析

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煤炭学报 2021年第S02期46卷 670-680页

作者：李文洲司林坡卢志国伊康武龙云煤炭科学研究总院开采研究分院北京100013 中煤科工开采研究院有限公司北京100013 煤炭资源高效开采与洁净利用国家重点实验室北京100013 中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院北京100083

为探究煤起裂强度关键影响因素及其对各因素响应敏感度,采用裂纹体积应变法和声发射法确定煤样单轴载荷下起裂强度。基于煤样CT扫描结果,二值化得到内部结构缺陷分布状态,并进行修正建立DFN网格模型,采用合成岩体方法(SRM)重构数值岩芯... 详细信息

为探究煤起裂强度关键影响因素及其对各因素响应敏感度,采用裂纹体积应变法和声发射法确定煤样单轴载荷下起裂强度。基于煤样CT扫描结果,二值化得到内部结构缺陷分布状态,并进行修正建立DFN网格模型,采用合成岩体方法(SRM)重构数值岩芯,无侧限加载再现煤样破坏过程,得到数值岩芯峰值强度、起裂强度、起裂模式及起裂位置。将起裂强度影响因素分为煤样基质骨架、基质间相互作用及原生缺陷3类,从中各选取2项指标,采用响应面法进行单因素及交互分析。采用裂纹应变法及声发射法确定煤起裂强度为10.06及9.26 MPa,分别为峰值强度的50.3%和46.7%;数值岩芯起裂强度为9.56 MPa,为峰值强度的47.2%,且均在原生缺陷尖端发生拉破坏而起裂。单因素分析结果显示,煤起裂强度对各因素响应敏感性依次为DFN网格密度>基质颗粒弹性模量=PBM模型黏聚力>SJ模型摩擦因数>PBM模型抗拉强度>基质孔隙率,表明原生缺陷对起裂强度影响最显著。多因素交互影响分析发现,颗粒弹性模量与PBM模型黏聚力交互作用响应曲线扭曲程度最高,表明2者对煤样起裂强度影响的交互作用最明显;微观力学因素与DFN网格密度交互作用响应曲面较陡,且投影等值线在DFN网格密度方向更密集,证明煤样内部结构特征对其宏观力学性质影响更显著,与单因素分析结果相互佐证。现场实测表明,巷帮浅部煤体破碎程度高,强度较低,注浆充填结构缺陷后,煤体完整性、均质性及强度得到提高。

关键词：单轴压缩起裂强度 CT扫描合成岩体方法响应面分析

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构造煤围岩力学特性及其在多级扩孔下的变形破坏数值模拟研究

构造煤围岩力学特性及其在多级扩孔下的变形破坏数值模拟研究

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作者：赵伟光中国矿业大学

学位级别：硕士

构造煤是煤体原生结构遭受构造作用破坏的煤,并且具有结构面网络复杂、结构松散、力学强度低等特性。近年来,构造煤中煤层气开发工程得到重视,因此对于构造煤的力学性质以及在细观尺度上变形破坏问题的深入研究具有重大意义。然而,由于... 详细信息

构造煤是煤体原生结构遭受构造作用破坏的煤,并且具有结构面网络复杂、结构松散、力学强度低等特性。近年来,构造煤中煤层气开发工程得到重视,因此对于构造煤的力学性质以及在细观尺度上变形破坏问题的深入研究具有重大意义。然而,由于现场原位测试无法开展、取样困难、室内试验仪器适用条件等限制,在实际操作过程中很难直接测试得到构造煤的基本力学性质。此外,在实验室条件下构造煤样本裂隙和变形的实时监测难以实现,从而限制了构造煤在细观尺度上的变形规律与破坏机制研究。数值模拟方法更加高效、直观,可以从细观尺度上研究构造煤力学性质和变形特征,本文以离散元方法为基本理论,使用合成岩体方法,提出一种交叉网状的DFN模型并进行编程,自行构建构造煤SRM模型。使用SRM模型开展力学数值模拟试验,研究和分析构造煤的强度、变形、裂隙发育以及破坏模式。此外,将构造煤SRM模型应用于水平井多级扩孔数值模拟试验当中,研究和分析构造煤围岩在水平井多级扩孔中的变形和破坏规律。本文的主要进展和得出的结论如下:(1)从淮南矿区张集煤矿采集构造煤样品,观察分析构造煤的宏观结构形态,依据采集样品呈现出片状或鳞片状的构造特点,作者提出了一种交叉网状的DFN模型,并编程建模。(2)选择合成岩体方法为构造煤数值建模方法,完成了构造煤SRM模型的建模。选择室内单轴试验和三轴试验作为细观参数标定试验,确定SRM模型所需的细观力学参数。(3)编写程序对SRM模型和BPM模型进行构造煤单轴压缩和三轴压缩数值模拟试验,得出了构造煤的变形和破坏规律。研究结果表明,结构面和围压都可以影响构造煤的力学性质,构造煤中的结构面网络能够显著降低煤体的力学强度,围压可以提高构造煤的力学强度。随着围压的升高,结构面的影响越来越弱,构造煤的破坏由脆性破坏向塑形破坏转变。(4)以SRM模型为蓝本构建构造煤水平井多级扩孔的数值模型,并且使用块体组装技术快速生成所需尺寸的构造煤数值模型。通过构造煤水平井多级扩孔的数值模拟,得出构造煤围岩在水平井多级扩孔过程中的破坏和变形规律。随着扩孔的进行,构造煤围岩逐渐由剪切破坏转变为拉张破坏。该论文有图68幅,表9个,参考文献103篇。

关键词：构造煤合成岩体方法离散元破坏多级扩孔

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